DEM數(shù)字高程模型

1、數(shù)字高程模型數(shù)字高程模型一、一、DEMDEM概述概述二、二、DEMDEM建立建立1 1、DEMDEM的數(shù)據(jù)獲取的數(shù)據(jù)獲取2 2、DEMDEM的建立方法的建立方法三、三、DEMDEM應用應用一、概述：一、概述：DEM定義定義DEMDEM，(Digital Elevation Models)(Digital Elevation Models)，是國家基，是國家基礎空間數(shù)據(jù)的重要組成部分，它表示地表區(qū)域礎空間數(shù)據(jù)的重要組成部分，它表示地表區(qū)域上地形的上地形的三維向量三維向量的的有限有限序列，即地表單元上序列，即地表單元上高程的集合高程的集合，數(shù)學表達為：，數(shù)學表達為：z=f(xz=f(x，y)y)。

2、 DTMDTM：當：當z z為其它二維表面上為其它二維表面上連續(xù)變化連續(xù)變化的的地理特地理特征征，如地面溫度、降雨、地球磁力、重力、土，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，此時的地利用、土壤類型等其他地面諸特征，此時的DEMDEM成為成為DTM(Digital Terrain Models)DTM(Digital Terrain Models)。 概述：概述：DEM 與與 DTM的區(qū)分的區(qū)分數(shù)字高程模型數(shù)字高程模型( (Digital Elevation Digital Elevation ModelModel，DEMDEM) )：研究地面起伏。：研究地面起伏

3、。數(shù)字地形模型數(shù)字地形模型( (Digital Terrain Digital Terrain ModelModel，DTMDTM) )：含有地面起伏和屬：含有地面起伏和屬性性( (如坡度、坡向等如坡度、坡向等) )兩個含義，是兩個含義，是DEMDEM的進一步分析。的進一步分析。概述：概述：DEM的表示方法的表示方法使用三維函數(shù)模擬復雜曲面；將一個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)，每個格網(wǎng)中有一個點的觀測值，即為格網(wǎng)值；適用于曲面插值來表示地下水或土壤的特性；概述：概述：DEM的的線模式線模式表示表示描述高程曲線的描述高程曲線的等高線等高線；數(shù)字化現(xiàn)有等高線地圖產(chǎn)生的數(shù)字化現(xiàn)有

4、等高線地圖產(chǎn)生的DEMDEM比比直接直接利用航空攝影測量方法產(chǎn)生的利用航空攝影測量方法產(chǎn)生的DEMDEM質量要差；質量要差；數(shù)字化的等高線對于計算坡度或生成著色數(shù)字化的等高線對于計算坡度或生成著色地形圖不十分適用。地形圖不十分適用。概述：等高線模式概述：等高線模式 等高線通常被存儲成一個等高線通常被存儲成一個有序有序的的坐標點序列坐標點序列，可，可以認為是一條帶有高程值屬性的以認為是一條帶有高程值屬性的簡單多邊形簡單多邊形或多邊形或多邊形弧段。由于等高線模型只是表達了區(qū)域的弧段。由于等高線模型只是表達了區(qū)域的部分高程值部分高程值，往往需要一種往往需要一種插值方法插值方法來計算落在來計算落在等高

5、線以外等高線以外的的其他其他點點的高程，又因為這些點是落在兩條等高線包圍的區(qū)的高程，又因為這些點是落在兩條等高線包圍的區(qū)域內(nèi)，所以，通常只要使用域內(nèi)，所以，通常只要使用外包的外包的兩條等高線的高程兩條等高線的高程進行進行插值插值。 概述：概述：DEM的的點模式點模式表示表示高程矩陣高程矩陣( (規(guī)則矩形格網(wǎng)規(guī)則矩形格網(wǎng)) )，與柵格地圖相同。，與柵格地圖相同。表示方法：將區(qū)域劃分成網(wǎng)格，記錄每個網(wǎng)格的表示方法：將區(qū)域劃分成網(wǎng)格，記錄每個網(wǎng)格的高程；高程；線模型到高程矩陣的轉換。線模型到高程矩陣的轉換。優(yōu)點：計算機處理以柵格為基礎的矩陣很方便，優(yōu)點：計算機處理以柵格為基礎的矩陣很方便，使高程矩陣

