p5数字地形模型及其应用课件.ppt

1、 第七章数字地形模型及其应用 u概述uDem主要模型uDem模型之间的转换uDem建立uDem分析及应用Dem分析 地形因子的提取水文分析三维分析 第七章数字地形模型及其应用 数字地形模型（DTM）是20世纪50年代由美国MIT摄影测量试验室主任米勒（C.L.MILLER）首次提出，并用其成功地解决了道路工程中土方估算等问题。此后它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线等）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断即任意断面图绘制。在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测。DTM是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规

2、划和洪水险情预报等。在军事上可用于导航、作战电子沙盘等。第一节第一节 数字高程模型的概念和表示数字高程模型的概念和表示 一、一、DTM和和DEM的概念的概念 DTM 是描述地形表面形态空间位置和地形属性分布的有序数值阵列。DTM以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型（DEM）。被描述的地形属性还可是地理空间上的污染负荷量、绿化率、降雨量、气温、人口密度等。DEM是DTM的子集，是DTM的一个特例。第一节第一节 数字高程模型的概念和表示数字高程模型的概念和表示 二、二、DEM的表示法的表示法 区域地表高程模型可以采用多种方法表达，如下图所示。DEM

3、表示方法 数学方法 整体 局部 傅立叶级数 高次多项式 规则数学分块 不规则数学分块 图形法 点数据 线数据 规 则 不规则 典型特征 密度一致 密度不一致 三角网 邻近网 山峰、洼坑 隘口、边界 水平线 垂直线 典型线 山脊线 谷底线 海岸线 坡度变换线 DEM的表示方法 第一节第一节 数字高程模型的概念和表示数字高程模型的概念和表示 2.2.图形方法图形方法 （1 1）线模式）线模式 等高线是表示地形最常见的形式，其地形特征线等高线是表示地形最常见的形式，其地形特征线也是表达地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线也是表达地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。、海岸线

4、及坡度变换线等。（2 2）点模式）点模式用离散采样数据点建立用离散采样数据点建立DemDem是是DEMDEM建立的常用方法建立的常用方法之一。之一。数据采样密度可以一致，也可以不一致；数据采样密度可以一致，也可以不一致；可以不规则采样，或规则采样可以不规则采样，或规则采样 地理信息系统中，地理信息系统中，DEMDEM最主要的三种表示模型：最主要的三种表示模型：1 1）规则格网模型）规则格网模型 2 2）等高线模型）等高线模型 3 3）不规则三角网模型）不规则三角网模型 第一节第一节 数字高程模型的概念和表示数字高程模型的概念和表示1）规则格网模型）规则格网模型lDEMDEM最普通的形式是高程矩

5、阵或规则矩形格最普通的形式是高程矩阵或规则矩形格网（网（GRIDGRID）l规则网格通常是正方形、矩形、三角形等规规则网格通常是正方形、矩形、三角形等规则网格。则网格。l规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每一个格网单元对应一个数值。每一个格网单元对应一个数值。l数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。中则是一个二维数组。l每个格网单元或数组的一个元素对应一个高每个格网单元或数组的一个元素对应一个高程值。程值。1）规则格网模型）规则格网模型对于每个格网的数值有两种不同的解释：第一种第一种是格网栅

6、格观点是格网栅格观点第二种第二种是点栅格观点是点栅格观点1）规则格网模型）规则格网模型优点：优点：l很容易用计算机进行处理很容易用计算机进行处理l很容易的计算等高线、坡度、坡向、山体很容易的计算等高线、坡度、坡向、山体阴影、自动提取流域地形阴影、自动提取流域地形。1）规则格网模型）规则格网模型缺点：缺点：l地形简单区域存在大量数据冗余，数据量地形简单区域存在大量数据冗余，数据量过大，管理不便过大，管理不便l不改变栅格大小，则无法适用于起伏程度不改变栅格大小，则无法适用于起伏程度不同的区域不同的区域l格网不能准确的表示地形结构和细部（格网不能准确的表示地形结构和细部（格格网的值是网格单元的平均值

