漁業(yè)信息系統(tǒng)課件數(shù)字地形模型與地形分析

概念：數(shù)字地面（地形）模型（DTM，DigitalTerrainModel）是通過地表點集的空間坐標(biāo)及其屬性數(shù)據(jù)表示表面特征的地學(xué)模型。是帶有空間位置特征和地面屬性特征的數(shù)字描述。DTM中屬性為高程的要素叫數(shù)字高程模型（DEMDigitalElevationModel）。許多大型GIS系統(tǒng)都有專門的DEM模塊，如ArcInfo中的TIN、GRID模塊數(shù)字地形模型與地形分析數(shù)字地形模型與地形分析

從數(shù)學(xué)的角度，高程模型是高程Z關(guān)于平面坐標(biāo)X,Y兩個自變量的連續(xù)函數(shù)，數(shù)字高程模型(DEM)只是它的一個有限的離散表示。高程模型最常見的表達(dá)是相對于海平面的海拔高度，或某個參考面的相對高度。實際上地形模型不僅包含高程屬性，還包含其它的地表形態(tài)屬性，如坡度、坡向等。數(shù)字地形模型與地形分析

DTM是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是代有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字表達(dá);數(shù)字地形模型中地形屬性為高程是稱為數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，簡稱DEM）;DEM通常用地表規(guī)則網(wǎng)格單元構(gòu)成的高程矩陣表示，廣義的DEM還包括等高線、三角網(wǎng)等所有表達(dá)地面高程的數(shù)字表示；在地理信息系統(tǒng)中，DEM是建立DTM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其它的地形要素可由DEM直接或間接導(dǎo)出。DEM表示方法數(shù)學(xué)方法用數(shù)學(xué)方法來表達(dá)，可以采用整體擬合方法，即根據(jù)區(qū)域所有的高程點數(shù)據(jù)，用傅里葉級數(shù)和高次多項式擬合統(tǒng)一的地面高程曲面；也可用局部擬合方法，將地表復(fù)雜表面分成正方形規(guī)劃區(qū)域或面積大致相等的不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行分塊搜索，根據(jù)有限個點進(jìn)行擬合形成高程曲面DEM表示方法線模式：等高線是表示地形最常見的形式。其它的地形特征線也是表達(dá)地面高程的重要信息源，如山脊谷底線等；

點模式：用離散采樣數(shù)據(jù)點建立DEM是DEM建立常用方法之一。數(shù)據(jù)采樣可按規(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)；也可以有選擇性地采樣，采集三峰、洼坑、邊界等重要特征點。圖形表示法DEM主要表示模型規(guī)則格網(wǎng)，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)則格網(wǎng)。規(guī)則格網(wǎng)將區(qū)域空間切分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個格網(wǎng)單元對應(yīng)一個數(shù)值；

數(shù)學(xué)上可以表示為一個矩陣，在計算機(jī)實現(xiàn)中則是一個二維數(shù)組。每個格網(wǎng)單元或數(shù)組的一個元素，對應(yīng)一個高程值。規(guī)則格網(wǎng)模型DEM主要表示模型規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，可以很容易地用計算機(jī)進(jìn)行處理。它還可以很容易地計算等高線、坡度坡向、山坡陰影和自動提取流域地形，使得它成為DEM最廣泛使用的格式；格網(wǎng)DEM的缺點是不能準(zhǔn)確表示地形結(jié)構(gòu)和細(xì)部，為避免這些問題，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點、三脊線、谷底線、斷裂線，以描述地形結(jié)構(gòu)。DEM主要表示模型格網(wǎng)DEM的另一個缺點是數(shù)據(jù)量過大，給數(shù)據(jù)管理帶來了不便，通常要進(jìn)行壓縮存儲；DEM數(shù)據(jù)的無損壓縮可以采用普通的柵格數(shù)據(jù)壓縮方式，如游程編碼、塊碼等；但是由于DEM數(shù)據(jù)反映了地形的連續(xù)起伏變化，通常比較“破碎”，普通壓縮方式難以達(dá)到很好的效果，可以采用哈夫曼編碼。DEM主要表示模型等高線模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一條等高線對應(yīng)一個已知的高程值，一系列等高線集合和它們的高程值一起就構(gòu)成了一種地面高程模型等高線模型DEM主要表示模型等高線模型等高線通常被存成一個有序的坐標(biāo)點對序列，可以認(rèn)為是一條帶有高程值屬性的簡單多邊形或多邊形弧段；由于等高線模型只表達(dá)了區(qū)域的部分高程值，往往需要一種插值方法來計算落在等高線外的其它點高程。DEM主要表示模型不規(guī)則三角網(wǎng)（TriangulatedIrregularNetwork,TIN）在地形平坦的地方，存在大量的數(shù)據(jù)冗余；

