數(shù)字地面模型的建立與應用

第七章

數(shù)字地面模型的建立與應用123

概述數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取及預處理數(shù)字高程模型的內(nèi)插方法DEM的精度及存貯管理三角網(wǎng)數(shù)字地面模型數(shù)字地面模型的應用主要內(nèi)容4第一節(jié)

數(shù)字地面模型的概念5數(shù)字地面模型的發(fā)展過程數(shù)字地面模型的概念及其形式主要內(nèi)容

6數(shù)字地面模型工程設計攝影測量和遙感中的應用是地理信息的基礎數(shù)據(jù)軍事上用于導航及導彈制導1.數(shù)字地面模型的發(fā)展過程7原始影像凸包表面模型8原始影像三維模型（無紋理）三維模型（有紋理）91050年代末是其概念的形成60年至70年代對DTM內(nèi)插問題進行研究70年代中、后期對采樣方法進行了研究80年代以來，對DTM的研究涉及到DTM系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)11著名的DTM軟件包

德國Stuttgart大學研制的SCOP程序Munich大學研制的HIFI程序Hannover大學研制的TASH程序奧地利Vienna工業(yè)大學研制SORA程序瑞士Zurich工業(yè)大學研制的CIP程序12數(shù)字地面模型DTM是一個用于表示地面特征的空間分布的數(shù)據(jù)陣列，最常用一系列地面點的平面坐標X、Y以及該地面點的高程Z或?qū)傩裕ㄈ绲缆贩课莸龋┙M成的數(shù)據(jù)陣列。若地面按一定格網(wǎng)形式有規(guī)則的排列，點的平面坐標X、Y可由起始原點推算而無須記錄，這樣地表形態(tài)只用點的高程Z來表達，稱為數(shù)字高程模型（DEM）。2.數(shù)字地面模型的概念及其形式13(X0,Y0)DxDy基礎信息＋高程143.數(shù)字高程模型DEM表示形式

規(guī)則矩形格網(wǎng)

15不規(guī)則三角網(wǎng)TIN16Grid-TIN混合網(wǎng)17（1）矩形格網(wǎng)DEM存儲量最?。ㄟ€可進行壓縮存儲），便于使用和易于管理，缺點是有時不能準確表示地形的結(jié)構(gòu)和細部，導致基于DEM描繪的等高線不能準確表示地貌。為克服其缺點，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點、山脊線、山谷線、斷裂線等，從而構(gòu)成完整的DEM。（2）不規(guī)則三角網(wǎng)TIN是按地形特征采集的點按一定規(guī)則連接成覆蓋整個區(qū)域且互不重疊的許多三角形表示的DEM。TIN能夠較好地顧及地貌特征點、線，表示復雜地面要比矩形格網(wǎng)精確，缺點是數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜，因此使用和管理也比較復雜。3.數(shù)字高程模型DEM表示形式

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第二節(jié)數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取及預處理19數(shù)字地面模型的數(shù)據(jù)來源主要有兩個方面：一是直接取自地形表面，二是間接取自地形表面的模擬模型。根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的方法不同，數(shù)據(jù)來源可分為以下幾種：1、野外實地測量。即在實地直接測量地面點的平面位置和高程。一般使用全站儀、GPS和電子速測儀進行觀測。一、DEM數(shù)據(jù)點的采集方式20212、由現(xiàn)有地形圖上采集。利用數(shù)字化儀對已有地形圖上的信息（等高線，地形線等）進行數(shù)字化方法。常用的數(shù)字化儀有：手扶跟蹤數(shù)字化儀、掃描數(shù)字化儀和半自動跟蹤數(shù)字化儀。手扶跟蹤數(shù)字化：利用數(shù)字化儀將地圖上的空間實體進行離散化采點。數(shù)字化儀是通過串口與計算機相聯(lián)的，它可以設置一系列參數(shù)（包括通信參數(shù)和數(shù)字化儀操作參數(shù)）以保證數(shù)據(jù)錄入的準確性和精度。數(shù)字化儀的主要工作部分就是面板和游標。225006573.25358.55573.80357.45575.55356.50578.10355.95579.67356.63580.00358.3840011571.20358.40571.83356.85573.15355.92575.15355.45577.05354.77580.08353.60582.85352.77584.60354.17584.42356.13582.83357.08582.00358.35233、由遙感系統(tǒng)直接測得。如航空和航天飛行器搭載雷達和激光測高儀獲得的數(shù)據(jù)。（LIDAR）244、數(shù)字攝影測量方法是DEM數(shù)據(jù)點采集最常用的方法?？衫脭?shù)字攝影測量系統(tǒng)，進行半自動或全自動的數(shù)據(jù)采集。25

