《數(shù)字地形處測(cè)量學(xué)》課件

《數(shù)字地形處測(cè)量學(xué)》數(shù)字地形測(cè)量學(xué)是地理信息科學(xué)的重要組成部分，它利用現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙感技術(shù)，獲取和處理地表形態(tài)信息，建立數(shù)字地形模型。該學(xué)科在國(guó)土資源管理、城市規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、災(zāi)害防治等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。課程簡(jiǎn)介概述本課程介紹數(shù)字地形處理技術(shù)，并結(jié)合案例分析其在城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。內(nèi)容課程涵蓋地形數(shù)據(jù)采集、處理、建模、分析、可視化等方面，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握數(shù)字地形處技術(shù)和應(yīng)用能力。目標(biāo)本課程的目標(biāo)是使學(xué)生了解數(shù)字地形處技術(shù)原理，并能運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行地形數(shù)據(jù)處理和分析。課程大綱數(shù)字地形處基礎(chǔ)數(shù)字地形處的概念、發(fā)展歷程、特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。介紹地形數(shù)據(jù)的采集方法、精度分析和數(shù)據(jù)前處理技術(shù)。數(shù)字地形模型講解數(shù)字高程模型的構(gòu)建方法，包括TIN模型和柵格DEM模型，以及模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)。數(shù)字地形處理介紹地形分析與可視化技術(shù)，包括地形特征提取、地形分類(lèi)與識(shí)別、景觀(guān)規(guī)劃、水文分析、土地利用分析和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估。智慧城市應(yīng)用探討數(shù)字地形處在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用，以及前沿技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)字地形處的概念數(shù)字地形處，簡(jiǎn)稱(chēng)DTM（DigitalTerrainModel），是一種用數(shù)字形式表示地形的模型。它利用數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)地表形態(tài)進(jìn)行數(shù)字化描述，包含了高度、坡度、坡向等地理信息。DTM是一個(gè)三維空間數(shù)據(jù)模型，可以用來(lái)模擬和分析地表形態(tài)，為各種地理信息系統(tǒng)和應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)字地形處的發(fā)展歷程1早期階段早期階段主要依賴(lài)于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，如地面測(cè)量和航空攝影測(cè)量。地形數(shù)據(jù)主要以圖紙和模型的形式保存，信息量有限，處理效率低。2數(shù)字化階段20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，數(shù)字地形數(shù)據(jù)處理技術(shù)興起，數(shù)字地形處開(kāi)始形成。3現(xiàn)代階段20世紀(jì)90年代，全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用到地形測(cè)量中，推動(dòng)了數(shù)字地形處向更高精度、更高效、更高效的方向發(fā)展。數(shù)字地形處的特點(diǎn)11.完整性數(shù)字地形處包含地形的所有信息，包括高程、坡度、坡向等。22.精確性數(shù)字地形處的數(shù)據(jù)精度可以滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需求，例如，地形分析、工程設(shè)計(jì)等。33.可視化數(shù)字地形處可以用來(lái)生成三維地形模型，可用于展示地形地貌。44.可分析性數(shù)字地形處可以用來(lái)進(jìn)行地形分析，例如，坡度分析、水文分析等。數(shù)字地形處的應(yīng)用領(lǐng)域城市規(guī)劃與建設(shè)數(shù)字地形處可為城市規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如地形起伏、地貌特征等，并用于三維城市模型的構(gòu)建。它還可以輔助城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，例如道路規(guī)劃、水利工程等。資源勘探與開(kāi)發(fā)數(shù)字地形處可以用于礦產(chǎn)資源勘探，例如創(chuàng)建礦區(qū)地形模型，進(jìn)行礦體三維可視化。它還能幫助評(píng)估資源儲(chǔ)量，并指導(dǎo)資源開(kāi)發(fā)方案的制定。