第五章數(shù)字高程模型

第五章數(shù)字高程模型一、概述二、DEM的數(shù)據(jù)采集與表示方法1、DTM的數(shù)據(jù)源與采集方法以航空或航天遙感圖像為數(shù)據(jù)源這種方法是由航空或航天遙感立體像對(duì)，用攝影測(cè)量的方法建立空間地形立體模型，量取密集數(shù)字高程數(shù)據(jù)，建立DTM（見(jiàn)圖）。采集數(shù)據(jù)的攝影測(cè)量?jī)x器包括各種解析的和數(shù)字的攝影測(cè)量與遙感儀器。以地形圖為數(shù)據(jù)源主要以比例尺不大于1：1萬(wàn)的國(guó)家近期地形圖為數(shù)據(jù)源，從中量取中等密度地面點(diǎn)集的高程數(shù)據(jù)，建立DTM。其方法有下列幾種：手工方法采用方格膜片、網(wǎng)點(diǎn)板或帶刻劃的平移角尺疊置在地形圖上，并使地形圖的格網(wǎng)與網(wǎng)點(diǎn)板或膜片的格網(wǎng)線(xiàn)逐格匹配定位，自上而下，逐行從左到右量取高程。當(dāng)格網(wǎng)交點(diǎn)落在相鄰等高線(xiàn)之間時(shí)，用目視線(xiàn)性?xún)?nèi)插方法估計(jì)高程值。它的優(yōu)點(diǎn)是幾乎不需要購(gòu)置儀器設(shè)備，而且操作簡(jiǎn)便。手扶跟蹤數(shù)字化儀采集采集方式有：沿主要等高線(xiàn)采集平面曲率極值點(diǎn)，并選采高程注記點(diǎn)和線(xiàn)性加密點(diǎn)作補(bǔ)充；逐條等高線(xiàn)的線(xiàn)方式連續(xù)采集樣點(diǎn)，并采集所有高程注記點(diǎn)作補(bǔ)充，這種方式適用于等高線(xiàn)較稀疏的平坦地區(qū)；沿曲線(xiàn)和坡折線(xiàn)采集曲率極值點(diǎn)，并補(bǔ)采峰—鞍線(xiàn)和水邊線(xiàn)的支撐點(diǎn)，分別以等高線(xiàn)，峰—鞍鏈和邊界鏈格式存儲(chǔ)。掃描數(shù)字化儀采集這種方式采集速度最快，但目前僅能以?huà)呙璺职娴雀呔€(xiàn)圖方式采集高程。隨著研究的不斷深入，一些難點(diǎn)和瓶頸問(wèn)題被解決，從地圖掃描數(shù)據(jù)中自動(dòng)地建立DTM技術(shù)必將達(dá)到實(shí)用水平。以地形圖為數(shù)據(jù)源建立DEM以地面實(shí)測(cè)記錄為數(shù)據(jù)源用電子速測(cè)儀(全站儀)和電子手簿或測(cè)距經(jīng)緯儀配合PC1500等袖珍計(jì)算機(jī)，在已知點(diǎn)位的測(cè)站上，觀測(cè)到目標(biāo)點(diǎn)的方向、距離和高差三個(gè)要素。計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的x、y、z三維坐標(biāo)，存儲(chǔ)于電子手簿或袖珍計(jì)算機(jī)中，成為建立DEM的原始數(shù)據(jù)。這種方法一般用于建立小范圍大比例尺(比例尺大于1：5000)區(qū)域的DEM，對(duì)高程的精度要求較高。另外氣壓測(cè)高法獲取地面稀疏點(diǎn)集的高程數(shù)據(jù)，也可用來(lái)建立對(duì)高程精度要求不高的DTM。其它數(shù)據(jù)源采用近景攝影測(cè)量在地面攝取立體像對(duì)，構(gòu)造解析模型，可獲得小區(qū)域的DTM。此時(shí)，數(shù)據(jù)的采集方法與航空攝影測(cè)量基本相同。這種方法在山區(qū)峽谷、線(xiàn)路工程和露天礦山中有較大的應(yīng)用價(jià)值。另外，航空測(cè)高儀可獲得精度要求不太高的高程數(shù)據(jù)，也可以依此來(lái)構(gòu)造DTM。2、DTM的表示方法數(shù)學(xué)方法用數(shù)學(xué)方法來(lái)表達(dá)，可以采用整體擬合方法或局部擬合方法將地表復(fù)雜表面分成規(guī)則或不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行分塊搜索，根據(jù)有限個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合形成高程曲面。圖形方法線(xiàn)模式等高線(xiàn)是表示地形最常見(jiàn)的形式。其它的地形特征線(xiàn)也是表達(dá)地面高程的重要信息源，如山脊線(xiàn)、谷底線(xiàn)、海岸線(xiàn)及坡度變換線(xiàn)等。點(diǎn)模式數(shù)據(jù)采樣可以按規(guī)則格網(wǎng)采樣，可以是密度一致的或不一致的；可以是不規(guī)則采樣，如不規(guī)則三角網(wǎng)、鄰近網(wǎng)模型等；也可以有選擇性地采樣，采集山峰、洼坑、隘口、邊界等重要特征點(diǎn)。Page

