《數(shù)字地面模型原理及應(yīng)用》課程復(fù)習(xí)大綱.docx

數(shù)字地面模型原理及應(yīng)用課程復(fù)習(xí)大綱第一講 概論1、熟練掌握地圖表達(dá)地表形態(tài)的內(nèi)容和基本特點；掌握等高線地形圖的特性； 基本內(nèi)容：對客觀存在的特征和變化規(guī)則的一種科學(xué)的概括（綜合）和抽象基本特點：數(shù)學(xué)法則帶來的可量測性；制圖綜合產(chǎn)生的一覽性；內(nèi)容符號引起 的直觀性特性：A用來準(zhǔn)確描述地貌形態(tài)的地圖；B所有的地物信息都正交的投影在水平 面上；C用線化和符號表示縮小后的地物；D地物高度和地形起伏信息 有選擇性的用等高線來進(jìn)行表達(dá)2、熟練掌握影像表達(dá)地表形態(tài)的特點和優(yōu)勢； 特點：周期短、覆蓋面廣、現(xiàn)勢性強、能夠重建實際地形的立體模型、能夠進(jìn) 行精確的三維量測優(yōu)勢：細(xì)節(jié)豐富、成像快速、直觀逼真 3、熟練掌握模型的概念；理解模型的目的；熟練掌握模型的層次；理解數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點和評價標(biāo)準(zhǔn)； 模型：用來表現(xiàn)其它事物的一個對象或概念，是按比例縮減并轉(zhuǎn)變到我們能夠理解的形式的事物本體。模型的目的：a預(yù)測、控制 b表現(xiàn)系統(tǒng)或現(xiàn)象的最初狀態(tài) c 表現(xiàn)假定或預(yù)測 的情形模型的層次：概念模型、物質(zhì)模型、數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點：（1） 它是理解現(xiàn)實世界和發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的工具；（2） 提供了考慮所有可能性、評價選擇性和排除不可能性的機會；（3） 幫助在其它領(lǐng)域推廣或應(yīng)用解決問題的結(jié)果；（4） 幫助明確思路，集中精力關(guān)注問題重要的方面；（5） 使得問題的主要成分能夠被更好的觀察，同時確保交流，減少模糊，并改進(jìn)關(guān)于問題一致性看法的機會。評價標(biāo)準(zhǔn):（1） 精確性：模型的輸出是正確的或非常接 近正確；（2） 描述的現(xiàn)實性：基于正確的假設(shè)；（3） 準(zhǔn)確性：模型的預(yù)測是確定的數(shù)字、函 數(shù)或幾何圖表等；（4） 可靠性：對輸入數(shù)據(jù)中的錯誤具有相對免疫力（5） 一般性：適用于大多數(shù)情況；（6） 成效性：結(jié)論有用并可以啟發(fā)或指導(dǎo)其它好的模型。4、熟練掌握數(shù)字高程模型的概念；掌握數(shù)字高程模型的分類體系；熟練掌握數(shù)字高程模型的特點；概念： 狹義上，DEM是區(qū)域地表面海拔高程的數(shù)字化表達(dá)。廣義上，DEM是地理空間中地理對象表面海拔高度的數(shù)字化表達(dá)。數(shù)學(xué)意義上，DEM是定義在二維空間上的連續(xù)函數(shù)H=f(x,y)，即區(qū)域D的采樣點或內(nèi)插點Pj按某種規(guī)則連接成的面片M的集合。分類：1、按結(jié)構(gòu)分:基于面單元的DEM、基于先單元的DEM、基于點單元的DEM 2、按連續(xù)性分：不連續(xù)性DEM、連續(xù)不光滑DEM、光滑DEM 3、按范圍分：局部DEM、地區(qū)DEM、全局DEM數(shù)字高程模型的特點: 精度的恒定性；表達(dá)的多樣性；更新的實時性；尺度的綜合性。5、熟練掌握數(shù)字高程模型與數(shù)字地面模型的聯(lián)系與區(qū)別； 數(shù)字地面模型描述地球表面形態(tài)多種信息空間分布的有序數(shù)值陣列。數(shù)字地面模型是對某一種或多種地面特性空間分布的數(shù)字描述，是疊加在二維地理空間上的一維或多維地面特性向量空間，是地理信息系統(tǒng)（GIS）空間數(shù)據(jù)庫的某類實體或所有這些實體的總和。數(shù)字地面模型的本質(zhì)共性是二維地理空間定位和數(shù)字描述。6、熟練掌握地形高程數(shù)據(jù)的獲取方法； （1）地形圖數(shù)字化: 主要數(shù)據(jù)源，可通過手工數(shù)字化、半自動等高線跟蹤、掃描數(shù)字化等方式實現(xiàn)。