3.DEM數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換坐標系統(tǒng)的變換數(shù)據(jù)的編輯柵格數(shù)據(jù)的矢量化轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分塊26（1）格式轉(zhuǎn)換采集的軟、硬件系統(tǒng)各不相同，因而數(shù)據(jù)的格式可能也不相同。常用的代碼有ASCII碼、BCD碼及二進制碼。每一記錄的各項內(nèi)容及每項內(nèi)容的類型位數(shù)也可能各不相同，要根據(jù)DEM內(nèi)插軟件的要求，將各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成該軟件所要求的數(shù)據(jù)格式。（2）坐標系轉(zhuǎn)換若采集的數(shù)據(jù)不是出于地面坐標系，則應轉(zhuǎn)化為地面坐標系。地面坐標系一般采用國家坐標系，也可采用局部坐標系。（3）數(shù)據(jù)編輯將采集的數(shù)據(jù)用圖形方式顯示在計算機屏幕上，作業(yè)人員根據(jù)圖形交互式剔除錯誤的、過密的與重復的點，發(fā)現(xiàn)某些需要補測的區(qū)域并進行補測，對斷面掃描數(shù)據(jù)，還要進行掃描的系統(tǒng)誤差改正。

3.DEM數(shù)據(jù)預處理27（4）柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)由地圖掃描數(shù)字化儀獲取的地圖掃描影像是一灰度陣列，首先經(jīng)過二值化處理，在經(jīng)過濾波或形態(tài)處理，并進行邊緣跟蹤，獲得等高線上順序排列的點坐標，即矢量數(shù)據(jù)，供以后建立DEM使用。（5）數(shù)據(jù)分塊由于采集方式不同，數(shù)據(jù)的排列順序也不同，例如等高線數(shù)據(jù)是按各條等高線采集的先后順序排列的。但是在內(nèi)插DEM時，待定點常常只與其周圍的數(shù)據(jù)有關，為了能迅速在大量數(shù)據(jù)中查找所需要的數(shù)據(jù)點，必須將其進行分塊。分塊方法是先將整個區(qū)域分成等間隔的格網(wǎng)，然后將數(shù)據(jù)按格網(wǎng)分成不同的類。

3.DEM數(shù)據(jù)預處理28

第三節(jié)

數(shù)字高程模型的內(nèi)插方法《攝影測量學》第七章29線性內(nèi)插方法移動曲面內(nèi)插方法雙線性多項式內(nèi)插方法多面函數(shù)內(nèi)插方法主要內(nèi)容

302023/12/731概述

DEM內(nèi)插就是根據(jù)參考點上的高程求出其它特定點的高程。內(nèi)插特點：（1）整個地球表面的起伏形態(tài)不可能用一個簡單的低次多項式來擬合，而高次多項式的解不穩(wěn)定且會產(chǎn)生不符合實際的振蕩（2）地形表面既有連續(xù)光滑的特性，又可能有由于自然力或人為地原因產(chǎn)生地形的不連續(xù)。（3）由于計算機內(nèi)存的限制，不可能同時對很大的范圍進行內(nèi)插數(shù)字地面模型。綜合上述三個特點：一般講測區(qū)或圖幅劃分成較小的計算單元，采用局部函數(shù)內(nèi)插方法，并在內(nèi)插中兼顧一般數(shù)據(jù)點和地形特征點、線，并且根據(jù)數(shù)據(jù)點采集的不同方法采取相應的內(nèi)插方法。32一線性內(nèi)插

線性內(nèi)插即使用最靠近的三個數(shù)據(jù)點，其高程的觀測值為Z1、Z2、Z3，可確定一個平面，從而求出一個新的高程Zp（其平面坐標為X、Y）：

Zp=a0+a1X+a2Y參數(shù)a0

、a1

、a2

由三個數(shù)據(jù)點組成的線性方程組求出。線性內(nèi)插法主要用于根據(jù)格網(wǎng)點和注記點，斷裂線點高程內(nèi)插等高線點及三角形網(wǎng)眼的有限元內(nèi)插法中。33二移動曲面擬合法