6、成為最常見的使高程矩陣成為最常見的DEMDEM；缺點：在平坦地區(qū)出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)冗余；若不改變?nèi)秉c：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，就不能適應不同的地形條件；在視線計格網(wǎng)大小，就不能適應不同的地形條件；在視線計算中過分依賴格網(wǎng)軸線。算中過分依賴格網(wǎng)軸線。概述：概述：GRID模式模式 規(guī)則格網(wǎng)法是把規(guī)則格網(wǎng)法是把DEMDEM表示成表示成高程矩陣高程矩陣，此時，此時，DEMDEM來源于直接規(guī)則矩形格網(wǎng)采樣點或由不規(guī)則離散數(shù)據(jù)來源于直接規(guī)則矩形格網(wǎng)采樣點或由不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點內(nèi)插產(chǎn)生。點內(nèi)插產(chǎn)生。 結構簡單結構簡單，計算機對矩陣的，計算機對矩陣的處理處理比較比較方便方便，高程，高程矩陣已成為

7、矩陣已成為DEMDEM最通用最通用的形式。高程矩陣特別的形式。高程矩陣特別有利于有利于各各種應用。種應用。 概述：概述：GRID模式的缺點模式的缺點GridGrid系統(tǒng)有下列系統(tǒng)有下列缺點缺點：1 1、地形簡單的地區(qū)存在、地形簡單的地區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)大量冗余數(shù)據(jù)；2 2、如不改變?nèi)绮桓淖兏窬W(wǎng)大小格網(wǎng)大小, ,則則無法適用無法適用于起于起伏程度不同的地區(qū)；伏程度不同的地區(qū)；3 3、對于某些特殊計算如、對于某些特殊計算如視線視線計算時，格計算時，格網(wǎng)的網(wǎng)的軸線方向被夸大軸線方向被夸大；4 4、由于柵格過于粗略，、由于柵格過于粗略，不能精確不能精確表示地表示地形的關鍵特征形的關鍵特征, ,如山峰、

8、洼坑、山脊等；如山峰、洼坑、山脊等； 概述：不規(guī)則三角網(wǎng)概述：不規(guī)則三角網(wǎng)( (TINTIN) ) TINTIN（Triangulated Irregular NetworkTriangulated Irregular Network) )表示法利表示法利用所有采樣點取得的離散數(shù)據(jù)，按照用所有采樣點取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合優(yōu)化組合的原則，的原則，把這些離散點把這些離散點( (各三角形的頂點各三角形的頂點) )連接成相互連續(xù)的連接成相互連續(xù)的三三角面角面( (在連接時，盡可能地確保每個三角形都是在連接時，盡可能地確保每個三角形都是銳角銳角三角形三角形或是三邊的或是三邊的長度近似長度近似相等相

9、等DelaunayDelaunay) )。 因為因為TINTIN可根據(jù)地形的可根據(jù)地形的復雜程度復雜程度來確定采樣點的來確定采樣點的密密度度和和位置位置，能，能充分表示充分表示地形特征點和線，從而地形特征點和線，從而減少了減少了地形較平坦地區(qū)的地形較平坦地區(qū)的數(shù)據(jù)冗余數(shù)據(jù)冗余。 概述：概述：TINTIN的三角剖分的三角剖分概述：概述：TINTIN模型的存儲方式模型的存儲方式NoXYZ190.010.043.5250.710.067.3367.223.962.6:1010.090.081.0概述：概述：TINTIN模型的表現(xiàn)模型的表現(xiàn)概述：概述：TINTIN小結小結表示方法：表示方法：將區(qū)域劃分