（2）影像數(shù)據(jù): 包括航空影像和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，是大范圍、高精度、高分辨率DEM建立的最有價值的數(shù)據(jù)源。（3）野外（地面測量）: 可獲得最精確的高程和平面數(shù)據(jù)，但工作量大、周期長、成本高。7、了解數(shù)字高程模型的應(yīng)用范疇與前景。 第二講 DEM數(shù)據(jù)組織與管理1、理解空間數(shù)據(jù)模型的概念及特性； 概念：對空間對象及其關(guān)系的描述，根據(jù)空間對象與應(yīng)用有關(guān)的目標(biāo)的需要而對空間對象的一種提取，是空間數(shù)據(jù)組織和空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基礎(chǔ)；屬于概念層次的空間對象語義描述，具體表達(dá)要按一定的結(jié)構(gòu)對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組織特性：2、掌握空間數(shù)據(jù)模型設(shè)計的基本原則； 適用性、運行性、更新性、相關(guān)性、相容性、先進(jìn)性、高質(zhì)量、完備性、安全性、3、熟練掌握鑲嵌數(shù)據(jù)模型的概念和基本思想；掌握鑲嵌數(shù)據(jù)模型的基本原理和構(gòu)造方法；概念：基本思想：空間對象可用相互連接在一起的網(wǎng)絡(luò)來覆蓋和逼近，或者說用在二維區(qū)域上的網(wǎng)絡(luò)劃分來覆蓋整個區(qū)域?；驹恚河靡?guī)則的小面塊集合來逼近不規(guī)則分布的地形曲面。構(gòu)造方法：用數(shù)學(xué)手段將研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，把連續(xù)的地理空間離散為互不覆蓋的網(wǎng)格，然后對網(wǎng)格單元附加相應(yīng)的屬性信息。4、熟練掌握規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點和缺點； 優(yōu)點：其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為二維矩陣結(jié)構(gòu)，格網(wǎng)單元表示二維空間位置，利用數(shù)學(xué)公 式訪問方便，算法多且成熟；具有隱式坐標(biāo)，不需要進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)字化。缺點：不管地形變化復(fù)雜還是簡單，均采用相同的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余而給數(shù) 據(jù)管理帶來不便5、理解行程編碼結(jié)構(gòu)的基本思路：對于一幅DEM，常常在行（或列）方向上相鄰的若干點具有相同的高程值，因而從第一列開始，在格網(wǎng)單元數(shù)值發(fā)生變化時依次紀(jì)錄該值以及重復(fù)的個數(shù)，應(yīng)用時可利用重復(fù)個數(shù)恢復(fù)DEM矩陣。理解塊狀編碼結(jié)構(gòu)的基本原理：行程編碼方案從一維到二維的擴展，采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個記錄單元包括相鄰的若干柵格。理解四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本思想：首先把一幅圖象或一幅柵格地圖(2n2n，n1)等分成4部分，逐塊檢查其柵格值，若每個子區(qū)中所有柵格都含有相同值，則該子區(qū)不再往下分割，否則，將該區(qū)域再分割成4個子區(qū)域，如此遞歸地分割，直到每個子塊都含有相同的灰度或?qū)傩灾禐橹?，稱為自上往下(Top to Down)的四叉樹 。6、熟練掌握規(guī)則格網(wǎng)DEM與不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間優(yōu)缺點比較，并熟練掌握模型采用何種結(jié)構(gòu)主要考慮的因素； 規(guī)則格網(wǎng)DEM不規(guī)則三角網(wǎng)TIN優(yōu)點簡單的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)較少的點可獲取較高的精度與遙感影像數(shù)據(jù)的相合性可變分辨率良好的表面分析功能良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺點計算效率較低表面分析能力較差數(shù)據(jù)冗余構(gòu)建比較費時格網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)則算法設(shè)計比較復(fù)雜主要考慮的因素：數(shù)據(jù)的可獲取性；地形曲面特點以及是否考慮特征點、線；目的和應(yīng)用；原始數(shù)據(jù)的比例尺和分辨率。