整體函數(shù)內(nèi)插

局部函數(shù)內(nèi)插

逐點內(nèi)插法

它是一個以待求點為中心的逐點內(nèi)插法，它定義一個新的局部函數(shù)去擬合周圍的數(shù)據(jù)點，進而求出待定點的高程。通常是將坐標原點移到待定點上，而采用的數(shù)據(jù)點應落在半徑R的圓內(nèi)。34建立局部坐標2.移動曲面擬合法步驟對DEM每一個格網(wǎng)點，將坐標原點移至該DEM格網(wǎng)點P（Xp，Yp）35列出誤差方程式選取鄰近數(shù)據(jù)點

Pxydi36誤差方程式由n個數(shù)據(jù)點列出的誤差方程為37內(nèi)插參數(shù)解算38計算每一數(shù)據(jù)點的權(quán)

法化求解

系數(shù)F是待定點內(nèi)插高程值ZP39除滿足n＞6，保證各象限都有數(shù)據(jù)點，當?shù)匦纹鸱^大時，半徑R不能取很大當數(shù)據(jù)點較稀或分布不均勻時，可能產(chǎn)生很大的誤差3.注意事項由于每個內(nèi)插點所選用的數(shù)據(jù)點不同，所以內(nèi)插曲面是不連續(xù)的。因此移動曲面擬合法一般不用于內(nèi)插通用的數(shù)字高程模型，但由于其計算機量很小，它仍然能用來處理一些特殊的任務。例如，當直接沿等高線采集了數(shù)據(jù)點后，欲從中計算出格網(wǎng)點的高程，并用于正射像片的制作，則可以采用這種方法。40

根據(jù)最近的4個數(shù)據(jù)點，確定一個雙線性多項式：或用矩陣形式表示為：利用4個已知點求出4個系數(shù)，再由求出的系數(shù)和待定點的平面坐標（X,Y）內(nèi)插出該點的高程。三雙線性多項式內(nèi)插41(627.00,570.00)(627.00,580.00)(637.00,570.00)(637.00,580.00)422、雙三次多項式內(nèi)插12345678132456784344三多面函數(shù)法DEM內(nèi)插“任何一個圓滑的數(shù)學表面總是可以用一系列有規(guī)則的數(shù)學表面的總和，以任意的精度進行逼近?！币簿褪且粋€數(shù)學表面上某點（X，Y）處高程Z的表達式為:451.核函數(shù)選其中n個為核函數(shù)的中心點各數(shù)據(jù)點應滿足

i=1,2…m462.誤差方程

3.法化求解得474.任意一點上的高程48m=n

全部數(shù)據(jù)點取為核函數(shù)的中心

5.多面函數(shù)法解算49主要包含兩個步驟：①利用DEM的矩形或方格網(wǎng)點的高程，內(nèi)插出格網(wǎng)邊上的等高線點的位置，并將這些等高線點按順序排列。②利用這些等高線點的平面坐標進一步加密等高線，并繪制成光滑的曲線。15014016015015215415615815215415615810m等高線的自動繪制

50等高線的繪制（基于矩形格網(wǎng)）51第四節(jié)DEM的存儲管理521.DEM的存貯管理

1.DEM數(shù)據(jù)文件的存貯

2.地形數(shù)據(jù)庫文件頭+各格網(wǎng)點的高程53整型量存貯3.DEM數(shù)據(jù)的壓縮將高程數(shù)據(jù)減去一常數(shù)Z0

54差分映射相鄰數(shù)據(jù)間的增量，數(shù)據(jù)范圍較小，可以利用一個字節(jié)存貯一個數(shù)據(jù)，55當差分的絕對值大于127時，將該數(shù)據(jù)之前的數(shù)據(jù)作為一個游程，差分游程法(增量游程法)-128---12756小模塊差分法(小模塊增量法)

將DEM分成較大的格網(wǎng)——小模塊，每一模塊包含5X5或10X10個DEM格網(wǎng)17181920211656722154182314329241312111025螺旋型21222324252019181716111213141510987612345往返型57

壓縮編碼

用位數(shù)（bit）最短的碼表示出現(xiàn)概率最大的數(shù)概率較小數(shù)用位數(shù)較長的碼表示數(shù)據(jù)的平均最小位數(shù)可用信息論中熵的定義計算

584.DEM