7、或中心点处的网的值是网格单元的平均值或中心点处的值值）。为弥补缺憾，附加地形特征点、山脊）。为弥补缺憾，附加地形特征点、山脊线、山谷线以描述地形结构。线、山谷线以描述地形结构。2）等高线模型）等高线模型lDEMDEM最普通的形式是高程矩阵或规则矩形格最普通的形式是高程矩阵或规则矩形格网（网（GRIDGRID）l规则网格通常是正方形、矩形、三角形等规规则网格通常是正方形、矩形、三角形等规则网格。则网格。l规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每一个格网单元对应一个数值。每一个格网单元对应一个数值。l数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现数学上可以表示为一

8、个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。中则是一个二维数组。l每个格网单元或数组的一个元素对应一个高每个格网单元或数组的一个元素对应一个高程值。程值。2）等高线模型）等高线模型等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知的高程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。等高线是表示地形最常见的形式。等高线是表示地形最常见的形式。其它的地形特征线也是表达地面高程的其它的地形特征线也是表达地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。及坡度变换线等。等高线通常被存储成一个等高线通常被存储成一个有序有序

9、的的坐标点坐标点序列序列，可以认为是一条带有高程值属性的，可以认为是一条带有高程值属性的简单多边形简单多边形或多边形弧段。或多边形弧段。2）等高线模型）等高线模型3）不规则三角网（）不规则三角网（TIN）模型）模型不规则三角网（不规则三角网（Triangulated Irregular Triangulated Irregular Network,TINNetwork,TIN）是另外一种表示数字高程模型）是另外一种表示数字高程模型的方法的方法 PeukerPeuker等，等，19781978，它既减少规则格网，它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度方法带来的数据冗余，同时在计算

10、（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。3）不规则三角网（）不规则三角网（TIN）模型）模型TINTIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。所以。所以TINTIN是

11、一个三维空间的分段线性模型，在整是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。个区域内连续但不可微。TINTIN的数据存储方式比格网的数据存储方式比格网DEMDEM复杂，它不复杂，它不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。接三角形等关系。TINTIN模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是扑结构，只是TINTIN模型不需要定义模型不需要定义“岛岛”和和“洞洞”的拓扑关系。的拓扑关系。3）不规则三角网（）不规则三角网（TI

12、N）模型）模型1297581036417632459811103）不规则三角网（）不规则三角网（TIN）模型）模型NoXYZ190.010.043.5250.710.067.3367.223.962.6:1010.090.081.03）不规则三角网（）不规则三角网（TIN）模型）模型不规则三角网数字高程由连续的三角面组成，不规则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点，或三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点，或节点的位置和密度。节点的位置和密度。不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的

13、密度和决定采形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，因而它能够避免地形平坦时的数据冗样点的位置，因而它能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化余，又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。线等表示数字高程特征。3）不规则三角网（）不规则三角网（TIN）模型）模型3）不规则三角网（）不规则三角网（TIN）模型）模型DEMDEM常用的表示方法：常用的表示方法：u 规则格网模型规则格网模型u 等高线模型等高线模型u 不则三角网模型不则三角网模型如何表示如何表示DEMDEM的？如何存储的？各有的？如何存储的？各有什么优缺点？什么优缺点？

14、不同的表示模型有时要进行相互转换不同的表示模型有时要进行相互转换第三节第三节 DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换在实际应用中，在实际应用中，DEMDEM模型之间可以相互转模型之间可以相互转换。大部分换。大部分DEMDEM数据都是规则格网数据都是规则格网DEMDEM，但，但由于规则格网由于规则格网DEMDEM的数据量大而不便存储，的数据量大而不便存储，也可能由于某些分析计算需要使用也可能由于某些分析计算需要使用TINTIN模型的模型的DEMDEM，如进行通视分析。此时需要将格网，如进行通视分析。此时需要将格网DEMDEM转成转成TINTIN模型

