數(shù)字高程模型課件

數(shù)字高程模型一、DEM概述二、DEM建立1、DEM的數(shù)據(jù)獲取2、DEM的建立方法三、DEM應(yīng)用一、概述：DEM定義DEM，(DigitalElevationModels)，是國(guó)家基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的重要組成部分，它表示地表區(qū)域上地形的三維向量的有限序列，即地表單元上高程的集合，數(shù)學(xué)表達(dá)為：z=f(x，y)。

DTM：當(dāng)z為其它二維表面上連續(xù)變化的地理特征，如地面溫度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤類(lèi)型等其他地面諸特征，此時(shí)的DEM成為DTM(DigitalTerrainModels)。

概述：DEM與DTM的區(qū)分●數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)：研究地面起伏。通過(guò)地表點(diǎn)集的空間直角坐標(biāo)（x，y，z）并使需要進(jìn)一步伴隨若干專(zhuān)題特征來(lái)表示地形表面的,它是構(gòu)成地形、地理分析的基礎(chǔ)?！駭?shù)字地形模型(DigitalTerrainModel，DTM)：含有地面起伏和屬性(如坡度、坡向等)兩個(gè)含義，是DEM的進(jìn)一步分析。是地表單元上高程的集合，是地貌形態(tài)的離散表示。DEM是構(gòu)成DTM的基礎(chǔ)，DTM的其他元素均有DEM導(dǎo)出，顯然，DEM的質(zhì)量好壞直接決定著DTM的精確性。概述：DEM的表示方法●使用三維函數(shù)模擬復(fù)雜曲面；●將一個(gè)完整曲面分解成方格網(wǎng)或面積上大體相等的不規(guī)則格網(wǎng)，每個(gè)格網(wǎng)中有一個(gè)點(diǎn)的觀測(cè)值，即為格網(wǎng)值；●適用于曲面插值來(lái)表示地下水或土壤的特性；概述：DEM的線模式表示●描述高程曲線的等高線；●數(shù)字化現(xiàn)有等高線地圖產(chǎn)生的DEM比直接利用航空攝影測(cè)量方法產(chǎn)生的DEM質(zhì)量要差；●數(shù)字化的等高線對(duì)于計(jì)算坡度或生成著色地形圖不十分適用。概述：等高線模式

等高線通常被存儲(chǔ)成一個(gè)有序的坐標(biāo)點(diǎn)序列，可以認(rèn)為是一條帶有高程值屬性的簡(jiǎn)單多邊形或多邊形弧段。由于等高線模型只是表達(dá)了區(qū)域的部分高程值，往往需要一種插值方法來(lái)計(jì)算落在等高線以外的其他點(diǎn)的高程，又因?yàn)檫@些點(diǎn)是落在兩條等高線包圍的區(qū)域內(nèi)，所以，通常只要使用外包的兩條等高線的高程進(jìn)行插值。

概述：DEM的點(diǎn)模式表示高程矩陣(規(guī)則矩形格網(wǎng))，與柵格地圖相同?！癖硎痉椒ǎ簩^(qū)域劃分成網(wǎng)格，記錄每個(gè)網(wǎng)格的高程；●線模型到高程矩陣的轉(zhuǎn)換?！魞?yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)處理以柵格為基礎(chǔ)的矩陣很方便，使高程矩陣成為最常見(jiàn)的DEM；◆缺點(diǎn)：在平坦地區(qū)出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)冗余；若不改變格網(wǎng)大小，就不能適應(yīng)不同的地形條件；在視線計(jì)算中過(guò)分依賴(lài)格網(wǎng)軸線。概述：GRID模式

規(guī)則格網(wǎng)法是把DEM表示成高程矩陣，此時(shí)，DEM來(lái)源于直接規(guī)則矩形格網(wǎng)采樣點(diǎn)或由不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)插產(chǎn)生。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)對(duì)矩陣的處理比較方便，高程矩陣已成為DEM最通用的形式。高程矩陣特別有利于各種應(yīng)用。

概述：GRID模式的缺點(diǎn)Grid系統(tǒng)有下列缺點(diǎn)：

1、地形簡(jiǎn)單的地區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)；2、如不改變格網(wǎng)大小,則無(wú)法適用于起伏程度不同的地區(qū)；

3、對(duì)于某些特殊計(jì)算如視線計(jì)算時(shí)，格網(wǎng)的軸線方向被夸大；

4、由于柵格過(guò)于粗略，不能精確表示地形的關(guān)鍵特征,如山峰、洼坑、山脊等；

概述：不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)●不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表示法克服了高程矩陣中冗余數(shù)據(jù)的問(wèn)題，而且能更加有效地用于各類(lèi)以DTM為基礎(chǔ)的計(jì)算。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