7、理解DEM數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容和實現(xiàn)方式；了解DEM數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)；了解細(xì)節(jié)層次模型的概念； DEM數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容：數(shù)據(jù)庫設(shè)計、數(shù)據(jù)組織方法、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫功能等。實現(xiàn)方式： （1）基于文件系統(tǒng)和空間索引的方式；（2）基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的方式DEM數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)：實質(zhì)為DEM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)8、熟練掌握元數(shù)據(jù)的概念；掌握DEM元數(shù)據(jù)的基本作用。 概念：關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是對有關(guān)數(shù)據(jù)體、數(shù)據(jù)集合等在內(nèi)容、性能、特征、規(guī)律等方面的解釋和說明。DEM元數(shù)據(jù)的基本作用：（1）可用性(availability)：用以確定是否存在關(guān)于某個地理位置的一組數(shù)據(jù)； (2)適用性(fitness for use)：用以評估這組數(shù)據(jù)是否適用； (3)存取(access)：用以確定獲得驗證過的數(shù)據(jù)的手段；(4)變換(transfer)：用以成功地處理（如變換）和使用這組數(shù)據(jù)。第三講 DEM數(shù)據(jù)獲取方法1、理解既有地形圖的特點； （1）地形圖現(xiàn)勢性（2）地形圖儲存介質(zhì)（3）地形圖精度2、理解地形的結(jié)構(gòu)特征； 變坡點：坡度發(fā)生變化的點，是一種特征點。 凹（凸）點：以直角的坡度來突然變化的點。 斷裂線：特殊情況下，坡度突然變化的線。3、了解地貌類型的劃分； 地貌學(xué)：黃土地貌、風(fēng)成地貌、喀斯特地貌、丹霞地貌等地理學(xué)：平原、高原、丘陵、低山、高山、極高山等測繪學(xué)：根據(jù)地表坡度和高差對地形進(jìn)行分類地形類別基本等高距/m地形坡度/()高差/m平地10（5）2小于80丘陵地102680300山地20625300600高山地20256004、掌握坡度的概念和計算方法； 坡度表示地表面在該點傾斜程度的一個量；從數(shù)學(xué)上來講，坡度等于地表曲面函數(shù)在該點的切平面與水平面夾角的正切5、熟練掌握DEM數(shù)據(jù)源的三大屬性； 數(shù)據(jù)分布：指采樣數(shù)據(jù)位置及分布。位置可由地理坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度或直角坐標(biāo)系中的東北向坐標(biāo)值決定。數(shù)據(jù)密度：指采樣數(shù)據(jù)的密集程度，與研究區(qū)域的地貌類型和地形復(fù)雜程度相關(guān)。數(shù)據(jù)精度：與數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)采集的儀器密切相關(guān)。6、熟練掌握采樣的理論背景；理解基本采樣理論的概念； 理論背景：地表包含無窮多的點； 特定區(qū)域的地表信息可通過DEM的重建完整表達(dá)出來； 只需要測量表達(dá)相應(yīng)地表所需要的數(shù)據(jù)點以達(dá)到一定的地形表面精度和可信度即可。 概念：由采樣數(shù)據(jù)而獲得的格網(wǎng)點信息僅能表述哪些波長大于（或等于）2倍采樣間隔的信息。