DEM數(shù)據(jù)獲取方法

數(shù)字地面模型張菊清長(zhǎng)安大學(xué)地測(cè)學(xué)院2/4/20231長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型第三章DEM數(shù)據(jù)獲取方法§3.1DEM數(shù)據(jù)源1、地形圖2、攝影測(cè)量/遙感影像數(shù)據(jù)3、地面測(cè)量數(shù)據(jù)4、既有DEM數(shù)據(jù)2/4/20232長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型地形圖地形圖的缺點(diǎn)：地形圖現(xiàn)勢(shì)性地形圖存儲(chǔ)介質(zhì)地形圖精度1:10,0001:25,0001:50,0002/4/20233長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型攝影測(cè)量與遙感影像遙感影像存在的問(wèn)題：遙感影像的幾何畸變遙感數(shù)據(jù)的增強(qiáng)處理遙感影像數(shù)據(jù)的空間分辨率遙感影像數(shù)據(jù)的解譯和判讀數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站2/4/20234長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型地面測(cè)量數(shù)據(jù)用GPS、全站儀、電子平板儀等一起可以實(shí)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，作為DEM的數(shù)據(jù)源。一般來(lái)講以地面測(cè)量方式獲取的數(shù)據(jù)精度高，但其工作量大，周期長(zhǎng)、更新困難，費(fèi)用較高，一般不適合大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集。2/4/20235長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.2DEM數(shù)據(jù)采樣理論基礎(chǔ)地表是由無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的，獲取地表的全部信息是不可能，也沒(méi)有必要的。在大多數(shù)情況下，僅需獲取有限的點(diǎn)，它能夠以一定的精度和可信度來(lái)表達(dá)地形表面即可。2/4/20236長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.2DEM數(shù)據(jù)采樣理論基礎(chǔ)基本采樣理論：如果對(duì)某一函數(shù)g（x）以間隔D（X）進(jìn)行抽樣，則函數(shù)高于1/（2DX）的頻率部分將不能通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的重建而恢復(fù)。2/4/20237長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.2DEM數(shù)據(jù)采樣理論基礎(chǔ)（1）、地形曲面幾何特征

地形表面千變?nèi)f化，但這些變化可通過(guò)具有特征意義的點(diǎn)和線劃分成一系列單一的地貌形態(tài)，復(fù)雜的地形表面即是由這些單一形態(tài)的幾何表面組合而成。2/4/20238長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.2DEM數(shù)據(jù)采樣理論基礎(chǔ)（2）、地形的復(fù)雜程度

地形曲面的復(fù)雜程度是地形數(shù)據(jù)采樣必需考慮的又一個(gè)因素。一般來(lái)講地形越破碎，應(yīng)設(shè)的采樣點(diǎn)越多。（3）、地貌單元類(lèi)型2/4/20239地形曲面幾何特征特征要素非特征要素特征點(diǎn)特征線地形曲面幾何特征2/4/202310長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法1、采樣數(shù)據(jù)的三大屬性數(shù)據(jù)分布采樣數(shù)據(jù)的分布通常由數(shù)據(jù)位置和結(jié)構(gòu)來(lái)確定。位置：由地理坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度或格網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)中的東北向坐標(biāo)決定。

