GIS課件（2015）第十四講 DTM與地形分析（3學(xué)時(shí)）

第九章DTM與地形分析

第十章空間建模與空間決策支持《地理信息系統(tǒng)》第十四講禽流感地圖朝鮮無人機(jī)拍攝的照片澳大利亞近海海底地形圖中國(guó)東海200海里外劃界案

日本雷達(dá)系統(tǒng)：點(diǎn)對(duì)區(qū)域的通視“一帶一路”版圖思考題1、TerrainMap是指

。2、下列有關(guān)空間分析敘述錯(cuò)誤的是：（）A.空間數(shù)據(jù)存在空間相關(guān)性B.是完成某些任務(wù)的惟一手段C.空間數(shù)據(jù)均可統(tǒng)計(jì)D.考慮空間維使其信息量更為豐富？本講提要第九章DTM與地形分析第二節(jié)DEM的主要表示模型第三節(jié)DEM模型之間的相互轉(zhuǎn)換第四節(jié)DEM的建立第五節(jié)DEM的分析和應(yīng)用第十章空間建模與空間決策支持第一節(jié)空間分析過程及其模型

第二節(jié)DEM的主要表示模型GIS第九章數(shù)字地形模型與地形分析

三、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型

GRID模型存在缺陷：

（1）地形平坦地方存大量數(shù)據(jù)冗余；

（2）難以表達(dá)復(fù)雜地形突變現(xiàn)象；

（3）在通視等問題計(jì)算方面過分強(qiáng)調(diào)網(wǎng)格軸方向。

而不規(guī)則三角網(wǎng)（TriangulatedIrregularNetwork,TIN）既可減少GRID方法的數(shù)據(jù)冗余，同時(shí)在地圖表現(xiàn)力等方面又優(yōu)于基于等高線方法。

圖三角網(wǎng)的一種存儲(chǔ)方式

TIN數(shù)字高程由連續(xù)的三角面組成，三角面形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測(cè)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)位置和密度。

避免地形平坦時(shí)數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點(diǎn)如山脊、山谷線、地形變化線等形象表示數(shù)字高程特征，增強(qiáng)視覺效果。

四、層次模型

層次地形模型（LayerofDetails，LOD）是一種表達(dá)多種不同精度水平的DEM。

大多數(shù)層次模型基于TIN模型，通常TIN數(shù)據(jù)點(diǎn)越多精度越高。

第三節(jié)DEM模型間的相互轉(zhuǎn)換GIS第九章數(shù)字地形模型與地形分析

一、不規(guī)則點(diǎn)集生成TIN

將該點(diǎn)集P轉(zhuǎn)成TIN，最常用的方法是Delaunay（狄洛尼）三角剖分方法。

圖Delaunay三角網(wǎng)與Voronoi圖（虛線）Delaunay三角形的外接圓圓心是與三角形相關(guān)的Voronoi多邊形的一個(gè)頂點(diǎn)。Delaunay三角形是Voronoi圖的偶圖。

二、格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成TINGRIDTIN

三、等高線轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEMCLGRID

四、利用格網(wǎng)DEM提取等高線CLGRIDTINGRID

五、TIN轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM

第四節(jié)DEM的建立GIS第九章數(shù)字地形模型與地形分析山中無甲子，寒盡不知年。

DEM數(shù)據(jù)采集是指為建立DEM而量測(cè)一些點(diǎn)的三維坐標(biāo)。IKONOS-2衛(wèi)星影像數(shù)字表面模型（DigitalSurfaceModel，DSM）關(guān)于DSMDSM是指包含了地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地面高程模型。DSM是在DEM基礎(chǔ)上，涵蓋了除地面外的其它地表信息的高程?？勺钫鎸?shí)表達(dá)地面起伏情況。如在森林地區(qū)，可用于檢測(cè)森林生長(zhǎng)情況；可用于檢查城市發(fā)展情況；巡航導(dǎo)彈不僅需要數(shù)字地面模型，而更需數(shù)字表面模型，才有可能在低空飛行中，逢山讓山，逢林讓林。

高分辨率立體傳感器HRS可獲取120km寬×600km長(zhǎng)立體影像。其提取的DEM精度與地面坡度有關(guān)，一般可達(dá)5-10mCartosat-1衛(wèi)星影像。兩個(gè)推掃式相機(jī)可提供立體像對(duì)，生成高程精度為5-15m的DEMWorldView-1

衛(wèi)星影像地球之眼GeoEye-1

衛(wèi)星影像機(jī)載測(cè)高激光雷達(dá)機(jī)載測(cè)深激光雷達(dá)Digitalunderwaterelevationmodel，DUEM基于超聲波的DEM采集技術(shù)