在不改變格網(wǎng)大小的情況下，難以表達(dá)復(fù)雜地形的突變現(xiàn)象；在某些計算，如通視問題，過分強(qiáng)調(diào)網(wǎng)格的軸方向盡管規(guī)則格網(wǎng)DEM在計算和應(yīng)用方面有許多優(yōu)點，但也有難以克服的缺陷：DEM主要表示模型

TIN的數(shù)據(jù)存儲方式比格網(wǎng)DEM復(fù)雜，它不僅要存儲每個點的高程，還要存儲其平面坐標(biāo)、節(jié)點連接的拓?fù)潢P(guān)系，三角形及鄰接三角形等關(guān)系。有許多種表達(dá)TIN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的存儲方式，一般來講，對于每一個三角形、邊和節(jié)點都對應(yīng)一個記錄，三角形的記錄包括三個指向它三個邊的記錄的指針；邊的記錄有四個指針字段，包括兩個指向相鄰三角形記錄的指針和它的兩個頂點的記錄的指針；也可以直接對每個三角形記錄其頂點和相鄰三角形。每個節(jié)點包括三個坐標(biāo)值的字段，分別存儲X,Y,Z坐標(biāo)。

TIN

TINDEM主要表示模型不規(guī)則三角網(wǎng)與高程矩陣方法不同之處是隨地形起伏變化的復(fù)雜性而改變采樣點的密度和調(diào)整采樣點的位置，因而它能夠避免地形平坦時的數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點如山脊、山谷線、地形變化線等表示數(shù)字高程特征。DEM應(yīng)用

DEM最基礎(chǔ)的應(yīng)用是求DEM范圍內(nèi)任意點的高程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地形屬性分析；由于已知有限個格網(wǎng)點的高程，可以利用這些格網(wǎng)點高程擬合一個地形曲面，推求區(qū)域內(nèi)任意點的高程曲面擬合方法可以看作是一個已知采樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值的特例，距離倒數(shù)加權(quán)平均方法，克里金插值方法，樣條函數(shù)等插值方法均可采用地形曲面擬合DEM應(yīng)用與采用等高線表示地形形態(tài)相比有其自身獨(dú)特的優(yōu)點，更接近人們的直觀視覺可改變高程值Z的放大倍率以夸大立體形態(tài)；改變視點的位置以便從不同的角度進(jìn)行觀察，甚至可以使立體圖形轉(zhuǎn)動，使人們更好地研究地形的空間形態(tài)立體透視圖垂直拉伸前的原圖垂直拉伸后的圖DEM應(yīng)用通視問題可以分為五類：通視分析已知一個或一組觀察點，找出某一地形的可見區(qū)域欲觀察到某一區(qū)域的全部地形表面，計算最少觀察點數(shù)量在觀察點數(shù)量一定的前提下，計算能獲得的最大觀察區(qū)域以最小代價建造觀察塔，要求全部區(qū)域可見在給定建造代價的前提下，求最大可見區(qū)DEM應(yīng)用通視分析根據(jù)問題輸出維數(shù)的不同，通視可分為點的通視、線的通視和面的通視

點的通視是指計算視點與待判定點之間的可見性問題線的通視是指已知視點，計算視點的視野問題區(qū)域的通視是指已知視點，計算視點能可視的地形表面區(qū)域集合的問題DEM應(yīng)用計算表面積與體積

坡度提?。耗滁c的坡度即為其所在三角面與水平面之間的夾角

坡向提取：坡向為坡面法線在水平面上的投影與正北方向的夾角，正北0度，正東90度，正南180度，正西270度

提取斷面：剖面圖表示了沿表面上某條線前進(jìn)時表面上高程變化的情況，即斷面的情況?；镜匦我蜃犹崛EM應(yīng)用流域特征地貌提取與地形自動分割地形因素是影響流域地貌、水文、生物等過程的重要因子，地形屬性的空間分布特征一直是人們用于描述這些空間過程變化的重要指標(biāo)基于DEM數(shù)據(jù)自動提取流域地貌特征和進(jìn)行