10●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；人工網(wǎng)格法2)立體像對(duì)分析3）三角網(wǎng)方法不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)不規(guī)則三角網(wǎng)(TriangulatedIrregularNetwork，TIN)是專(zhuān)為產(chǎn)生DTM數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的一種采樣表示系統(tǒng)。它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。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(xiàn)，從而減少了地形較平坦地區(qū)的數(shù)據(jù)冗余。TIN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)。DEM4）曲面擬合內(nèi)插DEM內(nèi)插的算法三、DTM在地圖制圖與地學(xué)分析中的應(yīng)用DTM在科學(xué)研究與生產(chǎn)建設(shè)中的應(yīng)用是多方面的，這里不可能將其所有的應(yīng)用方面進(jìn)行全面、系統(tǒng)的探討，而僅以DTM在地學(xué)分析與地圖制圖中有典型意義的幾個(gè)應(yīng)用為例證說(shuō)明其應(yīng)用的基本思路和方法。它也將向我們展示柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析和應(yīng)用的基本要點(diǎn)，對(duì)于幫助我們?cè)鰪?qiáng)對(duì)柵格數(shù)據(jù)在地學(xué)信息自動(dòng)處理中的作用和意義的理解有著十分重要的意義。1、利用DEM繪制等高線(xiàn)圖利用DEM繪制等高線(xiàn)圖，是以格網(wǎng)點(diǎn)高程數(shù)據(jù)或者將離散的高程數(shù)據(jù)由柵格追蹤法原理轉(zhuǎn)換為矢量等值線(xiàn)所產(chǎn)生的。該方法可以適用于所有的利用格網(wǎng)數(shù)據(jù)方法繪制等值線(xiàn)圖。利用DEM繪制等高線(xiàn)繪制等高線(xiàn)在格網(wǎng)DEM上自動(dòng)繪制等高線(xiàn)主要包括兩個(gè)步驟：1、等高線(xiàn)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(xiàn)點(diǎn)，并將這些等高線(xiàn)點(diǎn)排序；2、等高線(xiàn)光滑，進(jìn)一步加密等高線(xiàn)點(diǎn)并繪制光滑曲線(xiàn)。

繪制等高線(xiàn)2、利用DEM繪制地面暈渲圖暈渲圖是以通過(guò)模擬實(shí)際地面本影與落影的方法有效反映地形起伏的重要的地圖制圖學(xué)方法。在各種小比例尺地形圖、地理圖，以及各類(lèi)有關(guān)專(zhuān)題地圖上得到非常廣泛的應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的人工描繪暈渲圖的方法不但費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，而且?guī)в泻艽蟮闹饔^因素。而利用DEM數(shù)據(jù)作為信息源，在地面光照通量數(shù)學(xué)函數(shù)為自變量，計(jì)算該柵格應(yīng)選用輸出的灰度值。由此產(chǎn)生的暈渲圖具有相當(dāng)逼真的立體效果。地面暈渲圖(a)光源來(lái)自西北產(chǎn)生正立體(b)光源來(lái)自東南產(chǎn)生反立體由DEM產(chǎn)生的地面暈渲圖地面暈渲圖3、DTM的地形分析

