數(shù)字測圖技術(shù)

第一章數(shù)字測圖概述【教學(xué)目的】：（1）、了解數(shù)字地圖，數(shù)字測圖等概念；數(shù)字測圖系統(tǒng)組成；數(shù)字測圖的發(fā)展過程和動態(tài)；數(shù)字測圖的作業(yè)過程及作業(yè)模式。（2）、了解數(shù)據(jù)采集方式的種類；數(shù)字測圖的基本思想；數(shù)字測圖與白紙測圖的區(qū)別和聯(lián)系；數(shù)字測圖系統(tǒng)的分類；DTM的信息類別?！窘虒W(xué)重點】：數(shù)字測圖的概念及基本思想，數(shù)字測圖與白紙測圖的區(qū)別和聯(lián)系、數(shù)字測圖的作業(yè)模式?！窘虒W(xué)難點】：數(shù)字測圖的基本思想、數(shù)字測圖與白紙測圖的區(qū)別和聯(lián)系【教學(xué)方法】：講授法【授課課時】：6【教學(xué)手段】：常規(guī)教學(xué)【實施地點】：教室【教學(xué)過程】：新課導(dǎo)入：隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)日新月異的發(fā)展及其在測繪領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，２０世紀８０年代產(chǎn)生了電子速測儀、電子數(shù)據(jù)終端，并逐步地構(gòu)成了野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將其與內(nèi)業(yè)機助制圖系統(tǒng)結(jié)合，形成了一套從野外數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)制圖全過程的、實現(xiàn)數(shù)字化和自動化的測量制圖系統(tǒng)，人們通常稱作為數(shù)字化測圖（簡稱數(shù)字測圖）或機助成圖。廣義的數(shù)字測圖主要包括：全野外數(shù)字測圖（或稱地面數(shù)字測圖、內(nèi)外一體化測圖）、地圖數(shù)字化成圖、攝影測量和遙感數(shù)字測圖。狹義的數(shù)字測圖指全野外數(shù)字測圖。1.1數(shù)字測圖的基本特點1.1.1數(shù)字地形表達一．地形表達的方法人們生活在地球上并與地球表面處處發(fā)生聯(lián)系：建筑師在地表設(shè)計、構(gòu)筑樓房；地質(zhì)學(xué)家研究地表結(jié)構(gòu)；地質(zhì)生態(tài)學(xué)家想了解地表形態(tài)和地物形成的過程；測繪工作者則對地形起伏進行各種測量，并用各種方式如地圖和正射影像圖等描述地形。盡管專業(yè)領(lǐng)域不同，研究的側(cè)重點各異，但所有的工作都希望能用一種既方便又準確的方法來表達實際地表現(xiàn)象。人類在很早以前就開始想方設(shè)法來描述自己所熟悉的地表現(xiàn)象，繪圖是最古老的一種，但僅是很粗略地反映所見到的地形景觀，但這些信息反映的主要是對象的形態(tài)特征和色彩特征，定量的描述則非常有限。另外一種古老而有效并一直沿用至今的精確表達地表現(xiàn)象的方式是地圖。地圖對人類社會發(fā)展的作用如同語言和文字對社會發(fā)展的作用一樣，具有不言而喻的重要性。地圖是記錄和傳達關(guān)于自然世界、社會和人文的位置與空間特性信息最卓越的工具。早期地圖用半符號、半寫景的方法來表示地形，實現(xiàn)了在各種二維介質(zhì)平面上對實際的三維地形表面的表示和描述?，F(xiàn)代地圖按照一定的數(shù)學(xué)法則，運用符號系統(tǒng)概括地將地面上各種自然和社會現(xiàn)象表示在平面上。地圖具有三個基本的特性：數(shù)學(xué)法則性、制圖綜合性和內(nèi)容符號性?，F(xiàn)代地圖的最大優(yōu)點在于具有可量測性。在各種地圖中，用來準確描述地貌形態(tài)的是等高線地圖。用等高線來表達地形表面起伏可追溯到18世紀，它的方便性和直觀性使得人們認為在制圖學(xué)的歷史上等高線是一項最重要的發(fā)明。在等高線地形圖上，所有的地形信息都正交地投影在水平面上，用線劃或符號表示成比例縮小后的地物，而地物高度和地形起伏的信息則有選擇地用等高線進行表達。與各種線劃圖形相比，影像無疑具有更大的優(yōu)點，如細節(jié)豐富、成像快速、直觀逼真等，因此攝影術(shù)一出現(xiàn)就被廣泛用于記錄我們生活的這個世界。1849年出現(xiàn)了利用地面攝影相片進行地形圖的編繪，而航空攝影由于周期短、覆蓋面廣、現(xiàn)勢性強而廣泛采用。利用多張具有一定重迭度的像片還能重建實際地形的立體模型，并可以進行精確進行三維定位。