15、的模型的DEMDEM。反之，如果已有。反之，如果已有TINTIN模型的模型的DEMDEM数据，为满足某种应用的需数据，为满足某种应用的需要，也需要转成规则格网的要，也需要转成规则格网的DEMDEM。三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换1 1、不规则点集生成、不规则点集生成TINTIN对于不规则分布的高程点，可以形式化地描对于不规则分布的高程点，可以形式化地描述为平面的一个无序的点集述为平面的一个无序的点集P P，点集中每，点集中每个点个点p p对应于它的高程值。将该点集转成对应于它的高程值。将该点集转成TINTIN，最常用的方法是，最常用的方法是DelaunayDelaunay三角剖分

16、三角剖分方法。方法。三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换下面先对Delaunay三角网和它的偶图Voronoi图作简要的描述。Delaunay三角网与Voronoi图三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换Voronoi图，又叫泰森多边形或Dirichlet图，它由一组连续多边形组成，多边形的边界是由连接两邻点线段的垂直平分线组成。N个在平面上有区别的点，按照最近邻原则划分平面：每个点与它的最近邻区域相关联。Delaunay三角形是Voronoi图的偶图。Tin的构建算法的构建算法Tsai（1993）提出的在n维欧拉空间中构造Delaunay三角形的通用算法凸包插值算法。1 1、凸

17、包生成、凸包生成2 2、环切边界法凸包三角剖分、环切边界法凸包三角剖分3 3、离散点内插、离散点内插 在对凸包进行三角剖分之后，不在凸包上的其余离散点在对凸包进行三角剖分之后，不在凸包上的其余离散点，可采用逐点内插的方法进行剖分。基本过程为：，可采用逐点内插的方法进行剖分。基本过程为：找出外接圆包含待插入点的所有三角形，构成插入区域找出外接圆包含待插入点的所有三角形，构成插入区域。删除插入区域内的三角形公共边，形成由影响三角形顶删除插入区域内的三角形公共边，形成由影响三角形顶点构成的多边形。点构成的多边形。将插入点与多边形所有顶点相连，构成新的将插入点与多边形所有顶点相连，构成新的Delaun

18、ayDelaunay三三角形。角形。三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换2 2、格网、格网DEMDEM转成转成TINTIN格网格网DEMDEM转成转成TINTIN可以看作是一种规则分布的采样可以看作是一种规则分布的采样点生成点生成TINTIN的特例，其目的是尽量减少的特例，其目的是尽量减少TINTIN的顶的顶点数目，同时尽可能多地保留地形信息，如山点数目，同时尽可能多地保留地形信息，如山峰、山脊、谷底和坡度突变处。峰、山脊、谷底和坡度突变处。三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换规则格网规则格网DEMDEM可以简单地生成一个精细的规则可以简单地生成一个精细的规则三角网，绝大多数算

19、法都有两个重要的特征：三角网，绝大多数算法都有两个重要的特征：1 1）筛选要保留或丢弃的格网点；）筛选要保留或丢弃的格网点；2 2）判断停止筛选的条件。）判断停止筛选的条件。其中两个代表性的方法算法是其中两个代表性的方法算法是:u保留重要点法保留重要点法u启发丢弃法。启发丢弃法。保留重要点法保留重要点法该方法是一种保留规则格网该方法是一种保留规则格网DEMDEM中的重要点来构造中的重要点来构造TINTIN的方法。它是通过比较计算格网点的重要性，保留的方法。它是通过比较计算格网点的重要性，保留重要的格网点。重要点（重要的格网点。重要点（VIPVIP，Very Important PointVer

20、y Important Point）是通过）是通过3 3*3 3的模板来确定的，根据八邻点的高程值的模板来确定的，根据八邻点的高程值决定模板中心是否为重要点。决定模板中心是否为重要点。保留重要点法保留重要点法1 1）用用3 3*3 3模板得到中心点模板得到中心点p p和其和其8 8邻点的高程值（邻点的高程值（Z ZP P、Z Z1 1、Z Z2 2、Z Z3 3、Z Z4 4、Z Z5 5、Z Z6 6、Z Z7 7、Z Z8 8 ）2 2）用直线方程拟合）用直线方程拟合AEAE，CGCG，BFBF，DHDH3 3）计算直线）计算直线AEAE，CGCG，BFBF，DHDH中点的坐标，记为中点的