盡管DTM的應(yīng)用十分廣泛，但地形分析是其基本應(yīng)用，其它應(yīng)用都可由此推演、擴(kuò)展。地形分析的內(nèi)容有地形因子提取、地表類(lèi)型分類(lèi)以及剖面圖的繪制等。現(xiàn)以柵格結(jié)構(gòu)的DTM為例討論地形分析。(1)坡度和坡向分析坡度定義為水平面和地形表面之間夾角的反正切值；坡向?yàn)槠旅娣ň€(xiàn)在水平面上的投影與正北方向的夾角。ARC/VIEW提取地面坡度圖示例ARC/VIEW提取地面坡向圖示例（2）地表曲率的計(jì)算地面的剖面曲率(profilecurvature)其實(shí)質(zhì)是指地面坡度的變化率，可以通過(guò)計(jì)算地面坡度的坡度而求得。原始DEM數(shù)據(jù)地面坡度數(shù)字矩陣地面剖面曲率數(shù)字矩陣slopeofDEMslopeofslope地面剖面曲率提取方法地面剖面曲率圖地面剖面曲率計(jì)算地面平面曲率計(jì)算地面的平面曲率(plancurvature)是指地面坡向的變化率，可以通過(guò)計(jì)算地面坡向的坡向而求得.原始DEM數(shù)據(jù)地面坡向數(shù)字矩陣地面平面曲率數(shù)字矩陣aspectofDEMaspectofaspect地面平面曲率提取方法地面平面曲率圖通視分析通視分析通視性分析也稱(chēng)道視分析，它實(shí)質(zhì)屬于對(duì)地形進(jìn)行最優(yōu)化處理的范疇，比如設(shè)置雷達(dá)站、電視臺(tái)的發(fā)射站、道路選擇、航海導(dǎo)航等，在軍事上如布設(shè)陣地(如炮兵陣地、電子對(duì)抗陣地)、設(shè)置觀察哨所、鋪架通信線(xiàn)路等。通視性分析的基本因子有兩個(gè)，一個(gè)是兩點(diǎn)之間的通視性(Intervisibility)，另一個(gè)是可視域(ViewShed)，即對(duì)于給定的觀察點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域。

水文分析與計(jì)算是對(duì)所研究的水文變量或過(guò)程，作出盡可能正確的概率描述，對(duì)防止水旱災(zāi)害和開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)水資源的工程或非工程措施的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及管理運(yùn)用有著重要的意義，也是DEM數(shù)據(jù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面，主要用于研究與地表水流有關(guān)的各種自然現(xiàn)象比如：洪水水位及泛濫情況或者可以劃定受污染源影響的地區(qū)、以及預(yù)測(cè)當(dāng)改變某一地區(qū)的地貌時(shí)對(duì)整個(gè)地區(qū)造成的后果等。在城市和區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)業(yè)及森林等許多領(lǐng)域?qū)Φ厍虮砻嫘螤畹睦斫夂苤匾?。這些領(lǐng)域需要知道水流怎樣經(jīng)過(guò)某一地區(qū)，以及這個(gè)地區(qū)的地貌的改變會(huì)以什么樣的方式影響水流的流動(dòng)。地形特征提取——水文分析水系Watershed流域(Basin,Catchment,

Contributingarea)WatershedBoundaries

(DrainageDivides)流域邊界匯流點(diǎn)PourPoints(Outlets)DEM水平和垂向的分辨率、DEM生成過(guò)程的內(nèi)插、以及內(nèi)插精度和網(wǎng)格單元內(nèi)高程信息取平均等原因造成DEM中存在凹陷洼地和平地。 洼地：區(qū)域地形的集水區(qū)域,洼地底點(diǎn)(谷底點(diǎn))的高程通常小于其相鄰近點(diǎn)(至少八鄰域點(diǎn))的高程。原始DEM數(shù)據(jù)處理后數(shù)據(jù)水文分析——數(shù)據(jù)預(yù)處理洼地填平算法——Moran和Vezina算法

