數(shù)字地面模型的建立與應(yīng)用

第七章

數(shù)字地面模型的建立與應(yīng)用123

概述數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理數(shù)字高程模型的內(nèi)插方法DEM的精度及存貯管理三角網(wǎng)數(shù)字地面模型數(shù)字地面模型的應(yīng)用主要內(nèi)容4第一節(jié)

數(shù)字地面模型的概念5數(shù)字地面模型的發(fā)展過程數(shù)字地面模型的概念及其形式主要內(nèi)容

6數(shù)字地面模型工程設(shè)計(jì)攝影測量和遙感中的應(yīng)用是地理信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)軍事上用于導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo)1.數(shù)字地面模型的發(fā)展過程7原始影像凸包表面模型8原始影像三維模型（無紋理）三維模型（有紋理）91050年代末是其概念的形成60年至70年代對DTM內(nèi)插問題進(jìn)行研究70年代中、后期對采樣方法進(jìn)行了研究80年代以來，對DTM的研究涉及到DTM系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)11著名的DTM軟件包

德國Stuttgart大學(xué)研制的SCOP程序Munich大學(xué)研制的HIFI程序Hannover大學(xué)研制的TASH程序奧地利Vienna工業(yè)大學(xué)研制SORA程序瑞士Zurich工業(yè)大學(xué)研制的CIP程序12數(shù)字地面模型DTM是一個(gè)用于表示地面特征的空間分布的數(shù)據(jù)陣列，最常用一系列地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y以及該地面點(diǎn)的高程Z或?qū)傩裕ㄈ绲缆贩课莸龋┙M成的數(shù)據(jù)陣列。若地面按一定格網(wǎng)形式有規(guī)則的排列，點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y可由起始原點(diǎn)推算而無須記錄，這樣地表形態(tài)只用點(diǎn)的高程Z來表達(dá)，稱為數(shù)字高程模型（DEM）。2.數(shù)字地面模型的概念及其形式13(X0,Y0)DxDy基礎(chǔ)信息＋高程143.數(shù)字高程模型DEM表示形式

規(guī)則矩形格網(wǎng)

15不規(guī)則三角網(wǎng)TIN16Grid-TIN混合網(wǎng)17（1）矩形格網(wǎng)DEM存儲(chǔ)量最?。ㄟ€可進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)），便于使用和易于管理，缺點(diǎn)是有時(shí)不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)和細(xì)部，導(dǎo)致基于DEM描繪的等高線不能準(zhǔn)確表示地貌。為克服其缺點(diǎn)，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點(diǎn)、山脊線、山谷線、斷裂線等，從而構(gòu)成完整的DEM。（2）不規(guī)則三角網(wǎng)TIN是按地形特征采集的點(diǎn)按一定規(guī)則連接成覆蓋整個(gè)區(qū)域且互不重疊的許多三角形表示的DEM。TIN能夠較好地顧及地貌特征點(diǎn)、線，表示復(fù)雜地面要比矩形格網(wǎng)精確，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此使用和管理也比較復(fù)雜。3.數(shù)字高程模型DEM表示形式

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第二節(jié)數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理19數(shù)字地面模型的數(shù)據(jù)來源主要有兩個(gè)方面：一是直接取自地形表面，二是間接取自地形表面的模擬模型。根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的方法不同，數(shù)據(jù)來源可分為以下幾種：1、野外實(shí)地測量。即在實(shí)地直接測量地面點(diǎn)的平面位置和高程。一般使用全站儀、GPS和電子速測儀進(jìn)行觀測。一、DEM數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集方式20212、由現(xiàn)有地形圖上采集。利用數(shù)字化儀對已有地形圖上的信息（等高線，地形線等）進(jìn)行數(shù)字化方法。常用的數(shù)字化儀有：手扶跟蹤數(shù)字化儀、掃描數(shù)字化儀和半自動(dòng)跟蹤數(shù)字化儀。手扶跟蹤數(shù)字化：利用數(shù)字化儀將地圖上的空間實(shí)體進(jìn)行離散化采點(diǎn)。數(shù)字化儀是通過串口與計(jì)算機(jī)相聯(lián)的，它可以設(shè)置一系列參數(shù)（包括通信參數(shù)和數(shù)字化儀操作參數(shù)）以保證數(shù)據(jù)錄入的準(zhǔn)確性和精度。數(shù)字化儀的主要工作部分就是面板和游標(biāo)。225006573.25358.55573.80357.45575.55356.50578.10355.95579.67356.63580.00358.3840011571.20358.40571.83356.85573.15355.92575.15355.45577.05354.77580.08353.60582.85352.77584.60354.17584.42356.13582.83357.08582.00358.35233、由遙感系統(tǒng)直接測得。如航空和航天飛行器搭載雷達(dá)和激光測高儀獲得的數(shù)據(jù)。（LIDAR）244、數(shù)字?jǐn)z影測量方法是DEM數(shù)據(jù)點(diǎn)采集最常用的方法?？衫脭?shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，進(jìn)行半自動(dòng)或全自動(dòng)的數(shù)據(jù)采集。25