21、坐标，记为Z Zp1p1、Z Zp2p2、Z Zp3p3、Z Zp4p43 3）求上述）求上述4 4点的均值为点的均值为Z Zp p4 4）求）求Z=Z=Z Zp p-Z-ZP P5 5）如果）如果ZZ阈值，则阈值，则P P点为重要点点为重要点 如果如果ZZ阈值，则阈值，则P P点不重要点不重要三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换3 3、等高线转成格网、等高线转成格网DEMDEM表示地形的最常见的线模式是一系列描述高程曲线表示地形的最常见的线模式是一系列描述高程曲线的等高线。由于现有地图大多数都绘有等高线的等高线。由于现有地图大多数都绘有等高线，这些地图便是数字高程模型的现成数据源，这

22、些地图便是数字高程模型的现成数据源，可以将纸面等高线图扫描后，自动获取可以将纸面等高线图扫描后，自动获取DEMDEM数数据。由于数字化的等高线不适合于计算坡度或据。由于数字化的等高线不适合于计算坡度或制作地貌渲染图等地形分析，因此，必须要把制作地貌渲染图等地形分析，因此，必须要把数字化等高线转为格网高程矩阵。数字化等高线转为格网高程矩阵。三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换3 3、等高线转成格网、等高线转成格网DEMDEM使用局部插值算法，可以将数字化等高线数据转为规则格网使用局部插值算法，可以将数字化等高线数据转为规则格网的的DEMDEM数据，但插值的结果往往会出现一些许多不令人数据

23、，但插值的结果往往会出现一些许多不令人满意的结果，而且数字化等高线时越小心，采样点越多满意的结果，而且数字化等高线时越小心，采样点越多，问题越严重。主要原因：，问题越严重。主要原因：在一个半径范围内搜索落在其中的已知点数据，再计算它的在一个半径范围内搜索落在其中的已知点数据，再计算它的加权平均值。导致出现了加权平均值。导致出现了“阶梯阶梯”地形。地形。三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换最好的解决方法是使用针对最好的解决方法是使用针对等高线插值的专用方法。等高线插值的专用方法。如果没有合适的方法，最好如果没有合适的方法，最好把把等高线数据点减少到最少，使等高线数据点减少到最少，使等高点

24、离散化化，不逞明显的线等高点离散化化，不逞明显的线状趋势或规律状趋势或规律，增加标识山峰、，增加标识山峰、山脊、谷底和坡度突变的数据点山脊、谷底和坡度突变的数据点，同时使用一个较大的搜索窗口，同时使用一个较大的搜索窗口。三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换4 4、利用格网、利用格网DEMDEM提取等高线提取等高线在利用格网在利用格网DEMDEM生成等高线时，需要将其中的每个点视为一生成等高线时，需要将其中的每个点视为一个几何点，而不是一个矩形区域，这样可以根据格网个几何点，而不是一个矩形区域，这样可以根据格网DEMDEM中相邻四个点组成四边形进行等高线跟踪。其方法中相邻四个点组成四边形

25、进行等高线跟踪。其方法类似于后面描述的利用类似于后面描述的利用TINTIN提取等高线。提取等高线。三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换4 4、利用格网、利用格网DEMDEM提取等高线提取等高线在格网在格网DEMDEM提取等高线中，除了划分为三角形之外，也可以直接提取等高线中，除了划分为三角形之外，也可以直接使用四边形跟踪等高线。但是在图所示的情形中，仍会出现等高线跟踪使用四边形跟踪等高线。但是在图所示的情形中，仍会出现等高线跟踪的二义性，即对于每个四边形，有两条等高线的离去边。进行取舍判断的二义性，即对于每个四边形，有两条等高线的离去边。进行取舍判断的方法一般是计算距离，距离近的连线方

