1、7.1 数字地面模型概述数字地面模型概述 7.2 DEM常用数据模型常用数据模型7.3 DEM数据的获取数据的获取7.4 数字地形可视化数字地形可视化7.5 数字地形分析数字地形分析7.6 DEM的应用的应用 目前，数字地面模型已成为目前，数字地面模型已成为GIS的重要内容，的重要内容， GIS的很多功能以数字地面模型为基础。的很多功能以数字地面模型为基础。为了表示地形起伏必需存储三维数据，这首先为了表示地形起伏必需存储三维数据，这首先必需研究必需研究三维数字地面模型。三维数字地面模型。什么是什么是4D产品（产品（DEM,DLG,DRG,DOM）数字高程模型数字高程模型（Digital Ele
2、vation Model，缩写，缩写DEM）是在某一）是在某一投影平面（如高斯投影平面）上规则格网点的平面坐标（投影平面（如高斯投影平面）上规则格网点的平面坐标（X，Y）及高）及高程（程（Z）的数据集。）的数据集。DEM的格网间隔应与其高程精度相适配，并形成有的格网间隔应与其高程精度相适配，并形成有规则的格网系列。根据不同的高程精度，可分为不同类型。为完整反映规则的格网系列。根据不同的高程精度，可分为不同类型。为完整反映地表形态，还可增加离散高程点数据。地表形态，还可增加离散高程点数据。数字线划地图数字线划地图（Digital Line Graphic，缩写，缩写DLG）是现有地形图）是现有地
3、形图要素的矢量数据集，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面要素的矢量数据集，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地表目标。地描述地表目标。数字栅格地图数字栅格地图（Digital Raster Graphic，缩写，缩写DRG）是现有纸质）是现有纸质地形图经计算机处理后得到的栅格数据文件。每一幅地形图在扫描数字地形图经计算机处理后得到的栅格数据文件。每一幅地形图在扫描数字化后，经几何纠正，并进行内容更新和数据压缩处理，彩色地形图还应化后，经几何纠正，并进行内容更新和数据压缩处理，彩色地形图还应经色彩校正，使每幅图像的色彩基本一致。数字栅格地图在内容上、几经色彩校正，使每幅
4、图像的色彩基本一致。数字栅格地图在内容上、几何精度和色彩上与国家基本比例尺地形图保持一致。何精度和色彩上与国家基本比例尺地形图保持一致。数字正射影像图数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，缩写，缩写DOM）是利用）是利用数字高程模型（数字高程模型（DEM）对经扫描处理的数字化航空像片，经逐像元进）对经扫描处理的数字化航空像片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，具字正射影像数据集。它是同时具有地图几何精度和影像特征
5、的图像，具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。有精度高、信息丰富、直观真实等优点。DEM的表示方法的表示方法 DEM表示方法表示方法数学方法数学方法图形法图形法整体整体局部局部傅立叶级数傅立叶级数高次多项式高次多项式规则数学分块规则数学分块不规则数学分块不规则数学分块点数据点数据线数据线数据规规则则 不规则不规则水平线水平线典型线典型线典型特征典型特征密度一致密度一致密度不一致密度不一致三角网三角网邻近网邻近网山峰、洼坑山峰、洼坑隘口、边界隘口、边界垂直线垂直线山脊线山脊线谷底线谷底线海岸线海岸线坡度变换线坡度变换线规则格网模型将空间区域分成规则的等距离单元，规则格网模型将空间区域分成规则的等
6、距离单元，每个单元对应一个数值，通常在数学上表示为一个每个单元对应一个数值，通常在数学上表示为一个矩阵，在计算机中表现为一个矩阵，在计算机中表现为一个二维数组二维数组，每个格网，每个格网单元或数组元素对应一个高程值。单元或数组元素对应一个高程值。用规则采样点数据（或把不规则采样点数据内插成用规则采样点数据（或把不规则采样点数据内插成规则点数据），而后，以规则点数据），而后，以矩阵形式矩阵形式来表地面形状。来表地面形状。 它已成为栅格数据结构中它已成为栅格数据结构中DEM的通用形式。的通用形式。按平面上等间距规则采样，或内插所建立的数字地面按平面上等间距规则采样，或内插所建立的数字地面模型，称为