一、DEM數(shù)據(jù)采集方法

（一）地面測(cè)量

利用自動(dòng)記錄的測(cè)距經(jīng)緯儀在野外實(shí)測(cè)。

（二）現(xiàn)有地圖數(shù)字化

（三）空間傳感器

利用GPS，結(jié)合雷達(dá)和激光測(cè)高儀等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（四）數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法

利用立體測(cè)圖儀或立體坐標(biāo)儀、解析測(cè)圖儀及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行量測(cè)。單站點(diǎn)掃描基于聲波的DEM采集技術(shù)ADEMrepresentsaregulararrayofelevationpoints.MostGISusersintheUSAuseDEMsfromtheU.S.GeologicalSurvey(USGS).AlternativesourcesforDEMscomefromsatelliteimages,radardata,andLIDAR(lightdetectionandrangeing)data.Regardlessofitsorigin,apoint-basedDEMmustbeconvertedtosoftware-specificrasterdata(e.g.,ESRIgrid)beforeitcanbeusedforterrainmappingandanalysis.

二、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量獲取DEM

（一）采樣方式

1、數(shù)據(jù)采樣：人工操作，費(fèi)時(shí)易錯(cuò)。

2、半自動(dòng)采樣：輔助操作人員采樣，由人工控制Z維測(cè)量；

3、全自動(dòng)方法：用機(jī)器視覺代替人眼立體觀測(cè)，速度快但精度較差。

（二）采樣方法

1、沿等高線采樣：適于地形復(fù)雜及陡峭地區(qū)。

2、規(guī)則格網(wǎng)采樣：方法簡(jiǎn)單、精度高、作業(yè)效率較高；但對(duì)地表變化尺度的靈活性較差，可能會(huì)丟失特征點(diǎn)（如山峰、山谷）。

3、漸進(jìn)采樣（ProgressiveSampling）：采樣點(diǎn)分布合理，平坦地區(qū)樣點(diǎn)少，地形復(fù)雜區(qū)樣點(diǎn)較多。F-DEM，F(xiàn)eatureembeddedingridDEM

4、選擇采樣：根據(jù)地形特征進(jìn)行選擇采樣，如沿山脊線、山谷線、斷裂線進(jìn)行采集及離散碎部點(diǎn)（如山頂）的采集。

5、混合采樣：在規(guī)則采樣基礎(chǔ)上再進(jìn)行沿特征線與特征點(diǎn)采樣。

6、自動(dòng)化DEM數(shù)據(jù)采集。孟良：宋將；“崮”：頂平坡陡的方山

三、DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量控制（QC）

數(shù)據(jù)點(diǎn)太稀會(huì)降低DEM精度；

數(shù)據(jù)點(diǎn)過密，又會(huì)增大數(shù)據(jù)量、處理工作量和不必要存儲(chǔ)量；

數(shù)據(jù)點(diǎn)適宜，需要理論與實(shí)證研究。

第五節(jié)DEM的分析和應(yīng)用GIS第九章數(shù)字地形模型與地形分析一、GridDEM應(yīng)用

（一）地形曲面擬合

DEM最基礎(chǔ)的應(yīng)用是求DEM范圍內(nèi)任意點(diǎn)的高程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地形屬性分析。

曲面擬合方法是一個(gè)已知規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值的特例，IDW、Spline、Kriging等插值方法均可采用。

（二）立體透視圖

（三）通視分析（LineofSight）

典例是觀察哨所、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、無線發(fā)射塔、道路選擇、航海導(dǎo)航、觀景臺(tái)、監(jiān)獄崗哨設(shè)定及飛機(jī)或?qū)椂惚軘撤嚼走_(dá)捕捉、飛行或?qū)椷x擇雷達(dá)盲區(qū)飛行等。

根據(jù)問題輸出維數(shù)不同，通視可分為點(diǎn)的通視、線的通視和面的通視。

1、點(diǎn)的通視：計(jì)算視點(diǎn)與待判定點(diǎn)間的可見性；

2、線的通視：計(jì)算已知視點(diǎn)的視野；

3、區(qū)域的通視：計(jì)算已知視點(diǎn)能可視的地形表面區(qū)域集合問題。

圖通視分析

（四）DEM計(jì)算地形屬性

表面分析（Surface-analysisFunctions）：在高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可直接提取坡向、坡度、等高線等地形分析因子。