7、掌握基本的采樣方法； 1） 沿等高線采樣 在模型上沿等高線采集高程點， 可按等距離間隔記錄數(shù)據(jù)或按等時間間隔記錄數(shù) 據(jù)方式進(jìn)行，適合于地形復(fù)雜及陡峭地區(qū)。2） 規(guī)則格網(wǎng)采樣 通過規(guī)定X和Y軸方向的間距來 形成平面格網(wǎng)，在立體模型上量測這些格網(wǎng)點的高程。方法簡單、精度較高、作業(yè)效率也較高；特征點可能丟失；3） 剖面法采樣 方法類似規(guī)則格網(wǎng)采樣，區(qū)別在于 格網(wǎng)法中量測點是在格網(wǎng)的兩個方向上都規(guī)則采樣，而剖面線法只沿一個方向即剖面方向采樣；其采樣速度優(yōu)于格網(wǎng)采樣，但精度較格網(wǎng)采樣低。4） 漸進(jìn)采樣法 先按預(yù)定的比較稀疏的間隔進(jìn)行采樣，獲得一個較稀疏的格網(wǎng)，然后分析是否需要對 格網(wǎng)加密。5） 選擇性采樣 為了準(zhǔn)確反映地形信息，根據(jù)地形 特征進(jìn)行的選擇性采樣。突出優(yōu)點在于只需少量的點便能使其所代表的地面具有足夠的可信度 。6） 混合采樣 選擇采樣與規(guī)則格網(wǎng)采樣或選擇采樣與漸進(jìn)采樣相結(jié)合，在地形突變處以選擇采樣的方式進(jìn)行，然后將這些特征線和另外一些特征點加入到規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)中。具有格則格網(wǎng)采樣與漸進(jìn)采樣的優(yōu)點，但數(shù)據(jù)的存儲管理與應(yīng)用均較復(fù)雜。8、熟練掌握DEM原始數(shù)據(jù)粗差處理的特殊性。 不存在平差問題；粗差大小難于界定第四講 DEM內(nèi)插1、熟練掌握DEM內(nèi)插的概念；根據(jù)相鄰若干參考點高程值求出待定點高程值。2、熟練掌握必須進(jìn)行DEM內(nèi)插的情況；(1)現(xiàn)有的離散點的分辨率與所要求的不符，需要重新插值；(2)現(xiàn)有的連續(xù)曲面的數(shù)據(jù)模型與所需的數(shù)據(jù)模型不符，需要重新插值；(3)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)不能完全覆蓋所要求的區(qū)域范圍，需要插值。 3、掌握DEM的本質(zhì)； DEM的實質(zhì)就是一個分片的曲面（平面）模型，無論是DEM建立還是DEM點的高程內(nèi)插，一般都是在局部范圍進(jìn)行。4、理解地形空間的分布特征和DEM的數(shù)學(xué)特征； 空間分布特征：（1）各向異性：地形起伏在空間上的分布隨方向的變化而變化，即在地形單元的微小范圍內(nèi)，高程在各個方向上的變化是不一樣的；（2）自相關(guān)性：在空間上越靠近的事物或現(xiàn)象就越相似。（正相關(guān)、負(fù)相關(guān)、不相關(guān)）DEM數(shù)學(xué)特征：單值性DEM只能表達(dá)地表單元處的一個屬性值，而不能表達(dá)同一個位置上的多個屬性值；DEM所表達(dá)的地形表面連續(xù)而不光滑，DEM單元內(nèi)部是光滑的數(shù)學(xué)曲面函數(shù)，但單元之間的曲面法向量并不是平緩過渡，而是在單元連接處存在突變。5、熟練掌握DEM內(nèi)插的基本原理和方法分類； 基本原理:（1）任意一種內(nèi)插方法都是基于原始地形起伏變化的連續(xù)光滑性，或者說鄰近的數(shù)據(jù)點間有很大的相關(guān)性才可能由鄰近的數(shù)據(jù)點內(nèi)插出待定點的高程；(2)對高程點的位置變換和加密處理，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是二元函數(shù)逼近，即利用已知地形采樣點集的三維空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)，展鋪一張連續(xù)的數(shù)學(xué)曲面，將任一待求點的平面坐標(biāo)代入曲面方程，可求得該點的高程數(shù)據(jù)。方法分類：書上 P936、理解整體內(nèi)插的優(yōu)、缺點； 在整個區(qū)域用一個數(shù)學(xué)函數(shù)來表達(dá)地形曲面。優(yōu)點：易于理解缺點：整體內(nèi)插函數(shù)保凸性較差；不容易得到穩(wěn)定的數(shù)值解；多項式系數(shù)物理意義不明顯；解算速度慢且對計算機容量要求較高；不能提供內(nèi)插區(qū)域的局部地形特征。