7、基于栅格的数字地面模型，可以写成以下模型，称为基于栅格的数字地面模型，可以写成以下形式形式:DTMZi,j,i=l,2,m; j=1,2,n式中，式中，Z为栅格结点（为栅格结点（i,j）上的地面属性数据，包括）上的地面属性数据，包括土地权属、土壤类型、土地利用等。当该属性为海拔土地权属、土壤类型、土地利用等。当该属性为海拔高程高程时时 ，则该模型即为，则该模型即为数字高程模型数字高程模型 。 1.模型的表示模型的表示规则格网（规则格网（grid)模型模型( i, j ) ( i, j+1)( i+1,j ) ( i+1, j+1)( i, j ) ( i, j+1)( i+1,j ) ( i+
8、1, j+1)2. 格网的含义格网的含义3. 格网数据结构格网数据结构 4、规则格网的优缺点、规则格网的优缺点 由于受观测手段所限，或专业要求，在实际中获取由于受观测手段所限，或专业要求，在实际中获取的数据常不是规则格网数据，大多为不规则的离散的数据常不是规则格网数据，大多为不规则的离散数据。如地震观测中观测的地层结构数据，水利中数据。如地震观测中观测的地层结构数据，水利中观测的地下水资源数据等。观测的地下水资源数据等。 l不规则三角网（不规则三角网（ TIN）模型）模型通过不规则分布的数通过不规则分布的数据点，生成据点，生成连续的三角形面连续的三角形面来逼近地面的地形表面。来逼近地面的地形表
9、面。三角形面的形状和大小取决于不规则分布的观测点三角形面的形状和大小取决于不规则分布的观测点数据的位置和密度。数据的位置和密度。lTIN将区域内有限的点集，连成相互连续的三角面，将区域内有限的点集，连成相互连续的三角面，使离散点为三角面的顶点。使离散点为三角面的顶点。1、不规则三角网表示、不规则三角网表示不规则三角网模型是一种三维空间的分段线性模不规则三角网模型是一种三维空间的分段线性模型，型，其数据格式在概念上类似二维数据结构中带其数据格式在概念上类似二维数据结构中带拓扑结构的矢量数据结构，只是拓扑结构的矢量数据结构，只是TIN模型中不定义模型中不定义岛和洞的拓扑关系建立岛和洞的拓扑关系建立
10、。 不规则三角网（不规则三角网（ TIN）模型把不规则分布的数）模型把不规则分布的数据点，按优化组合的方法，生成据点，按优化组合的方法，生成连续的三角形面连续的三角形面来逼近地面的地形表面来逼近地面的地形表面。使每个离散点为三角面。使每个离散点为三角面的顶点。的顶点。 即即TIN将区域内有限的点集划分为相连的三角将区域内有限的点集划分为相连的三角面网。面网。2、模型的表示、模型的表示不规则三角网（不规则三角网（ TIN）模型）模型3、不规则三角网的生成、不规则三角网的生成Delaunay算法的三种类型算法的三种类型 点文件点文件 三角形文件三角形文件 点号点号 坐标点坐标点 三角形号三角形号
11、顶点顶点 邻接三角形邻接三角形 N1 X 1 Y1 Z1 T1 N1 N5 N6 T2 T5 / N2 X 2 Y2 Z1 T2 N1 N4 N3 T1 T3 T6 N3 X 3 Y3 Z1 T3 N1 N2 N4 / T4 T2 N4 X 4 Y4 Z4 T4 N2 N3 N4 T3 / T8 N5 X 5 Y5 Z5 T5 N8 N5 N6 T1 / T6 N6 X 6 Y6 Z6 T6 N4 N5 N8 T2 T5 T7 N7 X 7 Y7 Z7 T7 N4 N7 N8 T6 T8 / N8 X 8 Y8 Z8 T8 N3 N4 N7 T4 T7 /T1 T2 T3 T4 T5 T6 T
12、7 T8 N1N6N2N8N7N 3N4N5 4、模型的数据结构、模型的数据结构5、不规则三角网模型的优缺点、不规则三角网模型的优缺点大比例尺数据高程模型大比例尺数据高程模型通常采用能表示地性线的不规则三角网，以便通常采用能表示地性线的不规则三角网，以便较精确地显示小区域地形特性。较精确地显示小区域地形特性。小比例尺数据高程模型小比例尺数据高程模型通常可采用规则格网模型，以显示大区域宏观通常可采用规则格网模型，以显示大区域宏观地形特性。地形特性。 等值线是等值线是DEM模型的平面表示形式，是地形表示模型的平面表示形式，是地形表示中广泛使用的一种表示方法。中广泛使用的一种表示方法。 等值线图以符