TIN（TriangulatedIrregularNetwork)表示法利用所有采樣點(diǎn)取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點(diǎn)(各三角形的頂點(diǎn))連接成相互連續(xù)的三角面(在連接時(shí)，盡可能地確保每個(gè)三角形都是銳角三角形或是三邊的長(zhǎng)度近似相等—Delaunay)。

因?yàn)門(mén)IN可根據(jù)地形的復(fù)雜程度來(lái)確定采樣點(diǎn)的密度和位置，能充分表示地形特征點(diǎn)和線，從而減少了地形較平坦地區(qū)的數(shù)據(jù)冗余。

概述：TIN的三角剖分概述：TIN模型的存儲(chǔ)方式NoXYZ190.010.043.5250.710.067.3367.223.962.6::::1010.090.081.0概述：TIN模型的表現(xiàn)概述：TIN小結(jié)●表示方法：將區(qū)域劃分為相鄰的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點(diǎn)都將落在三角面頂點(diǎn)、線或三角形內(nèi)。落在頂點(diǎn)上其高程與頂點(diǎn)相同；落在線上則由兩個(gè)頂點(diǎn)線性插值得到；落在三角形內(nèi)則由三個(gè)頂點(diǎn)插值得到?！裆煞椒ǎ河刹灰?guī)則點(diǎn)、矩形格網(wǎng)或等高線轉(zhuǎn)換而得到。●TIN允許在地形復(fù)雜地區(qū)收集較多的信息，而在簡(jiǎn)單的地區(qū)收集少量信息，避免數(shù)據(jù)冗余?！駥?duì)于某些類(lèi)型的運(yùn)算比建立在數(shù)字等高線基礎(chǔ)上的系統(tǒng)更有效，如坡度、坡向等的計(jì)算。概述：建立DEM的目的1）作為國(guó)家地理信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

2）土木工程、景觀建筑與礦山工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)；

3）為軍事目的而進(jìn)行的三維顯示；

4）景觀設(shè)計(jì)與城市規(guī)劃；

5）流水線分析、可視性分析；

6）交通路線的規(guī)劃與大壩選址；

7）不同地表的統(tǒng)計(jì)分析與比較；

8）生成坡度圖、坡向圖、剖面圖、輔助地貌分析、估計(jì)侵蝕和徑流等；

9）作為背景疊加各種專(zhuān)題信息如土壤、土地利用及植被覆蓋數(shù)據(jù)等，以進(jìn)行顯示與分析；

10）與GIS聯(lián)合進(jìn)行空間分析；

11）虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality)；此外，從DEM還能派生以下主要產(chǎn)品：平面等高線圖、立體等高線圖、等坡度圖、暈渲圖、通視圖、縱橫斷面圖、三維立體透視圖、三維立體彩色圖等。

二、DEM數(shù)據(jù)來(lái)源數(shù)據(jù)源來(lái)源：（1）航空或航天遙感圖像為數(shù)據(jù)源（2）以地形圖為數(shù)據(jù)源（3）以地面實(shí)測(cè)記錄為數(shù)據(jù)源（4）其它數(shù)據(jù)源●數(shù)據(jù)源決定采集方法。數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集密度和采點(diǎn)的選擇決定DEM的精度。DEM數(shù)據(jù)采集●數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量：利用帶自動(dòng)記錄裝置的立體測(cè)圖儀或立體坐標(biāo)儀、解析測(cè)圖儀及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行人工、半自動(dòng)或全自動(dòng)的量測(cè)。其原理是在攝影圖的基礎(chǔ)上利用測(cè)圖儀進(jìn)行測(cè)量?！瘳F(xiàn)有地圖數(shù)字化：對(duì)已有地圖上的信息(如等高線)進(jìn)行數(shù)字化?！竦孛鏈y(cè)量：利用自動(dòng)記錄的測(cè)距經(jīng)緯儀在野外實(shí)地測(cè)量?！窨臻g傳感器：利用GPS，結(jié)合雷達(dá)和激光測(cè)高儀采集數(shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量采樣點(diǎn)的選取●沿等高線采樣：主要用于山區(qū)采樣?！褚?guī)則網(wǎng)格采樣：按規(guī)則矩形網(wǎng)格進(jìn)行采樣，可直接生成規(guī)則矩形格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)?！駶u進(jìn)采樣：根據(jù)地形使采樣點(diǎn)合理分布，即平坦地區(qū)采樣點(diǎn)少，地形復(fù)雜區(qū)采樣點(diǎn)多?！襁x擇采樣：根據(jù)地形特征進(jìn)行采樣，如沿山脊線、山谷線等進(jìn)行采集?！窕旌喜蓸印Ｗ⒁猓核胁杉臄?shù)據(jù)都要按一定的空間插值方法轉(zhuǎn)換成點(diǎn)模式格式數(shù)據(jù)。DEM的生成方法：1、人工格網(wǎng)法2、三角網(wǎng)法3、立體像對(duì)法4、曲面擬合法5、等值線插值法人工格網(wǎng)法●在地形圖上蒙上格網(wǎng)，逐格讀取中心點(diǎn)或交點(diǎn)的高程值。三角網(wǎng)法

