數(shù)字高程模型dem的應(yīng)用研究

數(shù)字高程模型dem的應(yīng)用研究

0dem數(shù)據(jù)集數(shù)字高度模型（dem）是對地形的數(shù)字建模過程。地面的起伏由數(shù)字模型表示。這是代表地面高度的一系列有序數(shù)值矩陣的實體地面模型。數(shù)字高程模型(DEM)的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式為Vī=(Xī,Yī,Zī)(ī=1,2,3,4,…,n)表示某區(qū)域B上三維向量有限序列,其中Xī,Yī是平面坐標(biāo),Zī是(Xī,Yī)對應(yīng)的高程值。該數(shù)據(jù)集從數(shù)學(xué)上描述了該區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布,通過DEM數(shù)據(jù),我們可以很方便地將其轉(zhuǎn)換為等高線圖、透視圖、坡度圖、斷面圖、暈渲圖、與數(shù)字正射影像復(fù)合生成景觀圖等各種專題地圖產(chǎn)品,用戶可以根據(jù)自己的需求,利用DEM計算出體積、不同高程值的水域的淹沒面積、空間距離等工程數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。因此,數(shù)字高程模型的應(yīng)用非常廣泛。1獲取高度模型的方法根據(jù)不同的技術(shù)條件和不同的精度要求,有不同的DEM生產(chǎn)技術(shù)方案。(1)緯儀的工作機(jī)制利用自動激光測距經(jīng)緯儀在野外實測。這種速測經(jīng)緯儀一般都有微處理器,它可以自動記錄與顯示有關(guān)數(shù)據(jù),還能進(jìn)行多種測量上的計算工作。其記錄的數(shù)據(jù)可以通過串行通訊,輸入到其他計算機(jī)進(jìn)行處理。(2)dem的自動采樣攝影測量是DEM數(shù)據(jù)采集最有效也是最常用的方法之一。攝影測量的采集方法包括等高線法、規(guī)則格網(wǎng)點法、漸進(jìn)采樣法、選擇采樣法、混合采樣法、剖面法等很多種采樣的方法。具體采用哪種方法可根據(jù)實際情況而定,如:①數(shù)字自動攝影測量法可采用自動采樣的方法完成DEM數(shù)據(jù)的采集,無需太多人工干涉,只有在水域、森林覆蓋地區(qū)和房屋密集的城區(qū)等特殊區(qū)域,才需要一些簡單的人工干預(yù)和人工編輯,故它已成為獲取DEM的主要儀器設(shè)備,加快了DEM的獲取和更新速度;②交互式數(shù)字?jǐn)z影測量法利用數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行人機(jī)交互式的混合采樣法,就是采用計算機(jī)自動相關(guān)和人工交互相結(jié)合的方法,這種方法由于增加了人工干預(yù)和編輯的功能,故能獲得比較可靠、精度較好的DEM;③解析攝影測量法可使用沿等高線采樣、剖面法采樣、選擇采樣法、規(guī)則格網(wǎng)點的采樣方法。具體有兩種作業(yè)模式,一種是人工直接切準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)點,直接生產(chǎn)DEM,,此方法精度最好,但相當(dāng)耗時;另一種是人工測繪等高線和地形特征點,通過內(nèi)插獲得DEM。這種方法可以更詳細(xì)更有效的描述地貌形態(tài)。(3)從數(shù)字線標(biāo)記lg到dem的方法數(shù)字線劃圖可以從現(xiàn)有的地形圖數(shù)字化得到,也可以從解析攝影測量和數(shù)字?jǐn)z影測量得到。數(shù)字化的方法包括手扶跟蹤數(shù)字化和掃描數(shù)字化。(4)dem精度試驗采集DEM數(shù)據(jù)的方法還有很多,如采用GPS、干涉雷達(dá)、激光測高儀、激光探測及測距系統(tǒng)(LI-DAR)技術(shù)等等。對以上各種方法,使用野外實測高程對它們的精度進(jìn)行試驗和比較。試驗表明:采用GPS、干涉雷達(dá)、激光測高儀、激光探測及測距系統(tǒng)(LIDAR)技術(shù)獲得的DEM精度最好,不過此法費用高又耗時,故一般用于獲得工程用的高精度的數(shù)字高程模型(DEM);解析攝影測量方法和掃描等高線內(nèi)插得到的DEM精度也比較好,加測地形特征點線的交互式數(shù)字?jǐn)z影測量法要比不加測地形特征點線的全數(shù)字自動攝影測量法精度要高。但效率最高的還是全數(shù)字自動攝影測量法。2高度模型數(shù)字dem的主要構(gòu)建方法(1)關(guān)于“不規(guī)則三角網(wǎng)模型”的描述在數(shù)字地形建摸中,不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN-TriangulatedIrregularNetwork)通過從不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點生成的連續(xù)三角面逼近地形表面。即按地形特征采集的點根據(jù)一定規(guī)則連接成覆蓋整個區(qū)域且互不重疊的許多三角形,構(gòu)成一個不規(guī)則三角網(wǎng),通常稱為不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型是一種典型的矢量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過邊與結(jié)點的關(guān)系以及三角形面與邊的關(guān)系顯示地表示地形參考點之間的拓?fù)潢P(guān)系。