首先用一個(gè)極大高程水面數(shù)據(jù)將原始地面的DEM數(shù)據(jù)表面淹沒(méi)，然后移除DEM上多余的水，最后得到的高程數(shù)據(jù)就是填洼處理的高程數(shù)據(jù)。Ａ、對(duì)DEM數(shù)據(jù)初始化，除了邊界外，用一極大臨界水面高程數(shù)據(jù)將原始地面上DEM數(shù)據(jù)表面淹沒(méi)。Ｂ、通過(guò)迭代方法將W值逐步減小，最后W會(huì)收斂于Wf,Wf代表的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)既是填洼后的數(shù)據(jù)。平地墊高算法——Martz和Garbrecht算法

用高程增量疊加算法處理平地。對(duì)平地范圍內(nèi)的單元格增加一微小增量，每個(gè)單元格的增量大小是不一樣的，就可以消除平地。數(shù)據(jù)預(yù)處理方法在經(jīng)過(guò)填充洼地后的DEM（FilledDem），流水可以暢通無(wú)阻地流至區(qū)域地形的邊緣。在經(jīng)過(guò)填充洼地后的DEM是流向分析的基礎(chǔ)水文分析——水流方向在空間分析工具——水文分析模塊1經(jīng)過(guò)填洼（fill）處理后2進(jìn)行水流方向分析(flowdirection)78726971584974675649465069534437384864585522312468614721161974533412111222244822244811248412812812482214441111416原始DEM矩陣水流方向矩陣水流方向提取原理1東2東南4南8西南16西32西北64北128東北除這些值以外的其他值代表流向不確定，這是由dem中的“洼地”或“平地”現(xiàn)象造成的。水流方向提取結(jié)果水文分析步驟在空間分析工具——水文分析模塊1經(jīng)過(guò)填洼（fill）處理后2進(jìn)行水流方向分析(flowdirection)3匯流量分析（flowaccumulation）

區(qū)域地形每點(diǎn)的流水累積量，它可以用區(qū)域地形表面的流水模擬方法獲得。規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字地面高程模型每點(diǎn)處有一個(gè)單位的水量，按照自然水流從高處流到低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)字矩陣計(jì)算每點(diǎn)處所流過(guò)的水量數(shù)值，便可以得到該區(qū)域匯流累積量。水文分析——匯流累積量22244822244811248412812812482214441111416326412816K1842水流方向矩陣匯流累積量矩陣匯流累積量提取結(jié)果000000011220037540000200100012400247352326412816K1842水流方向矩陣匯流累積量矩陣匯流累積量提取結(jié)果匯流累積量提取結(jié)果水文分析步驟在空間分析工具——水文分析模塊1經(jīng)過(guò)填洼（fill）處理后2進(jìn)行水流方向分析(flowdirection)3匯流量分析（flowaccumulation）4提取河網(wǎng)

河網(wǎng)的提取采用的是地表徑流漫流模型，通過(guò)模擬地表徑流的流動(dòng)來(lái)產(chǎn)生水系。A、在無(wú)洼地的DEM上計(jì)算出每一個(gè)柵格的水流方向矩陣；B、根據(jù)自然水流由高處流到低處的自然規(guī)律利用水流方向矩陣計(jì)算出匯流累積量；C、當(dāng)匯流累積量達(dá)到一定值得時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生地表水流，所有匯流累積量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)就是河網(wǎng)。在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中要確定匯流能力閾值，不低于該閾值的單元格標(biāo)記為水系組成部分，該方法簡(jiǎn)單，直接產(chǎn)生連續(xù)的流線(xiàn)段。水文分析——提取柵格河網(wǎng)單閾值>20單閾值>100提取柵格河網(wǎng)結(jié)果

河流的分級(jí)一般依據(jù)河流的流量、形態(tài)等因素進(jìn)行，不同級(jí)別的河網(wǎng)所代表的匯流累積量不同，級(jí)別越高，匯流累積量越大，一般是主流，而級(jí)別低的河網(wǎng)則一般是支流。兩種常用的分級(jí)方法：A、Strahler