第七章 數(shù)字地面模型及其應(yīng)用

第七章數(shù)字地面模型及其應(yīng)用~第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三7.1數(shù)字地面模型的概念

地理空間實(shí)質(zhì)是三維的，只是人們通常在二維地理空間上描述和分析空間的分布。如專題圖大多數(shù)是平面圖。DTM模型（DigitalTerrainModel)于50年代由MIT攝影測量實(shí)驗(yàn)室提出，是用數(shù)字形式描述地形表面的模型。實(shí)質(zhì)上這是對地面形態(tài)和屬性信息的數(shù)字表達(dá)。當(dāng)DTM模型中數(shù)字屬性為高程時(shí)稱數(shù)字高程模型，即DEM模型（DigitalElevationModel)。DEM模型是DTM模型的一種特例。從測繪的角度看，DEM模型是新一代的地形圖，它通過存儲在介質(zhì)上的大量地面點(diǎn)空間數(shù)據(jù)和地形屬性數(shù)據(jù)，以數(shù)字形式來描述地形地貌。

第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

7.2DEM的常用數(shù)據(jù)模型一、規(guī)則格網(wǎng)（grid)模型1、模型的表示

Z11Z12Z13Z1nDTM=Z21Z22Z23Z2n

ZM1ZM2ZM3ZMn

平面上的任意一點(diǎn)Zij的坐標(biāo)為xiyi，其中

xi=x0+idxyi=

y0+jdydx,dy分別是格網(wǎng)在x和y方向上的間隔；nx,ny分別為x和y方向上的格網(wǎng)數(shù)；i=0,1,2…..nx-1;j=0,1,2……ny-1;第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2、格網(wǎng)的含義用規(guī)則采樣點(diǎn)，或把不用規(guī)則采樣點(diǎn)內(nèi)插成規(guī)則點(diǎn)，以矩陣形式來表地面形狀。它已成為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中DTM的通用形式。第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三3、格網(wǎng)的生成內(nèi)插方法：1）距離加權(quán)法2）雙線性插值法3）趨勢面插值法4）樣條插值法5）克呂格插值法第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三4、規(guī)則格網(wǎng)模型的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，算法實(shí)現(xiàn)容易。2）容易計(jì)算等高線、坡度、坡向、自動提取地域地形等。缺點(diǎn)1）數(shù)據(jù)量大；2）對不同地形采用一律平等的規(guī)則格網(wǎng)，不利于表示復(fù)雜地形。第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三二、不規(guī)則三角網(wǎng)(TriangulatedIrregularNetworkTIN）模型

1、模型的表示

點(diǎn)文件三角形文件點(diǎn)號坐標(biāo)點(diǎn)三角形號頂點(diǎn)鄰接三角形N1X1Y1Z1T1N1N5N6T2T5/

N2X2Y2Z1T2N1N4N3T1T3T6N3X3Y3Z1T3N1N2N4/

T4T2

N4X4Y4Z4T4N2N3N4T3/

T8

N5X5Y5Z5T5N8N5N6T1/

T6

N6X6Y6Z6T6N4N5N8T2T5T7

N7X7Y7Z7T7N4N7N8T6T8/

N8X8Y8Z8T8N3N4N7T4T7/

T1T2T3T4T5T6T7T8N1N6N2N8N7N3N4N5第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

2、不規(guī)則三角網(wǎng)規(guī)則的生成

第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

3、不規(guī)則三角網(wǎng)規(guī)則格網(wǎng)模型的優(yōu)缺點(diǎn)不規(guī)則三角網(wǎng)模型的優(yōu)點(diǎn)：1）克服柵格數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)允余問題2）可充分表示復(fù)雜的地形特征，它能適應(yīng)起伏不同的地形，用大量三角形地面形態(tài)效率高，數(shù)據(jù)精度高。不規(guī)則三角網(wǎng)模型的缺點(diǎn)：1）算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，由于形成三角網(wǎng)方法不同有不同算法2）對特殊的地形線要調(diào)整

第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三7.3DTM數(shù)據(jù)的采集1、DTM數(shù)據(jù)源的種類1）航空航天遙感影像為數(shù)據(jù)源2）以地形圖為數(shù)據(jù)源3）以地面實(shí)測記錄為數(shù)據(jù)源4）其它數(shù)據(jù)源第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2、DTM數(shù)據(jù)源的采集1）數(shù)據(jù)采集的方法2）數(shù)據(jù)采集的原則第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

3、數(shù)據(jù)采集的后處理采集的DEM數(shù)據(jù)必需進(jìn)行后處理方可應(yīng)用，后處理包括：1）格式轉(zhuǎn)換2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換3）數(shù)據(jù)編輯處理4)數(shù)據(jù)分塊第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