26、式优于距离远的连线方式。在的方法一般是计算距离，距离近的连线方式优于距离远的连线方式。在图中，就要采用（右）图所示的跟踪方式。图中，就要采用（右）图所示的跟踪方式。三DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换5 TIN5 TIN转成格网转成格网DEMDEMTINTIN转成格网转成格网DEMDEM可以看作普通的不规则点生成格网可以看作普通的不规则点生成格网DEMDEM的过程。方法是按要求的分辨率大小和方向生成规则格的过程。方法是按要求的分辨率大小和方向生成规则格网，对每一个格网搜索最近的网，对每一个格网搜索最近的TINTIN数据点，按线性或非线性数据点，按线性或非线性插值函数计算格网点高程。插值

27、函数计算格网点高程。第七章第七章 数字地形模型与地形分析数字地形模型与地形分析概述概述DEMDEM的主要表示模型的主要表示模型DEMDEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换DEMDEM的建立的建立DEMDEM的分析和应用的分析和应用四DEM的建立为了建立为了建立DEMDEM，必需量测一些点的三维坐标，这就是，必需量测一些点的三维坐标，这就是DEMDEM数据采集。数据采集。1 1、DEMDEM数据采集方法数据采集方法1 1）地面测量）地面测量利用利用自动记录的测距经纬仪自动记录的测距经纬仪（常用电子速测经纬仪或全（常用电子速测经纬仪或全站经纬仪）在野外实测。这种速测经纬仪一般都有微处站经纬仪）

28、在野外实测。这种速测经纬仪一般都有微处理器，可以自动记录和显示有关数据，还能进行多种测理器，可以自动记录和显示有关数据，还能进行多种测站上的计算工作。其记录的数据可以通过串行通讯，输站上的计算工作。其记录的数据可以通过串行通讯，输入计算机中进行处理。入计算机中进行处理。四DEM的建立1 1、DEMDEM数据采集方法数据采集方法2 2）现有地图数字化）现有地图数字化利用数字化仪对已有地图上的信息（如等高线）进行数字化利用数字化仪对已有地图上的信息（如等高线）进行数字化的方法，目前常用的数字化仪有手扶跟踪数字化仪和扫的方法，目前常用的数字化仪有手扶跟踪数字化仪和扫描数字化仪。描数字化仪。四DEM的

29、建立1 1、DEMDEM数据采集方法数据采集方法3 3）空间传感器）空间传感器利用全球定位系统利用全球定位系统GPSGPS，结合雷达和激光测高仪等进，结合雷达和激光测高仪等进行数据采集。行数据采集。全球免费下载全球免费下载demdem：SRTM（Shuttle Radar Topography Mission），即航天飞机雷达地形测绘使命，采样精度，即航天飞机雷达地形测绘使命，采样精度90米米，http:/srtm.csi.cgiar.org/Aster G-Dem，2009最新放出的全球最新放出的全球dem数据，数据，采样精度采样精度30米米，https:/wist.echo.nasa.go

30、v/wist-bin/api/ims.cgi?mode=MAINSRCH&JS=1四DEM的建立4 4）数字摄影测量方法）数字摄影测量方法这是这是DEMDEM数据采集最常用的方法之一。数据采集最常用的方法之一。利用附有的自动记录装置（接口）的立体测图仪或利用附有的自动记录装置（接口）的立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系统立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系统，进行人工、半自动或全自动的量测来获取数，进行人工、半自动或全自动的量测来获取数据。据。四DEM的建立最后数字摄影测量获取的最后数字摄影测量获取的DEMDEM数据点都要按一定插值方数据点都要按一定插值方法转成规则格网法转成规则格网DEMDEM或规则三角网或规则三角网DEMDEM格式数据。格式数据。思考 DEM的常用表示模型有哪些？其主要的优缺点？相互间如何进行转换？DEM有几种主要的数据源？如何进行采集？