環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)數(shù)字地形處可以用于監(jiān)測(cè)地形變化，如山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。它還可以用于環(huán)境保護(hù)，例如進(jìn)行土地利用分析、污染源追蹤等。軍事與國(guó)防數(shù)字地形處在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，例如制作地形圖、模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等。它還可以用于武器系統(tǒng)研發(fā)，例如導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)等。地形數(shù)據(jù)的采集方法航空攝影測(cè)量航空攝影測(cè)量通過(guò)飛機(jī)或無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)拍攝地面，獲取立體圖像。通過(guò)這些圖像進(jìn)行立體定位和測(cè)量，生成數(shù)字地形模型。衛(wèi)星遙感測(cè)繪衛(wèi)星遙感測(cè)繪利用衛(wèi)星搭載傳感器獲取地面信息，并經(jīng)過(guò)處理生成數(shù)字地形模型。這種方法覆蓋范圍廣，效率高，但精度相對(duì)較低。地面測(cè)量地面測(cè)量包括傳統(tǒng)測(cè)量方法，如水準(zhǔn)測(cè)量、經(jīng)緯儀測(cè)量和全站儀測(cè)量等，這些方法可以獲取高精度的地形數(shù)據(jù)，但效率較低，成本較高。航空攝影測(cè)量1航攝準(zhǔn)備規(guī)劃航線(xiàn)，確定攝影參數(shù)。2航攝作業(yè)飛行拍攝，獲取航片數(shù)據(jù)。3數(shù)據(jù)處理內(nèi)定向，外定向，正射校正。4成果生成數(shù)字正射影像圖，數(shù)字地形模型。航空攝影測(cè)量技術(shù)利用飛機(jī)或無(wú)人機(jī)搭載航空相機(jī)進(jìn)行拍攝，獲取地面目標(biāo)的立體影像信息，進(jìn)而生成數(shù)字正射影像圖和數(shù)字地形模型。該技術(shù)具有高效性、全覆蓋性、高精度性等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于土地利用調(diào)查、城市規(guī)劃、地質(zhì)勘查等領(lǐng)域。衛(wèi)星遙感測(cè)繪1數(shù)據(jù)采集衛(wèi)星搭載傳感器獲取地表信息2數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數(shù)據(jù)傳回地面站3數(shù)據(jù)處理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、拼接、鑲嵌等處理4應(yīng)用分析進(jìn)行地形分析、地物識(shí)別、變化監(jiān)測(cè)等衛(wèi)星遙感測(cè)繪是利用衛(wèi)星搭載的傳感器獲取地表信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和應(yīng)用的技術(shù)。該技術(shù)可以獲取大范圍、高精度的地形數(shù)據(jù)，在資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。地面測(cè)量地面控制點(diǎn)地面控制點(diǎn)是進(jìn)行地面測(cè)量和數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。它包含高程控制點(diǎn)、平面控制點(diǎn)，用于確定目標(biāo)物體的空間位置。全站儀測(cè)量全站儀是一種高精度測(cè)量?jī)x器，用于測(cè)量距離、角度和高程。它可以快速高效地獲取地形數(shù)據(jù)。GNSS測(cè)量GNSS測(cè)量利用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位，可以獲得高精度坐標(biāo)信息。它適用于大范圍地形測(cè)量和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。地面掃描儀地面掃描儀可以快速采集地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于構(gòu)建高精度的數(shù)字地形模型。它通常與全站儀或GNSS設(shè)備配合使用。數(shù)據(jù)采集精度分析數(shù)據(jù)采集精度是數(shù)字地形處中至關(guān)重要的因素。它直接影響著數(shù)字地形模型的質(zhì)量和應(yīng)用效果。影響因素精度分析傳感器精度傳感器本身的誤差和精度指標(biāo)測(cè)量方法不同測(cè)量方法的精度差異環(huán)境條件天氣、地形等環(huán)境因素的影響數(shù)據(jù)處理方法數(shù)據(jù)處理過(guò)程中產(chǎn)生的誤差地形數(shù)據(jù)的前處理1數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式2數(shù)據(jù)清洗去除噪聲和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將不同坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下4數(shù)據(jù)壓縮減少數(shù)據(jù)量，提高處理效率地形數(shù)據(jù)前處理是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和加工，目的是去除噪聲和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式，便于后續(xù)的處理和分析。