3.DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)的變換數(shù)據(jù)的編輯柵格數(shù)據(jù)的矢量化轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分塊26（1）格式轉(zhuǎn)換采集的軟、硬件系統(tǒng)各不相同，因而數(shù)據(jù)的格式可能也不相同。常用的代碼有ASCII碼、BCD碼及二進(jìn)制碼。每一記錄的各項(xiàng)內(nèi)容及每項(xiàng)內(nèi)容的類型位數(shù)也可能各不相同，要根據(jù)DEM內(nèi)插軟件的要求，將各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成該軟件所要求的數(shù)據(jù)格式。（2）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換若采集的數(shù)據(jù)不是出于地面坐標(biāo)系，則應(yīng)轉(zhuǎn)化為地面坐標(biāo)系。地面坐標(biāo)系一般采用國家坐標(biāo)系，也可采用局部坐標(biāo)系。（3）數(shù)據(jù)編輯將采集的數(shù)據(jù)用圖形方式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，作業(yè)人員根據(jù)圖形交互式剔除錯(cuò)誤的、過密的與重復(fù)的點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)某些需要補(bǔ)測的區(qū)域并進(jìn)行補(bǔ)測，對斷面掃描數(shù)據(jù)，還要進(jìn)行掃描的系統(tǒng)誤差改正。

3.DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理27（4）柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)由地圖掃描數(shù)字化儀獲取的地圖掃描影像是一灰度陣列，首先經(jīng)過二值化處理，在經(jīng)過濾波或形態(tài)處理，并進(jìn)行邊緣跟蹤，獲得等高線上順序排列的點(diǎn)坐標(biāo)，即矢量數(shù)據(jù)，供以后建立DEM使用。（5）數(shù)據(jù)分塊由于采集方式不同，數(shù)據(jù)的排列順序也不同，例如等高線數(shù)據(jù)是按各條等高線采集的先后順序排列的。但是在內(nèi)插DEM時(shí)，待定點(diǎn)常常只與其周圍的數(shù)據(jù)有關(guān)，為了能迅速在大量數(shù)據(jù)中查找所需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)，必須將其進(jìn)行分塊。分塊方法是先將整個(gè)區(qū)域分成等間隔的格網(wǎng)，然后將數(shù)據(jù)按格網(wǎng)分成不同的類。

3.DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理28

第三節(jié)

數(shù)字高程模型的內(nèi)插方法《攝影測量學(xué)》第七章29線性內(nèi)插方法移動(dòng)曲面內(nèi)插方法雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插方法多面函數(shù)內(nèi)插方法主要內(nèi)容

302023/12/731概述

DEM內(nèi)插就是根據(jù)參考點(diǎn)上的高程求出其它特定點(diǎn)的高程。內(nèi)插特點(diǎn)：（1）整個(gè)地球表面的起伏形態(tài)不可能用一個(gè)簡單的低次多項(xiàng)式來擬合，而高次多項(xiàng)式的解不穩(wěn)定且會(huì)產(chǎn)生不符合實(shí)際的振蕩（2）地形表面既有連續(xù)光滑的特性，又可能有由于自然力或人為地原因產(chǎn)生地形的不連續(xù)。（3）由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制，不可能同時(shí)對很大的范圍進(jìn)行內(nèi)插數(shù)字地面模型。綜合上述三個(gè)特點(diǎn)：一般講測區(qū)或圖幅劃分成較小的計(jì)算單元，采用局部函數(shù)內(nèi)插方法，并在內(nèi)插中兼顧一般數(shù)據(jù)點(diǎn)和地形特征點(diǎn)、線，并且根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)采集的不同方法采取相應(yīng)的內(nèi)插方法。32一線性內(nèi)插

線性內(nèi)插即使用最靠近的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，其高程的觀測值為Z1、Z2、Z3，可確定一個(gè)平面，從而求出一個(gè)新的高程Zp（其平面坐標(biāo)為X、Y）：

Zp=a0+a1X+a2Y參數(shù)a0

、a1

、a2

由三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的線性方程組求出。線性內(nèi)插法主要用于根據(jù)格網(wǎng)點(diǎn)和注記點(diǎn)，斷裂線點(diǎn)高程內(nèi)插等高線點(diǎn)及三角形網(wǎng)眼的有限元內(nèi)插法中。33二移動(dòng)曲面擬合法