7、理解局部分塊內(nèi)插的基本原理；熟練掌握線性內(nèi)插和雙線性內(nèi)插的原理； 理解二元樣條函數(shù)內(nèi)插和最小二乘配置內(nèi)插的基本原理； P93局部分塊內(nèi)插：將地形區(qū)域按一定的方法進(jìn)行分塊，對每一塊根據(jù)地形曲面特征單獨進(jìn)行曲面擬合和高程內(nèi)插。線性內(nèi)插：線性內(nèi)插是首先使用最靠近插值點的三個已知數(shù)據(jù)點確定一個平面，繼而求出內(nèi)插點的高程值的方法。雙線性內(nèi)插：使用最靠近插值點的四個已知數(shù)據(jù)點組成一個四邊形，進(jìn)而確定一個雙線性多項式來內(nèi)插待插點的高程值的方法?；诟窬W(wǎng)的內(nèi)插廣泛采用這種方法。二元樣條函數(shù)內(nèi)插：曲面與其相鄰分塊的邊界上所有n-1次導(dǎo)數(shù)都連續(xù)的n次多項式，稱為樣條函數(shù)。最小二乘配置內(nèi)插:8、熟練掌握逐點內(nèi)插法的基本概念和原理；掌握逐點內(nèi)插法的基本步驟；理解逐點內(nèi)插法的關(guān)鍵問題； 概念：以內(nèi)插點為中心，確定一個鄰域范圍，用落在鄰域范圍內(nèi)的采樣點計算內(nèi)插點的高程值?；静襟E：（1）定義內(nèi)插點的鄰域范圍；（2）確定落在鄰域內(nèi)的采樣點；（3）選定內(nèi)插數(shù)學(xué)模型；（4）通過鄰域內(nèi)的采樣點和內(nèi)插數(shù)學(xué)模型計算 內(nèi)差點的高程。 關(guān)鍵問題 ： 內(nèi)插函數(shù) ； 鄰域大小和形狀；鄰域內(nèi)數(shù)據(jù)點的個數(shù)； 采樣點的權(quán)重； 采樣點的分布；附加信息的考慮9、掌握整體內(nèi)插、分塊內(nèi)插、逐點內(nèi)插和剖分內(nèi)插的優(yōu)缺點比較。 整體內(nèi)插分塊內(nèi)插逐點內(nèi)插剖分內(nèi)插優(yōu)點易于理解 能夠較好保留地物細(xì)節(jié)，內(nèi)插面連續(xù)（雙線性內(nèi)插）應(yīng)用簡便 能適應(yīng)各種數(shù)據(jù)分布，能方便處理地形特征線缺點 對于復(fù)雜地形，少量參考點不足以描述整個地形，大量參考點易出現(xiàn)抖動，不穩(wěn)定 難于確定分塊大小計算量大 涉及求解大量復(fù)雜方程組，應(yīng)用不便第五講 不規(guī)則三角網(wǎng)TIN的建立1、熟練掌握基于不規(guī)則三角網(wǎng)的數(shù)字高程模型的概念； 基于不規(guī)則三角網(wǎng)的數(shù)字高程模型（TIN）是指用一系列不交叉、互不重疊的連接在一起的三角形來表示地形表面。2、掌握TIN的基本元素； 節(jié)點： 是相鄰三角形的公共頂點，也是用來構(gòu)建TIN的采樣數(shù)據(jù)。邊：指兩個三角形的公共邊界，是TIN不光 滑性的具體反映。面： 由最近的三個節(jié)點所組成的三角形面，是TIN描述地形表面的基本單元。3、熟練掌握TIN模型中三角形幾何形狀的基本原則； 盡量接近正三角形；保證最近的點形成三角形；三角形網(wǎng)絡(luò)唯一。4、掌握常用的三角剖分準(zhǔn)則，熟練掌握空外接圓準(zhǔn)則； 空外接圓準(zhǔn)則 在TIN中，過每個三角形的外接圓均不包含點集的其余任何點。最大最小角準(zhǔn)則 在兩相鄰三角形形成的凸四邊形中，這兩三角形中的最小內(nèi)角一定大于交換凸四邊形對角線后所形成的兩三角形的最小內(nèi)角。短距離和準(zhǔn)則 在TIN中，一點到基邊兩端的距離和為最小。張角最大準(zhǔn)則 一點到基邊的張角為最大。面積比準(zhǔn)則 三角形內(nèi)切圓面積與三角形面積或三角形面積與周長平方之比最小。對角線準(zhǔn)則 兩三角形組成的凸四邊形的兩條對角線之比超過給定限定值時，對三角形進(jìn)行優(yōu)化。5、掌握Delaunay三角網(wǎng)的概念和特性；熟練掌握局部優(yōu)化過程(LOP)的概念和基本思想； 概念：指在空外接圓準(zhǔn)則、最大最小角準(zhǔn)則下進(jìn)行的三角剖分，簡稱DT。特性：可最大限度避免狹長三角形的出現(xiàn)以及不管從何處開始構(gòu)網(wǎng)都能保持三角形網(wǎng)絡(luò)的唯一性。局部優(yōu)化過程(LOP)概念：只有在帶約束條件的Delaunay法則滿足的條件下，由相鄰三角形組成的凸四邊形的局部最佳對角線才被選取。局部優(yōu)化過程(LOP)基本思想：運用 DT 三角網(wǎng)的空外接圓性質(zhì)對兩個有公共邊的三角形組成的四邊形進(jìn)行判斷。如果其中一個三角形的外接圓中含有第四個頂點，則交換四邊形的對角線。在任何三角剖分準(zhǔn)則下得到的TIN，只要用L