數(shù)字高程模型的構(gòu)建數(shù)字高程模型（DEM）是表示地形地貌的數(shù)字模型，它以一系列有序的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)表達(dá)地面高程信息，是數(shù)字地形分析的重要基礎(chǔ)。1數(shù)據(jù)采集通過(guò)多種方法獲取地面高程數(shù)據(jù)，包括航空攝影測(cè)量、衛(wèi)星遙感測(cè)繪、地面測(cè)量等。2數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、插值等處理，為后續(xù)模型構(gòu)建提供可靠數(shù)據(jù)。3模型構(gòu)建根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型和模型精度要求，采用不同的構(gòu)建方法，例如TIN模型、柵格DEM模型等。4模型優(yōu)化對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行平滑處理、精度評(píng)價(jià)、拓?fù)潢P(guān)系分析等優(yōu)化，提高模型質(zhì)量。TIN模型的原理三角網(wǎng)模型TIN模型是一種非參數(shù)化模型。這種模型基于不規(guī)則三角網(wǎng)，通過(guò)一系列的三角形來(lái)表示地形表面。TIN模型使用數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建三角形。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)通常代表地形的高程數(shù)據(jù)。例如，高程點(diǎn)，地形邊界點(diǎn)等。TIN模型優(yōu)點(diǎn)TIN模型能夠很好地?cái)M合復(fù)雜的地形特征，例如山脊、山谷和陡峭的懸崖。TIN模型能夠保留原始數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)和特征，這對(duì)于地形分析和建模非常重要。柵格DEM模型的原理網(wǎng)格化表示將地形表面劃分成規(guī)則的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格單元代表一個(gè)高程值，形成一個(gè)二維矩陣。高程信息每個(gè)網(wǎng)格單元存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)地形的絕對(duì)高程值，反映地形起伏變化?？臻g連續(xù)性通過(guò)網(wǎng)格單元之間的連接，展現(xiàn)地形表面的連續(xù)變化趨勢(shì)。數(shù)字地形模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)字地形模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)是至關(guān)重要的，它直接影響著數(shù)字地形模型的應(yīng)用效果。數(shù)字地形模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)通常從精度、完整性、一致性、可視化等方面進(jìn)行評(píng)估。精度完整性一致性可視化在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字地形模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整和完善。數(shù)字地形處理基礎(chǔ)算法插值算法插值算法通過(guò)已知點(diǎn)數(shù)據(jù)，推算未知點(diǎn)數(shù)據(jù)。常用的插值算法包括反距離加權(quán)法、克里金法等。坡度坡向計(jì)算通過(guò)數(shù)字高程模型計(jì)算地形表面坡度和坡向，用于分析地形特征和水文模型。視域分析分析指定點(diǎn)或區(qū)域的可見(jiàn)性，例如建筑物的遮擋和景觀(guān)規(guī)劃。地形分割將地形數(shù)據(jù)按照坡度、高程等特征劃分成不同區(qū)域，用于分析地形特征和提取重要地形要素。地形分析與可視化1地形特征提取利用數(shù)字地形模型（DTM）提取坡度、坡向、高程、曲率等特征。2地形分析對(duì)提取的特征進(jìn)行分析，識(shí)別地形類(lèi)型、地貌單元、地質(zhì)構(gòu)造等。3三維可視化利用三維軟件將地形數(shù)據(jù)渲染成逼真的三維場(chǎng)景，直觀(guān)地展示地形特征。地形特征提取與分析地形特征提取從DEM中提取地形特征，如山峰、山谷、河流、坡度、坡向等，并將其可視化呈現(xiàn)。地形分析對(duì)提取的地形特征進(jìn)行分析，例如地形起伏程度、坡度變化規(guī)律、水系流域等。應(yīng)用領(lǐng)域地形特征提取與分析在城市規(guī)劃、自然資源管理、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。地形分類(lèi)與識(shí)別11.地形類(lèi)型地形分類(lèi)是指將地形表面劃分為不同的類(lèi)別，例如山地、丘陵、平原等。22.分類(lèi)方法數(shù)字地形處理技術(shù)可以根據(jù)地形高程、坡度、坡向等信息對(duì)地形進(jìn)行分類(lèi)。33.識(shí)別算法常用的地形識(shí)別算法包括邊緣檢測(cè)、區(qū)域生長(zhǎng)、形態(tài)學(xué)分析等。