整體函數(shù)內(nèi)插

局部函數(shù)內(nèi)插

逐點(diǎn)內(nèi)插法

它是一個(gè)以待求點(diǎn)為中心的逐點(diǎn)內(nèi)插法，它定義一個(gè)新的局部函數(shù)去擬合周圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)而求出待定點(diǎn)的高程。通常是將坐標(biāo)原點(diǎn)移到待定點(diǎn)上，而采用的數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)落在半徑R的圓內(nèi)。34建立局部坐標(biāo)2.移動(dòng)曲面擬合法步驟對DEM每一個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)，將坐標(biāo)原點(diǎn)移至該DEM格網(wǎng)點(diǎn)P（Xp，Yp）35列出誤差方程式選取鄰近數(shù)據(jù)點(diǎn)

Pxydi36誤差方程式由n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)列出的誤差方程為37內(nèi)插參數(shù)解算38計(jì)算每一數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)

法化求解

系數(shù)F是待定點(diǎn)內(nèi)插高程值ZP39除滿足n＞6，保證各象限都有數(shù)據(jù)點(diǎn)，當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí)，半徑R不能取很大當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)較稀或分布不均勻時(shí)，可能產(chǎn)生很大的誤差3.注意事項(xiàng)由于每個(gè)內(nèi)插點(diǎn)所選用的數(shù)據(jù)點(diǎn)不同，所以內(nèi)插曲面是不連續(xù)的。因此移動(dòng)曲面擬合法一般不用于內(nèi)插通用的數(shù)字高程模型，但由于其計(jì)算機(jī)量很小，它仍然能用來處理一些特殊的任務(wù)。例如，當(dāng)直接沿等高線采集了數(shù)據(jù)點(diǎn)后，欲從中計(jì)算出格網(wǎng)點(diǎn)的高程，并用于正射像片的制作，則可以采用這種方法。40

根據(jù)最近的4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，確定一個(gè)雙線性多項(xiàng)式：或用矩陣形式表示為：利用4個(gè)已知點(diǎn)求出4個(gè)系數(shù)，再由求出的系數(shù)和待定點(diǎn)的平面坐標(biāo)（X,Y）內(nèi)插出該點(diǎn)的高程。三雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插41(627.00,570.00)(627.00,580.00)(637.00,570.00)(637.00,580.00)422、雙三次多項(xiàng)式內(nèi)插12345678132456784344三多面函數(shù)法DEM內(nèi)插“任何一個(gè)圓滑的數(shù)學(xué)表面總是可以用一系列有規(guī)則的數(shù)學(xué)表面的總和，以任意的精度進(jìn)行逼近?！币簿褪且粋€(gè)數(shù)學(xué)表面上某點(diǎn)（X，Y）處高程Z的表達(dá)式為:451.核函數(shù)選其中n個(gè)為核函數(shù)的中心點(diǎn)各數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)滿足

i=1,2…m462.誤差方程

3.法化求解得474.任意一點(diǎn)上的高程48m=n

全部數(shù)據(jù)點(diǎn)取為核函數(shù)的中心

5.多面函數(shù)法解算49主要包含兩個(gè)步驟：①利用DEM的矩形或方格網(wǎng)點(diǎn)的高程，內(nèi)插出格網(wǎng)邊上的等高線點(diǎn)的位置，并將這些等高線點(diǎn)按順序排列。②利用這些等高線點(diǎn)的平面坐標(biāo)進(jìn)一步加密等高線，并繪制成光滑的曲線。15014016015015215415615815215415615810m等高線的自動(dòng)繪制

50等高線的繪制（基于矩形格網(wǎng)）51第四節(jié)DEM的存儲(chǔ)管理521.DEM的存貯管理

1.DEM數(shù)據(jù)文件的存貯

2.地形數(shù)據(jù)庫文件頭+各格網(wǎng)點(diǎn)的高程53整型量存貯3.DEM數(shù)據(jù)的壓縮將高程數(shù)據(jù)減去一常數(shù)Z0

54差分映射相鄰數(shù)據(jù)間的增量，數(shù)據(jù)范圍較小，可以利用一個(gè)字節(jié)存貯一個(gè)數(shù)據(jù)，55當(dāng)差分的絕對值大于127時(shí)，將該數(shù)據(jù)之前的數(shù)據(jù)作為一個(gè)游程，差分游程法(增量游程法)-128---12756小模塊差分法(小模塊增量法)

將DEM分成較大的格網(wǎng)——小模塊，每一模塊包含5X5或10X10個(gè)DEM格網(wǎng)17181920211656722154182314329241312111025螺旋型21222324252019181716111213141510987612345往返型57

壓縮編碼

用位數(shù)（bit）最短的碼表示出現(xiàn)概率最大的數(shù)概率較小數(shù)用位數(shù)較長的碼表示數(shù)據(jù)的平均最小位數(shù)可用信息論中熵的定義計(jì)算

584.DEM