10、為相鄰的三角面網(wǎng)絡，區(qū)將區(qū)域劃分為相鄰的三角面網(wǎng)絡，區(qū)域中任意點都將落在三角面頂點、線或三角形內(nèi)。域中任意點都將落在三角面頂點、線或三角形內(nèi)。落落在頂點上在頂點上其高程與頂點相同；落其高程與頂點相同；落在線上在線上則由兩個則由兩個頂點線性插值得到；落頂點線性插值得到；落在三角形內(nèi)在三角形內(nèi)則由三個頂點插則由三個頂點插值得到。值得到。生成方法：生成方法：由不規(guī)則點、矩形格網(wǎng)或等高線轉換由不規(guī)則點、矩形格網(wǎng)或等高線轉換而得到。而得到。TINTIN允許在地形復雜地區(qū)收集較多的信息，而在允許在地形復雜地區(qū)收集較多的信息，而在簡單的地區(qū)收集少量信息，避免數(shù)據(jù)冗余。簡單的地區(qū)收集少量信息，避免數(shù)據(jù)冗余。對

11、于某些類型的運算比建立在數(shù)字等高線基礎上對于某些類型的運算比建立在數(shù)字等高線基礎上的系統(tǒng)更有效，如坡度、坡向等的計算。的系統(tǒng)更有效，如坡度、坡向等的計算。概述：概述：建立建立DEMDEM的目的的目的 1 1）作為國家地理信息的基礎數(shù)據(jù)；）作為國家地理信息的基礎數(shù)據(jù)； 2 2）土木工程、景觀建筑與礦山工程規(guī)劃與設計；）土木工程、景觀建筑與礦山工程規(guī)劃與設計； 3 3）為軍事目的而進行的三維顯示；）為軍事目的而進行的三維顯示； 4 4）景觀設計與城市規(guī)劃；）景觀設計與城市規(guī)劃； 5 5）流水線分析、可視性分析；）流水線分析、可視性分析； 6 6）交通路線的規(guī)劃與大壩選址；）交通路線的規(guī)劃與大壩選址

12、； 7 7）不同地表的統(tǒng)計分析與比較；）不同地表的統(tǒng)計分析與比較； 8 8）生成坡度圖、坡向圖、剖面圖、輔助地貌分析、估計侵蝕和徑流等；）生成坡度圖、坡向圖、剖面圖、輔助地貌分析、估計侵蝕和徑流等； 9 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）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，以進行顯示與分析；進行顯示與分析； 1010）與）與GISGIS聯(lián)合進行空間分析；聯(lián)合進行空間分析； 1111）虛擬現(xiàn)實）虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)(Virtual Reality)； 此外，從此外，從DEMDEM還能派生以下主要產(chǎn)品：平面等高線圖、立體等

13、高線圖、等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。等。 二、二、DEMDEM數(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)來源DEMDEM數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)字攝影測量：數(shù)字攝影測量：利用帶自動記錄裝置的立體測利用帶自動記錄裝置的立體測圖儀或立體坐標儀、解析測圖儀及數(shù)字攝影測量圖儀或立體坐標儀、解析測圖儀及數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，進行人工、半自動或全自動的量測。其原系統(tǒng)，進行人工、半自動或全自動的量測。其原理是在攝影圖的基礎上利用測圖儀進行測量。理是在攝影圖的基礎上利用測圖儀進行測量?，F(xiàn)有

14、地圖數(shù)字化：現(xiàn)有地圖數(shù)字化：對已有地圖上的信息對已有地圖上的信息( (如等如等高線高線) )進行數(shù)字化。進行數(shù)字化。地面測量：地面測量：利用自動記錄的測距經(jīng)緯儀在野外利用自動記錄的測距經(jīng)緯儀在野外實地測量。實地測量。空間傳感器：空間傳感器：利用利用GPSGPS，結合雷達和激光測高，結合雷達和激光測高儀采集數(shù)據(jù)。儀采集數(shù)據(jù)。數(shù)字攝影測量采樣點的選取數(shù)字攝影測量采樣點的選取沿等高線采樣：沿等高線采樣：主要用于山區(qū)采樣。主要用于山區(qū)采樣。規(guī)則網(wǎng)格采樣：規(guī)則網(wǎng)格采樣：按規(guī)則矩形網(wǎng)格進行采樣，按規(guī)則矩形網(wǎng)格進行采樣，可直接生成規(guī)則矩形格網(wǎng)的可直接生成規(guī)則矩形格網(wǎng)的DEMDEM數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。漸進采樣：漸進采