TIN與Grid的存儲方式有很大的不同,它不僅要存儲每個網(wǎng)點的高程值,而且還要存儲相應(yīng)點的位置坐標(biāo)以及描述網(wǎng)點間拓?fù)潢P(guān)系的信息。不規(guī)則三角網(wǎng)TIN優(yōu)缺點:①就表達(dá)地形信息的角度而言,TIN模型的優(yōu)點是它能以不同層次的分辨率來描述地形表面;能較好地顧及地貌特征點、線,逼真地表示復(fù)雜地形起伏特征,并能克服地形起伏變法不大地區(qū)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)的問題;②數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且TIN的構(gòu)建比較復(fù)雜,TIN一般只適合于小范圍大比例尺高精度的地形建模。TIN模型的三個基本要求:①TIN是唯一的;②力求最佳的三角幾何形狀,每個三角形盡量接近等邊三角形;③保證最近的點構(gòu)成三角形,即三角形的邊長之和最小。(2)形格網(wǎng)grid數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)正方形格網(wǎng)Grid實質(zhì)是規(guī)則間隔的正方形格網(wǎng)點或經(jīng)緯網(wǎng)點陣列,每一個格網(wǎng)點與其它相鄰格網(wǎng)點之間的拓?fù)潢P(guān)系都已隱含在該陣列中行列號中,可根據(jù)該區(qū)域的原點坐標(biāo)與格網(wǎng)間距,對任意格網(wǎng)的平面位置用相應(yīng)矩陣元素的行列號經(jīng)過簡單的運(yùn)算得到。正方形格網(wǎng)Grid數(shù)據(jù)除了要記錄每個格網(wǎng)點的高程值外,還要記錄一個起點的位置坐標(biāo)和格網(wǎng)間距。正方形格網(wǎng)Grid數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為典型的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),非常適合于直接采用柵格矩陣進(jìn)行存儲,采用柵格矩陣不僅結(jié)構(gòu)簡單,占用存儲空間少,而且還可以借助于其它簡單的柵格數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)壓縮處理。正方形格網(wǎng)Grid的優(yōu)缺點:①由于正方形格網(wǎng)GridDEM的數(shù)據(jù)存儲量很小,結(jié)構(gòu)非常簡單,操作方便,因而非常適合于大規(guī)模的使用和管理;②其缺點是對于復(fù)雜的地形地貌特征,難于確定合適的格網(wǎng)大小。在地形簡單的地區(qū)容易產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù),例如鄱陽湖地區(qū),許多湖面如果用TIN只要用幾個三角網(wǎng)即可。用于正方形格網(wǎng)Grid不管是5*5或10*10都要造成大量冗余數(shù)據(jù)。在地形起伏比較復(fù)雜的地區(qū),不能準(zhǔn)確表示地形的各種微起伏特征。3dem特性原理TIN和Grid都是應(yīng)用最為廣泛的連續(xù)表面數(shù)字表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。正如前面所說的,TIN具有許多明顯的優(yōu)點和缺點。其最主要的優(yōu)點就是可變的分辨率,即當(dāng)表面粗糙或變化劇烈時,TIN能包含大量的數(shù)據(jù)點;而當(dāng)表面相對單一時,在同樣大小的區(qū)域TIN只需要最少的數(shù)據(jù)點,另外TIN還具有考慮重要表面數(shù)據(jù)點的能力。當(dāng)然,正是這些優(yōu)點導(dǎo)致其數(shù)據(jù)存儲與操作都比較復(fù)雜。Grid的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)十分簡單、數(shù)據(jù)存儲量很小、各種分析與計算非常方便有效等。通過用TIN和Grid制做鄱陽湖的DEM得知:(1)用等高線,特征線,特征點數(shù)據(jù)中點構(gòu)成TIN并生成正方形格網(wǎng),在兩者數(shù)據(jù)相同的情況下,TIN具有較高的精度。(2)根據(jù)DEM產(chǎn)生的地形暈渲圖與正射影像的比較,可以看出TIN的圖像與正射影像更吻合;(3)根據(jù)DEM反生成的等高線,也可以看出采用TIN制作的DEM反生成的等高線與原等高線套合比較好;(4)當(dāng)用于建立DEM表面的采用數(shù)據(jù)點減少時,Grid的質(zhì)量明顯比TIN降低的快。而隨著采樣點或數(shù)據(jù)密度的增加,兩者之間的性能差別越來越不明顯。4dem在其他工程中的應(yīng)用隨著社會的不斷發(fā)展,數(shù)字高程模型的應(yīng)用越來越廣泛,很多領(lǐng)域都離不開它。例如:在民用和軍用的工程項目(如道路設(shè)計)中計算挖填土石方量;為武器精確制導(dǎo)進(jìn)行地形匹配;為軍事目的顯示地形景觀;進(jìn)行越野通視情況分析;道路設(shè)計的路線選擇、地址選擇;不同地形的比較和統(tǒng)計分析;計算坡度和坡向,繪制坡度圖、暈渲圖等;用于地貌分析,計算浸蝕和徑流等;與專題數(shù)據(jù),如土壤等進(jìn)行組合分析;當(dāng)用其它特征(如氣溫等)代替高程后,還可進(jìn)行人口、地下水位等的分析。(1)在測繪中可以用DEM繪制等高線、坡度圖、坡向圖、立體透視圖;并用