44.應(yīng)用領(lǐng)域地形分類(lèi)和識(shí)別在土地利用、水文分析、災(zāi)害評(píng)估等方面有著廣泛的應(yīng)用。景觀(guān)規(guī)劃與設(shè)計(jì)景觀(guān)規(guī)劃原則自然生態(tài)保護(hù)，合理利用資源，滿(mǎn)足人類(lèi)需求，提升生活品質(zhì)。注重可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)修復(fù)和保護(hù)，打造和諧人居環(huán)境。景觀(guān)設(shè)計(jì)元素植物配置，水體設(shè)計(jì)，地形塑造，建筑融入，照明系統(tǒng)，道路鋪裝。結(jié)合當(dāng)?shù)靥厣?，?chuàng)造獨(dú)特景觀(guān)，提升區(qū)域價(jià)值，促進(jìn)旅游發(fā)展。水文分析與建模水文分析通過(guò)數(shù)字地形數(shù)據(jù)，分析河流系統(tǒng)、洪水風(fēng)險(xiǎn)、水資源管理等.水文模型建立水文模型，模擬降雨徑流、水量平衡等過(guò)程.應(yīng)用用于水資源管理、水利工程設(shè)計(jì)、防洪減災(zāi)等方面.土地利用分析土地利用分類(lèi)利用數(shù)字地形模型，可以識(shí)別和劃分不同類(lèi)型的土地覆蓋，例如森林、草地、農(nóng)田和水體。土地利用規(guī)劃分析土地利用變化趨勢(shì)，制定土地利用規(guī)劃，優(yōu)化土地資源配置，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。土地利用變化監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)土地利用變化，識(shí)別土地利用變化的影響因素，評(píng)估土地利用變化的生態(tài)環(huán)境影響。地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估11.災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率、影響范圍和潛在損失。22.災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)利用數(shù)字地形數(shù)據(jù)建立災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)預(yù)警和應(yīng)對(duì)災(zāi)害。33.災(zāi)害防治措施根據(jù)評(píng)估結(jié)果，制定有效的防災(zāi)減災(zāi)措施，降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。44.災(zāi)后恢復(fù)重建利用數(shù)字地形數(shù)據(jù)進(jìn)行災(zāi)后評(píng)估和重建規(guī)劃。數(shù)字地形處在智慧城市中的應(yīng)用城市規(guī)劃數(shù)字地形處提供城市三維模型，支持城市規(guī)劃設(shè)計(jì)，優(yōu)化城市布局，提升城市空間利用效率。交通管理通過(guò)數(shù)字地形模型，建立城市交通模型，實(shí)現(xiàn)交通流量預(yù)測(cè)，優(yōu)化交通路線(xiàn)，提升城市交通效率。環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)字地形處幫助建立城市環(huán)境模型，監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，水資源狀況，并進(jìn)行污染治理，提升城市環(huán)境質(zhì)量。應(yīng)急救援?dāng)?shù)字地形處提供城市災(zāi)害模擬，制定應(yīng)急預(yù)案，提高城市災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力，保障城市安全。數(shù)字地形處的前沿技術(shù)動(dòng)向三維激光掃描三維激光掃描技術(shù)可以快速、精確地獲取地形數(shù)據(jù)，并生成高精度三維模型。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、礦山測(cè)量、考古發(fā)掘等領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)遙感無(wú)人機(jī)搭載高分辨率相機(jī)和傳感器，可以獲取高精度的地形數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有成本低、效率高、靈活可控等優(yōu)勢(shì)，成為數(shù)字地形處領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。人工智能人工智能技術(shù)可以幫助自動(dòng)識(shí)別地形特征，例如道路、建筑物、河流等。人工智能技術(shù)可以提高地形數(shù)據(jù)處理效率和精度，促進(jìn)數(shù)字地形處應(yīng)用的智能化發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將數(shù)字地形模型與現(xiàn)實(shí)世界結(jié)合，實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)。這些技術(shù)在數(shù)字地形處領(lǐng)域的應(yīng)用，可以提升用戶(hù)體驗(yàn)，促進(jìn)數(shù)字地形處的可視化和交互性