對(duì)有限個(gè)離散點(diǎn)，每三個(gè)鄰近點(diǎn)聯(lián)結(jié)成三角形，每個(gè)三角形代表一個(gè)局部平面，再根據(jù)每個(gè)平面方程，可計(jì)算各格網(wǎng)點(diǎn)高程，生成DEM。

構(gòu)三角網(wǎng)的要求應(yīng)盡可能保證每個(gè)三角形是銳角三角形或三邊的長(zhǎng)度近似相等，避免出現(xiàn)過(guò)大的鈍角和過(guò)小的銳角。

立體像對(duì)法資料來(lái)源于張超主編的《地理信息系統(tǒng)教程》所配光盤(pán)曲面擬合法

根據(jù)有限個(gè)離散點(diǎn)的高程，采用多項(xiàng)式或樣條函數(shù)求得擬合公式，再逐個(gè)計(jì)算各點(diǎn)的高程，得到擬合的DEM?？煞从晨偟牡貏?shì)，但局部誤差較大?？煞譃椋骸裾w擬合：根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)所有采樣點(diǎn)的觀測(cè)值建立趨勢(shì)面模型。特點(diǎn)是不能反映內(nèi)插區(qū)域內(nèi)的局部特征?！窬植繑M合：利用鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)估計(jì)未知點(diǎn)的值，能反映局部特征。等高線插值法三、DEM的應(yīng)用1、基于DEM的信息提取2、等高線的繪制3、基于DEM的可視化分析1、三維景觀2、數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實(shí)3、DEM在工程上的應(yīng)用概述應(yīng)用：應(yīng)用算法：三維景觀數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實(shí)CityModelDOMDEMDLGAttributeRDBDigitalOrthophotoMap（數(shù)字正射影像圖）

DigitalElevationModel（數(shù)字高程模型)數(shù)字線劃圖DLG數(shù)字柵格地圖DRG

數(shù)碼深圳3D建筑DEM+DOM+DLG交通行業(yè)：數(shù)字公路（交通部公路勘測(cè)設(shè)計(jì)院）DEM的土石方計(jì)算立體計(jì)算線路挖土、石方量坡度的計(jì)算(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRS又：所以：坡向的計(jì)算坡向QO與X軸之夾角T為坡向角(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRS坡度圖和坡向圖的制作

通常用3*3的格網(wǎng)窗口在DEM數(shù)據(jù)矩陣中連續(xù)移動(dòng)計(jì)算完成。

等高線的繪制在格網(wǎng)DEM上自動(dòng)繪制等高線主要包括兩個(gè)步驟：1、等高線追蹤，利用DEM矩形格網(wǎng)點(diǎn)的高程內(nèi)插出格網(wǎng)邊上的等高線點(diǎn)，并將這些等高線點(diǎn)排序；2、等高線光滑，進(jìn)一步加密等高線點(diǎn)并繪制光滑曲線。

剖面分析1）意義：常?？梢砸跃€代面，研究區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢(shì)變化、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡特征、地表切割強(qiáng)度等。如果在地形剖面上疊加其它地理變量，例如坡度、土壤、植被、土地利用現(xiàn)狀等，可以提供土地利用規(guī)劃、工程選線和選址等的決策依據(jù)。

2）繪制

可在格網(wǎng)DEM或三角網(wǎng)DEM上進(jìn)行。已知兩點(diǎn)的坐標(biāo)A(x1，y1)，B(x2，y2)，則可求出兩點(diǎn)連線與格網(wǎng)或三角網(wǎng)的交點(diǎn)，并內(nèi)插交點(diǎn)上的高程，以及各交點(diǎn)之間的距離。然后按選定的垂直比例尺和水平比例尺，按距離和高程繪出剖面圖。剖面圖不一定必須沿直線繪制，也可沿一條曲線繪制?；贒EM的可視化分析

通視分析是指以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析?！穹椒ǎ篴、以O(shè)為觀察點(diǎn)，對(duì)格網(wǎng)DEM或三角網(wǎng)DEM上的每個(gè)點(diǎn)判斷通視與否，通視賦值為1，不通視賦值為0。由此可形成屬性值為0和1的格網(wǎng)或三角網(wǎng)。對(duì)此以0.5為值追蹤等值線，即得到以O(shè)為觀察點(diǎn)的通視圖。b、以觀察點(diǎn)O為軸，以一定的方位角間隔算出0°～360°的所有方位線上的通視情況。對(duì)于每條方位線，通視的地方繪線，不通視的地方斷開(kāi)，或相反。這樣可得出射線