20世紀60年代初，遙感技術(shù)隨著空間科學(xué)的發(fā)展面興起。70年代美國地球資源衛(wèi)星上天后，遙感技術(shù)獲得了極為廣泛的應(yīng)用。在遙感技術(shù)中除了使用對可見光攝影的框幅式黑白攝影機，還使用彩色或彩紅外攝影機、全景攝影機、紅外掃描儀、雷達、CCD推掃式行掃描儀和矩陣數(shù)字攝影機等，它們能提供比原先黑白像片更豐富的影像信息。從本質(zhì)上講，地圖是對客觀存在的特征和變化規(guī)則的一種科學(xué)的概括和抽象。對于地圖中最典型也是最重要的地形圖而言，由于其描述的客觀世界是豐富多彩、千姿百態(tài)的三維空間實體，其二維空間的表達與所表示的三維現(xiàn)實世界之間有著不可逾越的鴻溝。因此，地圖學(xué)者們一直致力于地形圖的立體表示，試圖尋求一種既能符合人們的視覺生理習(xí)慣，又能恢復(fù)真實世界的表示方法。在此過程中先后出現(xiàn)了寫景法、地貌暈翁法、地貌暈渲法、分層設(shè)色法等，但由于這些方法缺乏嚴密的數(shù)學(xué)理論以及繪制復(fù)雜等而使其受到了很大局限。20世紀中葉后，伴隨著計算機科學(xué)、現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計算機圖形學(xué)等的發(fā)展，各種數(shù)字的地形表達方式也得到迅猛的發(fā)展。電子計算機為自然科學(xué)的發(fā)展提供了進行嚴密計算和快速演繹的工具。使用計算機和計算機技術(shù)是當今信息時代的一個重要標志，其在測繪方面的應(yīng)用使得測繪學(xué)科逐步向數(shù)字化與自動化、實時處理與多用途的方向發(fā)展。計算機技術(shù)在很大程度上改變了地圖制圖的生產(chǎn)方式，同時也改變著地圖產(chǎn)品的樣式和用圖概念。借助于數(shù)字地形表達，現(xiàn)實世界的三維特征得到充分而真實的再現(xiàn)。總之：數(shù)字地形表達的方式可以分為兩大類，即數(shù)學(xué)描述和圖像描述。使用傅立葉級數(shù)和多項式來描述地形是常用的數(shù)學(xué)描述方法。規(guī)則格網(wǎng)、不規(guī)則格網(wǎng)、等高線、剖面圖等則是圖像描述的常用方式。二．數(shù)字地面模型模型是用來表現(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。建立模型可以有許多特定的目的，如預(yù)測、控制等。在這種情況下，模型只需要具備足夠重要的細節(jié)來滿足即可。同時，模型也可以用來表現(xiàn)系統(tǒng)或現(xiàn)象的最初狀態(tài)，或者用來表現(xiàn)某些假定或預(yù)測的情況等。一般說來，模型可以分為三種不同的層次，即概念模型、物質(zhì)模型的數(shù)學(xué)模型。概念模型是基于個人的經(jīng)驗與知識在大腦中形成的關(guān)于狀況或?qū)ο蟮哪Ｐ停拍钅Ｐ屯残纬闪四M的初級階段。然而，如果事物非常復(fù)雜難于描述，則模擬也許只能停留在概念的形式上。物質(zhì)模型通常是一個模擬的模型，如用橡膠、塑料或泥土制成的地形模型等。數(shù)學(xué)模型一般是基于數(shù)字系統(tǒng)的定量模型，根據(jù)問題的確定性和隨機性數(shù)學(xué)模型又有函數(shù)模型和隨機模型之分。采用數(shù)學(xué)模型具有以下明顯的優(yōu)點：1．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．幫助明了思路，集中精力關(guān)注問題重要的方面；5．使問題的主要成分能被更好地觀察，同時確保交流、減少模糊，并提供關(guān)于問題一致看法的機會。評價數(shù)學(xué)模型的標準：精確性：模型的輸出是正確的或是非常接近正確；描述的現(xiàn)實性：基本正確的假設(shè)；準確性：模型的預(yù)測是確定的數(shù)字、函數(shù)或幾何圖表等；可靠性：對輸入數(shù)據(jù)中的錯誤具有相對免疫力；一般性：適用大多數(shù)情況；成效性：結(jié)論有用，并可以啟發(fā)或指導(dǎo)其它好的模型。麻省理工學(xué)院教授米勒將計算機和攝影測量技術(shù)結(jié)合在一起，比較成功地解決了道路工程的計算機輔助設(shè)計問題。測繪學(xué)從地形測繪的角度來研究數(shù)字地面模型，一般僅把基本地形圖中的地形要素、特別是高程信息，作為數(shù)字地面模型的內(nèi)容。測繪學(xué)家心目中的數(shù)字地面模型是新一代的地形圖，地貌和地物不再用直觀的等高線和圖例符號在紙上表達，而是通過儲存在磁介質(zhì)中的大量密