1、坡向（Aspect）

坡向定義為坡面法線在水平面上的投影與正北方向的夾角。坡向值規(guī)定：正北方向?yàn)?°，正東方向?yàn)?0°，以此類推。

其應(yīng)用有：（1）在一個(gè)區(qū)域內(nèi)提取所有朝北的坡面，為房地產(chǎn)建設(shè)選址提供最佳位置；（2）計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的太陽光照量，從而測(cè)定每一點(diǎn)生物量等。

2、坡度（Slope）

地面上某點(diǎn)坡度表示了地表在該點(diǎn)傾斜程度，坡度定義為水平面與地形面之間夾角。坡度有兩種計(jì)算方向：

（1）坡度（Degreeofslope）：即水平面與地形面間夾角；

（2）坡度百分比（PercentofSlope）：即高程增量與水平增量之比的百分?jǐn)?shù)。

根據(jù)坡度起伏變化，確定崩塌、泥石流區(qū)域或嚴(yán)重的土壤侵蝕區(qū)，作為災(zāi)害防治與水土保持工作的基礎(chǔ)；提取平坦區(qū)域，為大型商業(yè)中心或房屋建筑選址。

3、山體陰影（Hillshade）

模擬地面光照情況，產(chǎn)生地形表面陰影圖?？蓽y(cè)定研究區(qū)域中給定位置的太陽光強(qiáng)度和光照時(shí)間，且對(duì)實(shí)際地面進(jìn)行逼真立體顯示。其應(yīng)用有：對(duì)地形起伏進(jìn)行生動(dòng)表示，從而顯示不同土地利用類型在地形上分布情況；研究陽光照射位置與公路上發(fā)生車禍?zhǔn)录l(fā)生率間的相關(guān)性。

方位角（Azimuth）指確定太陽光入射方向，以正北方向?yàn)?°，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，取值范圍為0°-360°。

太陽高度角（太陽光線與水平面的交角，Altitude）：0°為水平線，90°為頭頂垂直方向，取值范圍為0°-90°。用ArcView提取山體陰影（Hillshade）

二、三角網(wǎng)DEM分析應(yīng)用

（一）三角網(wǎng)內(nèi)插

1、建立TIN后，可由TIN解求該區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)高程。

2、TIN用于內(nèi)插的點(diǎn)的檢索比網(wǎng)格檢索要復(fù)雜。

（二）等高線追蹤圖利用TIN生成等高線暈渲圖是通過模擬實(shí)際地面本影與落影的方法反映實(shí)際地形起伏特征的一種重要地形圖，也叫陰影立體法?？煞从车匦蔚貏?shì)變化。通過灰度（明亮程度）變化，具有立體感。

第九章思考題1、名詞解釋：DTM、DEM、點(diǎn)/線/區(qū)域的通視2、DSM、DUEM、F-DEM、TIN、Slope、Aspect、Hillshade、Azimuth、Altitude含義。3、DEM表示法。4、GRID模型優(yōu)缺點(diǎn)。5、等高線模型優(yōu)缺點(diǎn)。6、TIN、通視分析、表面分析的各自應(yīng)用。？

第一節(jié)空間分析過程及其模型GIS第十章空間建模與空間決策支持

一、空間分析(SpatialAnalysis)過程

（一）定義

空間分析是指分析具有空間坐標(biāo)或相對(duì)位置的數(shù)據(jù)和過程的理論和方法。全球垃圾分布圖：發(fā)達(dá)國(guó)家制造垃圾最多；城市大于農(nóng)村；2025年全球生活垃圾22億t，其中美國(guó)7億t退休昆蟲學(xué)家借熔融鋁打造真實(shí)蟻穴復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型：螞蟻巢穴呈帶狀能延伸到3.6米深度，巢穴中含有9000至10000只螞蟻（二）特點(diǎn)

1、空間數(shù)據(jù)存在空間相關(guān)性；

2、一定假設(shè)條件下，空間數(shù)據(jù)才可統(tǒng)計(jì)；

3、考慮數(shù)據(jù)的空間維使其信息量更為豐富；

4、是完成某些任務(wù)的惟一手段；

5、空間是多源信息的索引項(xiàng)及人地關(guān)系界面。（三）空間分析步驟

好的空間分析過程設(shè)計(jì)的一般步驟是：

1、明確分析的目的和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則；

2、準(zhǔn)備分析數(shù)據(jù)；

3、進(jìn)行空間分析操作；

4、進(jìn)行結(jié)果分析；

5、解釋、評(píng)價(jià)結(jié)果；

6、結(jié)果輸出（地圖、表格等）。

二、空間分析建模

Amodelisasimplifiedrepresentationofaphenomenonorasystem.Amapisamodel.Soarethevectorandrasterdatamodelsforrepresentingspatialfeaturesandtherelationalmodelforrepre