結(jié)構(gòu)：規(guī)則與不規(guī)則

2/4/202311長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)分布二維規(guī)則格網(wǎng)正方形格網(wǎng)一維分布剖面等高線特殊規(guī)則結(jié)構(gòu)三角形六邊形鏈表結(jié)構(gòu)隨機(jī)分布斷裂線隨機(jī)點(diǎn)矩形格網(wǎng)§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法2/4/202312長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型采樣密度指采樣數(shù)據(jù)的密集程度，它與研究區(qū)域的地貌類(lèi)型和地形復(fù)雜程度有關(guān)?？捎蓭追N方式指定：如相鄰兩點(diǎn)之間的距離、單元面積內(nèi)的點(diǎn)數(shù)、截止頻率等?！?.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法2/4/202313長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)精度采樣數(shù)據(jù)精度與數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)的采集方法和數(shù)據(jù)采集的儀器密切相關(guān)。一般來(lái)講，各種數(shù)據(jù)源的精度從高到低是野外測(cè)量、影像、地形圖掃描?！?.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法2/4/202314長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法2、采樣的布點(diǎn)原則沿等高線采樣規(guī)則格網(wǎng)采樣剖面法漸進(jìn)采樣選擇性采樣混合采樣2/4/202315長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法3、DEM數(shù)據(jù)采集方法（1）地形圖數(shù)據(jù)采集方法手扶跟蹤數(shù)字化掃描數(shù)字化2/4/202316長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法（2）、攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集方法數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站2/4/202317長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法（3）、野外測(cè)量數(shù)據(jù)采集方法野外測(cè)量：大平板、全站儀、GPS、移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)特點(diǎn)：精度高、效率較低適合范圍：小范圍GIS數(shù)據(jù)采集或局部數(shù)據(jù)更新2/4/202318長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型（4）、DEM數(shù)據(jù)采集的新方法合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)采集§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法2/4/202319長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型獲取方式DEM的精度速度成本更新程度應(yīng)用范圍地面測(cè)量非常高（cm）耗時(shí)很高很困難小范圍區(qū)域，特別的工程項(xiàng)目攝影測(cè)量比較高（cm~m）比較快比較高周期性大的工程項(xiàng)目，國(guó)家范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集立體遙感低很快低很容易國(guó)家范圍乃至全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集GPS比較高（cm~m）很快比較高容易小范圍，特別的項(xiàng)目地形圖手扶跟蹤數(shù)字化比較低（圖上精度0.2~0.4mm）比較耗時(shí)低周期性國(guó)家范圍內(nèi)以及軍事上的數(shù)據(jù)采集，中小比例尺地形圖的數(shù)據(jù)獲取地形圖屏幕數(shù)字化比較低（圖上精度0.1~0.3mm）非常快比較低激光掃描、干涉雷達(dá)非常高（cm）很快非常高容易高分辨率、各種范圍各種數(shù)據(jù)源的比較2/4/202320長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.4DEM數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制Eklundh、Martensson（1995) DEM用戶應(yīng)把重點(diǎn)放在數(shù)據(jù)來(lái)源和輸入質(zhì)量控制上，而不是學(xué)習(xí)復(fù)雜的內(nèi)插方法。 2/4/2023211、原始數(shù)據(jù)粗差檢測(cè)與剔除（1）基于趨勢(shì)面的粗差檢測(cè)與處理基本思想：地形表面變化符合一定的自然趨勢(shì)，表現(xiàn)為連續(xù)空間的漸變模型，可用光滑的曲面來(lái)描述。趨勢(shì)面表達(dá)了地形的宏觀變化趨勢(shì)，當(dāng)某一采樣點(diǎn)的觀測(cè)值和趨勢(shì)面計(jì)算值相差較大時(shí)，該點(diǎn)可能含有粗差。因此趨勢(shì)面分析的一個(gè)典型應(yīng)用是揭示區(qū)域中不同于總趨勢(shì)的最大偏離部分。2/4/202322（2）、三維可視化粗差檢測(cè)1、原始數(shù)據(jù)粗差檢測(cè)與剔除2/4/202323長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型在局部連續(xù)空間的漸變模型上，坡度變化也是連續(xù)的，因此可采用采樣點(diǎn)與周?chē)c(diǎn)的坡度變化是否一致來(lái)檢測(cè)采樣點(diǎn)是否含有粗差。1、原始數(shù)據(jù)粗差檢測(cè)與剔除（3）、基于坡度信息的規(guī)則格網(wǎng)分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)技術(shù)2/4/202324長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型（i，j）（i-1，j）（i-1，j-1）（i-1，j+1）（i，j+1）（i+1，j+1）（i+1，j）（i，j-1）（i+1，j-1）p（3）、基于坡度信息的規(guī)則格網(wǎng)分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)技術(shù)2/4/202325長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型J方向的坡度：坡度變化值：坡度變化差值（3）、基于坡度信息的規(guī)則格網(wǎng)分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)技術(shù)2/4/202326（3）、基于坡度信息的規(guī)則格網(wǎng)分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)技術(shù)基本步驟：（1）坡度差計(jì)算（2）通過(guò)相鄰兩格網(wǎng)之間的坡度差確定衡量坡度是否變化一致的閥值。（3）懷疑一點(diǎn)（4）粗差剔除與數(shù)據(jù)點(diǎn)改正2/4/202327長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)方法全局法：基本思想：使用所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合一高次多項(xiàng)式函數(shù)，然后計(jì)算每一數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)所建表面的粗差。若某點(diǎn)的偏差大于閾值，則認(rèn)為此點(diǎn)可能含有粗差。

2/4/202328長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)方法存在的問(wèn)題：

由于地面起伏狀況極少相似，因此使用相同方式對(duì)地面進(jìn)行處理的全局法在起伏不平但數(shù)據(jù)不包含粗差的地區(qū)可能認(rèn)為很多點(diǎn)含有粗差，而在相對(duì)光滑的地區(qū)又不能有效地將粗差檢測(cè)出來(lái)。2/4/202329區(qū)域法與全局法相似，只是擬合時(shí)所采用的數(shù)據(jù)點(diǎn)不是全部而是某一區(qū)域范圍。（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)方法2/4/202330點(diǎn)位法