4、數(shù)據(jù)密加的增加和插值數(shù)據(jù)加密和插值的核心問題是確定內(nèi)插方法，任何一種內(nèi)插方法都是基于原始函數(shù)光滑性，也就是說認(rèn)為臨近數(shù)據(jù)點(diǎn)之間存在很大的相關(guān)性。第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三7.4DTM模型的建立

這里舉例說明用地形圖生成格網(wǎng)DEM掃描儀掃入地形圖預(yù)處理獲得二值等值線細(xì)化二值等高線圖跟蹤賦值高程值插值生成DTM數(shù)據(jù)顯示三維地面模型第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三7.5DTM模型的可視性化在GIS的發(fā)展歷程中，一開始就十分重視利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的圖形顯示和分析。以充分直觀的表示空間數(shù)據(jù)處理分析的結(jié)果。因此，從某種意義上說GIS的可視化研究早于科學(xué)計(jì)算可視化的研究。第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三一、地形三維顯示的步驟1、獲取地形數(shù)據(jù)2、生成數(shù)據(jù)高程模型3、進(jìn)行可視化處理4、進(jìn)行三維顯示第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三二、GIS可視化研究的幾個(gè)技術(shù)地形三維可視化的主要內(nèi)容：1）建立數(shù)字高程模型；2）圖形的投影變換技術(shù)；3）圖形的消隱技術(shù)和裁剪技術(shù)；4）光照模型和彩色合成技術(shù)。

第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三三、地形三維顯示的方式1、線框法通過物體的三維邊緣框架來表示物體的幾何形狀。即將地物表面按一定間隔獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)，連成折線或曲線，經(jīng)投影變換后顯示。

第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2、表面法線框法用地物的邊線來顯示表面形狀。表面法將整個(gè)數(shù)據(jù)模型看作一個(gè)大的復(fù)雜空間曲面，來顯示地物表面形狀。具體安排時(shí)將表面分成很多格網(wǎng)以此為面元，作為基本單元進(jìn)行處理。面元具有各自的屬性可獨(dú)立進(jìn)行填充消陰顯示。3、體素法體素法具有真正意義上的三維顯示，它將空間物體分成很多的體元素，如長方體、臺面體，作為基本單元進(jìn)行處理。體元具有真三唯特性。第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三四、地形的三維疊置技術(shù)1）點(diǎn)要素和三維地形的疊置2）線要素和三維地形的疊置3）面要素和三維地形的疊置第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三五、DTM模型的可視化分析

1、通視性分析兩點(diǎn)之間的通視性（intervisibility)指在A點(diǎn)是否能看到B點(diǎn)。常用的方法：1）剖面線分析法2）射線追蹤分析法ABAB第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2、可視域分析第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三7.6DTM模型的應(yīng)用

一、DTM模型在地圖制圖中的應(yīng)用第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三二、DTM模型在地形分析中的應(yīng)用1、用DTM模型定義坡度和坡向坡度定義為地形表面和水平面之間夾角的正切值；坡向定義為地形表面法線在水平面上的投影與正北方向之間夾角。陰陰半陰半陰半陽半陽陽陽坡度的定義坡向的定義

坡度角

法線地面第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2、用DTM模型計(jì)算坡度和坡向坡度和坡向的計(jì)算通常使用3*3的窗口，將其在DEM高程矩陣中連續(xù)移動，從而完成整幅圖的計(jì)算Z2Z2xy

ZZi,j+1-Zi,j-1

x=2x

ZZi+1,j-Zi-1,j

y=2y

xy分別是格網(wǎng)在x方向和y方向上間隔坡向Dir=-Zy坡度=tg=i-1j-1i-1,ji-1,j+1i+1j-1i+1,ji+1,j+1ij-1i,ji,,j+1Z/x=tgA-<A<第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三3、山谷山脊特性的分析1）谷點(diǎn)滿足下面4個(gè)條件(Zi,j-1-

Zi,j)*(Zi,j+1-

Zi,j)>0AND(Zi-1,j-

Zi,j)*(Zi+1,j-

Zi,j)>0ANDZi,j+1>

Zi,jANDZi+1,j>

Zi,j

2)脊點(diǎn)滿足下面4個(gè)條件(Zi,j-1-

Zi,j)*(Zi,j+1-

Zi,j)>0AND(Zi,j-1-

Zi,j)*(Zi+1,j-

Zi,j)>0ANDZi,j+1<

Zi,jANDZi+1,j<

Zi,j

3)溝谷密度D=L/A其中A是區(qū)域的面積；L是區(qū)域內(nèi)溝谷總長度。4)溝谷深度i,j-1i,ji,j+1i-1,j-1i-1,ji-1,j+1i+1,j-1i+1,ji+1,j+1第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期