15、樣：根據(jù)地形使采樣點合理分布，根據(jù)地形使采樣點合理分布，即平坦地區(qū)采樣點少，地形復雜區(qū)采樣點多。即平坦地區(qū)采樣點少，地形復雜區(qū)采樣點多。選擇采樣：選擇采樣：根據(jù)地形特征進行采樣，如沿根據(jù)地形特征進行采樣，如沿山脊線、山谷線等進行采集。山脊線、山谷線等進行采集。混合采樣。混合采樣。注意：所有采集的數(shù)據(jù)都要按一定注意：所有采集的數(shù)據(jù)都要按一定的空間插值方法轉換成點模式格式的空間插值方法轉換成點模式格式數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。DEMDEM的生成的生成方法：方法：1 1、人工格網(wǎng)法、人工格網(wǎng)法2 2、三角網(wǎng)法、三角網(wǎng)法3 3、立體像對法、立體像對法4 4、曲面擬合法、曲面擬合法5 5、等值線插值法、等值線插值法人

16、工格網(wǎng)法人工格網(wǎng)法在地形圖上蒙上格網(wǎng)，在地形圖上蒙上格網(wǎng)，逐格逐格讀取讀取中心點中心點或或交點交點的高程值。的高程值。三角網(wǎng)法三角網(wǎng)法 對有限個離散點，對有限個離散點，每三個每三個鄰近點鄰近點聯(lián)結成聯(lián)結成三角形，三角形，每個三角形代表一個每個三角形代表一個局部平面局部平面，再根據(jù)每個平面方，再根據(jù)每個平面方程，可計算程，可計算各格網(wǎng)點各格網(wǎng)點高程，生成高程，生成DEMDEM。 構三角網(wǎng)的要求構三角網(wǎng)的要求應盡可能保證每個三角形是銳角三角應盡可能保證每個三角形是銳角三角形或三邊的長度近似相等，避免出現(xiàn)形或三邊的長度近似相等，避免出現(xiàn)過大的鈍角和過小的銳角。過大的鈍角和過小的銳角。 角度判斷法建立

17、角度判斷法建立TINTIN當已知三角形的兩個頂點后，利用當已知三角形的兩個頂點后，利用余余弦定理弦定理計算備選第三頂點的三角形內(nèi)計算備選第三頂點的三角形內(nèi)角的大小，選擇最大者對應的點為該角的大小，選擇最大者對應的點為該三角形的第三頂點。三角形的第三頂點。 將原始數(shù)據(jù)分塊將原始數(shù)據(jù)分塊 檢索所處理三角形鄰近點檢索所處理三角形鄰近點C1C2C3確定第一個三角形確定第一個三角形iCCmax則C為該三角形第三頂點 AB構網(wǎng)示意圖構網(wǎng)示意圖與與A A點距離點距離最近的點最近的點哪個內(nèi)哪個內(nèi)角最大角最大iiiiibacbaC2cos222三角形的擴展三角形的擴展對每一個已生成的三角形的新增加的兩對每一個已

18、生成的三角形的新增加的兩邊，按角度最大的原則向外進行擴展，邊，按角度最大的原則向外進行擴展，并進行是否重復的檢測。并進行是否重復的檢測。向外擴展的處理：若從頂點為向外擴展的處理：若從頂點為P P1 1(X(X1 1,Y,Y1 1), ), P P2 2(X(X2 2,Y,Y2 2), P), P3 3(X(X3 3,Y,Y3 3) )的三角形之的三角形之P P1 1P P2 2邊向外擴邊向外擴展，應取位于直線展，應取位于直線P P1 1P P2 2與與P P3 3異側的點異側的點 異則判斷異則判斷0)()(),(1212112YYXXXXYYYXFp3p2若備選點P之坐標為（X，Y）重復與交叉

19、的檢測：任意一邊最多只能是兩個三角形的公共邊。p1立體像對法立體像對法資料來源于張超主編的資料來源于張超主編的地理信息系統(tǒng)教程地理信息系統(tǒng)教程所配光盤所配光盤曲面擬合法曲面擬合法 根據(jù)根據(jù)有限個有限個離散點的高程，采用離散點的高程，采用多項式多項式或或樣條函數(shù)樣條函數(shù)求得求得擬合公式擬合公式，再逐個計算各點的高程，得到擬合的再逐個計算各點的高程，得到擬合的DEMDEM?？煞从?。可反映總的地勢總的地勢，但，但局部局部誤誤差差較大較大?？煞譃椋??？煞譃椋赫w擬合：根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)整體擬合：根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)所有采樣點所有采樣點的觀測值建立的觀測值建立趨勢面模型趨勢面模型。特。特點是不能反映內(nèi)插區(qū)域內(nèi)的局