基本思想：將待檢查點(diǎn)的高程值與鄰域點(diǎn)高程值的統(tǒng)計(jì)值如平均值進(jìn)行求差，如果差值超過(guò)一特定閾值，則認(rèn)為此點(diǎn)含有粗差。（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)方法2/4/202331長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型關(guān)鍵問(wèn)題：a）統(tǒng)計(jì)值如何計(jì)算；

b）閾值=？鄰域點(diǎn)范圍的確定待測(cè)點(diǎn)P周?chē)泥徲螯c(diǎn)范圍可根據(jù)以P為中心的窗口來(lái)指定。可采用兩種方式：一種是定義窗口的尺寸，另一種是定義窗口覆蓋區(qū)域內(nèi)高程點(diǎn)的數(shù)量。（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)方法2/4/202332長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型代表值的計(jì)算可將待測(cè)點(diǎn)的平均高程作為此點(diǎn)的代表值。有兩種方法：一種是計(jì)算簡(jiǎn)單的算術(shù)平均值

；另一種是對(duì)每個(gè)鄰域點(diǎn)賦以不同的權(quán)值。

（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)方法2/4/202333長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型計(jì)算閾值和粗差的檢測(cè)

設(shè)是以第i個(gè)點(diǎn)為中心的鄰域點(diǎn)的算術(shù)平均值，為與第i個(gè)點(diǎn)的高程值的差值，即若區(qū)域中共有N個(gè)點(diǎn)，則用這N個(gè)點(diǎn)的V值來(lái)計(jì)算其統(tǒng)計(jì)值，如平均值，取K倍的統(tǒng)計(jì)值作為閾值。（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測(cè)方法2/4/202334長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.4DEM數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制（5）、基于等高線采樣數(shù)據(jù)的粗差探測(cè)方法常用的方法有：將所有等高線上的點(diǎn)作為離散點(diǎn)，用上述任何一種方法進(jìn)行粗差探測(cè)；按等高線的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行粗差探測(cè)與剔除；可視化檢查（6）、等高線回放檢查2/4/202335長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.4DEM數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制2、原始數(shù)據(jù)的濾波處理若數(shù)據(jù)點(diǎn)中含有隨機(jī)噪聲，則DEM生成的等高線不光滑，呈鋸齒狀。因此為了提高ＤＥＭ對(duì)地形的表達(dá)精度，有必要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。原始數(shù)據(jù)的濾波處理主要是去掉原始數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和DEM地形表達(dá)精度。數(shù)據(jù)濾波的方式很多，如最鄰近重采樣、基于局部移動(dòng)窗口的中值濾波、平均值濾波以及基于頻率域的低通濾波等。2/4/202336長(zhǎng)安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.5DEM數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用國(guó)家級(jí)的DEM雖然以柵格形式存儲(chǔ)，但不宜直接采用TIFF和BMP文件。所以需定義DEM的數(shù)據(jù)交換格式。數(shù)據(jù)文件包含兩部分：文件頭和數(shù)據(jù)體。數(shù)據(jù)體主要是點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，采取從北到南，從西到東的順序，并以ASCII碼方式存儲(chǔ)。文件頭分兩類(lèi)數(shù)據(jù)：一類(lèi)是基本的必須數(shù)據(jù)，一類(lèi)是擴(kuò)充的附加信息。附加部分可省略。文件頭的基本組成單元是項(xiàng)目，格式為“項(xiàng)目名：項(xiàng)目值”，每個(gè)項(xiàng)目單獨(dú)占一行。2/4/202337項(xiàng)目名對(duì)項(xiàng)目值的說(shuō)明DataMark中國(guó)地球空間數(shù)據(jù)交換格式—DEMs數(shù)據(jù)交換格式（CNSDTF—DEM）的標(biāo)志。基本部分，不可缺省。Version該空間數(shù)據(jù)交換格式的版本號(hào)?；静糠?，不可缺省。Unit坐標(biāo)單位，K表示公里，M表示米，D表示以度為單位的經(jīng)緯度，S表示以度分秒表示的經(jīng)緯度?；静糠郑豢扇笔?。Alpha方向角?；静糠?，不可缺省Compress壓縮方法。0表示不壓縮，1表示游程編碼?；静糠?，不可缺省X0左上角原點(diǎn)X坐標(biāo)?；静糠?，不可缺省Y0左上角原點(diǎn)Y坐標(biāo)?；静糠?，不可缺省DXX方向的間距?；静糠郑豢扇笔YY方向的間距。據(jù)本部分，不可缺省Row行數(shù)?；静糠郑豢扇笔ol列數(shù)?；静糠郑豢扇笔alueType高程值的類(lèi)型?；静糠?，不可缺省HZoom