第五章第四節(jié)數(shù)字地形模型知識(shí)課件

一、DEM概述1、含義：

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為其他二維表面上連續(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、土壤類型等其他地面諸特征，此時(shí)的DEM成為DTM（DigitalTerrainModels）?！?-4數(shù)字地形模型2、表示法：2、表示法：1）

等高線法等高線通常被存儲(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。

2）TIN法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。

3）規(guī)則格網(wǎng)法(Grid)3、DEM特點(diǎn)1）容易以多種形式顯示地形信息。地形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理過(guò)后，產(chǎn)生多種比例尺的地形圖、縱橫斷面圖和立體圖。而常規(guī)地形圖一經(jīng)制作完成后，比例尺不容易改變或需要人工處理。

2）精度不會(huì)損失。常規(guī)地圖隨著時(shí)間的推移，圖紙將會(huì)變形，失掉原有的精度。而DEM采用數(shù)字媒介，因而能保持精度不變。另外，由常規(guī)的地圖用人工的方法制作其他種類的地圖，精度會(huì)受到損失，而由DEM直接輸出，精度可得到控制。

3）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化。常規(guī)地圖要增加和修改都必須重復(fù)相同的工序，勞動(dòng)強(qiáng)度大而且周期長(zhǎng)，而DEM由于是數(shù)字形式的，所以增加和修改地形信息只需將修改信息直接輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)軟件處理后即可得各種地形圖。與傳統(tǒng)地形圖比較，DEM作為地形表面的一種數(shù)字表達(dá)形式有如下特點(diǎn)：

4、DEM應(yīng)用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。

返回二、DEM建立1、數(shù)據(jù)獲取與處理沿?cái)嗝娌杉x點(diǎn)采集1）數(shù)據(jù)采集資料來(lái)源于張超主編的《地理信息系統(tǒng)教程》所配光盤2)數(shù)據(jù)處理資料來(lái)源于張超主編的《地理信息系統(tǒng)教程》所配光盤2、DEM生成1）人工網(wǎng)格法

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。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。2）三角網(wǎng)法3）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4）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?？煞譃椋赫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。局部擬合：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。5）等值線插值法資料來(lái)源于張超主編的《地理信息系統(tǒng)教程》所配光盤三、DEM的應(yīng)用（一）

基于DEM的信息提取1、坡度定義為地表單元的法向與Z軸的夾角，即切平面與水平面的夾角。在計(jì)算出各地表單元的坡度后，可對(duì)不同的坡度設(shè)定不同的灰度級(jí)，可得到坡度圖。2、坡向坡向是地表單元的法向量在水平面上的投影與X軸之間的夾角，

在計(jì)算出每個(gè)地表單元的坡向后，可制作坡向圖，通常把坡向分為東、南、西、北、東北、西北、東南、西南8類，再加上平地，共9類，用不同的色彩顯示，即可得到坡向圖。（GridDEM上制作坡度、坡向圖）3、地表粗造度（破碎度）是反映地表的起伏變化和侵蝕程度的指標(biāo)，一般定義為地表單元的曲面面積與其水平面上的投影面積之比。4、高程變異分析GridDEM上制作坡度、坡向圖通常用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。返回部分資料來(lái)源于張超主編的《地理信息系統(tǒng)教程》所配光盤4、高程變異分析平地崗丘丘陵低山高山絕對(duì)h……<400<600……相對(duì)h…<100100-200……坡向<3…………DEM計(jì)算地表形態(tài)要素H,H’,坡度、坡向等地形分類標(biāo)準(zhǔn)表地形自動(dòng)分類5、地貌形態(tài)的自動(dòng)分類包括平均高程、相對(duì)高程、高程標(biāo)準(zhǔn)差，高程變異。高程變異：為格網(wǎng)頂點(diǎn)的高程標(biāo)準(zhǔn)差與平均高程的比值。（二）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。（三）基于DEM的可視化分析1、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。2、通視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。1）方法：a、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，或相反。這樣可得出射線狀的通視圖。2）關(guān)鍵算法

均是判斷格網(wǎng)或三角網(wǎng)上的某一點(diǎn)是否通視（即兩點(diǎn)是否可見）。(兩點(diǎn)是否可見的算法)3）通視分析示例兩點(diǎn)是否可見的算法：a）傾角法格網(wǎng)DEM為例，O(xo，yo，zo)為觀察點(diǎn)，P(xp,yp,zp)為某一格網(wǎng)點(diǎn)，OP與格網(wǎng)的交點(diǎn)為A、B、C。OP的傾角為α觀察點(diǎn)與各交點(diǎn)的傾角為βi(i＝A,B,C)若tgα＞max(tgβi,i＝A、B、C)，則OP通視否則，不通視。b)剖面圖兩點(diǎn)連線是否與剖面相交。ABA返回3）通視分析示例觀察點(diǎn)不通視通視雷達(dá)盲區(qū)飛行可視域的三維顯示資料來(lái)源于張超主編的《地理信息系統(tǒng)教程》所配光盤3、地形三維圖繪制DEM高程點(diǎn)建立幾何模型透視變換隱藏線、面的消除光照模型計(jì)算貼紋理圖形輸出開放式圖形標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)（Op