20、部特征。點是不能反映內(nèi)插區(qū)域內(nèi)的局部特征。局部擬合：利用局部擬合：利用鄰近的鄰近的數(shù)據(jù)點數(shù)據(jù)點估計估計未知點的值，能未知點的值，能反映局部反映局部特征。特征。等高線插值法等高線插值法三、三、DEMDEM的應用的應用1 1、基于、基于DEMDEM的信息提取的信息提取2 2、等高線的繪制、等高線的繪制3 3、基于、基于DEMDEM的可視化分析的可視化分析1 1、三維景觀、三維景觀2 2、數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實、數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實3 3、DEMDEM在工程上的應用在工程上的應用概述應用：概述應用：應用算法：應用算法：三維景觀三維景觀數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實City ModelDOMDEMDL

21、GAttribute RDB數(shù)碼深圳數(shù)碼深圳3D 3D 建筑建筑DEM+DOM+DLG交通行業(yè)：數(shù)字公路交通行業(yè)：數(shù)字公路DEMDEM的土石方計算的土石方計算立體計算線路挖土、石方量立體計算線路挖土、石方量坡度的計算坡度的計算2yx1(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRSYZZZZXZZZZYX22tan22tan10001101010011101sintantanROQOQOPOROPOX12costansintantanSOQOQOPOSOPOY222tantantanYXT坡向角的計算坡向角的計算坡向 QO與X軸之夾角T為坡向角2yx1(1,0)(0,0)(1,1)Z

22、10Z11Z01POQRSTXYtgtgROPOSOPOSOROtgatgT/2坡度圖和坡向圖的制作坡度圖和坡向圖的制作 通常用通常用3 3* *3 3的格網(wǎng)窗口的格網(wǎng)窗口在在DEMDEM數(shù)據(jù)矩陣中連續(xù)移數(shù)據(jù)矩陣中連續(xù)移動計算完成。動計算完成。 等高線的繪制等高線的繪制在格網(wǎng)在格網(wǎng)DEMDEM上上自動繪制自動繪制等高線主要包括兩個步驟：等高線主要包括兩個步驟：1 1、等高線追蹤，利用、等高線追蹤，利用DEMDEM矩形格網(wǎng)點的高程內(nèi)插出矩形格網(wǎng)點的高程內(nèi)插出格網(wǎng)邊格網(wǎng)邊上上的等高線點，并將這些等高線點的等高線點，并將這些等高線點排序排序；2 2、等高線光滑，進一步、等高線光滑，進一步加密加密等高

23、線點并繪制光滑曲線。等高線點并繪制光滑曲線。 剖面分析剖面分析1 1）意義：）意義： 常常可以常?？梢砸跃€代面以線代面，研究區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢變化、地質構，研究區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢變化、地質構造、斜坡特征、地表切割強度等。造、斜坡特征、地表切割強度等。 如果在地形剖面上如果在地形剖面上疊加疊加其它地理變量，例如坡度、土壤、植被、土地利用其它地理變量，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)?，F(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 2）繪制）繪制 可在格網(wǎng)可在格網(wǎng)DEMDEM或三角網(wǎng)或三角網(wǎng)DEMDEM上進上進行。行。 已知兩點的坐標已知兩點的坐標A(xA(x1 1，y y1 1) )，B(xB(x2 2，y y2 2) )，則可求出兩點連線與格網(wǎng)或，則可求出兩點連線與格網(wǎng)或三角網(wǎng)的交點，并內(nèi)插交點上的三角網(wǎng)的交點，并內(nèi)插交點上的高程，以及各交點之間的距離。高程，以及各交點之間的距離。然后按選定的垂直比例尺和水平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比例尺，按距離和高程繪出剖面圖。圖。 剖面圖不一定必須沿直線繪制，剖面圖不一定必須沿直線繪制，也可沿一