13、号化的模型来表示空间立体地形形等值线图以符号化的模型来表示空间立体地形形态。它由态。它由一系列数值相等的点一系列数值相等的点，连成的曲线反映连，连成的曲线反映连续递变的面状分布地形特征。续递变的面状分布地形特征。 它反映的是连续递变的面状分布特征，如等高线它反映的是连续递变的面状分布特征，如等高线、等温线等。、等温线等。1、等值线图的概念、等值线图的概念2、等高线、等高线l等高线模型由一系列等高线模型由一系列等高线和其高程值等高线和其高程值构成；构成；l每条等高线是一组有序的坐标点序列，也可认为是每条等高线是一组有序的坐标点序列，也可认为是带有高程属性的多边形或弧段。带有高程属性的多边形或弧段
14、。l等高线模型只能表达区域内部分高程值，等高线外等高线模型只能表达区域内部分高程值，等高线外的高程值用其外包等高线的高程值插值得到。的高程值用其外包等高线的高程值插值得到。等高线离散化，等高线等高线离散化，等高线内插可生成格网数据。内插可生成格网数据。等高线可生成等高线可生成TIN数据数据3、等高线的数据组织结构、等高线的数据组织结构 由于实际地形无一定数学规律可循，因此，影响由于实际地形无一定数学规律可循，因此，影响DEM精度的主要因素是原始数据的获取，其中主要精度的主要因素是原始数据的获取，其中主要包括包括:l数据采集的数据采集的密度密度;l数据采集数据采集位置位置（选点）。（选点）。注意
15、注意:任何一种内插方法均不能弥补由于取样不当所任何一种内插方法均不能弥补由于取样不当所造成的信息损失。造成的信息损失。1) 数据采集的精度数据采集的精度2) 数据采集的方法数据采集的方法A（x1,y1，z1）B（x2,y2,z2）C（x3,y3,z3）D（x4,y4,z4）P（x,y）0141414121212111zzyyxxzzyyxxzzyyxx 三角网上的任意数据获取三角网上的任意数据获取点数据的生成与叠加点数据的生成与叠加 3）数据采集的原则）数据采集的原则 4) 数据采集的后处理数据采集的后处理1) 网格尺寸的确定网格尺寸的确定 网格尺寸的确定是网格尺寸的确定是DEM数据网格化的重
16、要问数据网格化的重要问题，它关系到数据模型的精度。题，它关系到数据模型的精度。 网格尺寸的确定首先应分析地形的形态特征。网格尺寸的确定首先应分析地形的形态特征。 一般地说，采样点的密度基本上确定了网格点的密一般地说，采样点的密度基本上确定了网格点的密度。度。 在采集优选点的情况下，网格点数应大于或接在采集优选点的情况下，网格点数应大于或接近于样点数，取近于样点数，取nN2n，N 为网格点数，为网格点数，n为为样点数。样点数。 2) 这里举例说明用地形图生成格网这里举例说明用地形图生成格网DEM扫描仪扫入地形图扫描仪扫入地形图预处理获得二值等值线预处理获得二值等值线细化二值等高线图细化二值等高线
17、图跟踪赋值高程值跟踪赋值高程值插值生成插值生成DTM数据数据显示三维地面模型显示三维地面模型 在在GIS的发展历程中，一开始就十分重视利用计的发展历程中，一开始就十分重视利用计算机技术，实现空间数据的图形显示和分析。以充算机技术，实现空间数据的图形显示和分析。以充分直观的表示空间数据处理分析的结果。因此，从分直观的表示空间数据处理分析的结果。因此，从某种意义上说某种意义上说GIS的可视化研究早于科学计算可视的可视化研究早于科学计算可视化的研究化的研究。 可视化技术包含交流和认知分析，它通常需要模可视化技术包含交流和认知分析，它通常需要模型的支持。如对地图的可视化形成了型的支持。如对地图的可视化
18、形成了虚拟地图、动虚拟地图、动态地图、交互式地图、及超地图等概念态地图、交互式地图、及超地图等概念。 地形三维可视化的主要方法：地形三维可视化的主要方法：1）建立数字高程模型）建立数字高程模型通常，大比例尺地形用不规则三角网，以显示高精度通常，大比例尺地形用不规则三角网，以显示高精度小区域；小比例尺地形用规则格网，以显示宏观区域。小区域；小比例尺地形用规则格网，以显示宏观区域。2）图形的投影变换技术；）图形的投影变换技术；3）图形的消隐技术和裁剪技术；）图形的消隐技术和裁剪技术；4）光照模型和彩色合成技术。）光照模型和彩色合成技术。逼真显示通常以三角形作为运算的基本单元，逼真显示通常以三角形作
19、为运算的基本单元，DEM晕渲叠加矢量要素晕渲叠加矢量要素地形分析和地形数据模型紧密相关。地形分析和地形数据模型紧密相关。nkkphnh1)(1 1）坡度的定义）坡度的定义地面的坡度是表示地表面上该点倾斜的程度。地面的坡度是表示地表面上该点倾斜的程度。从数学说，地面的坡度是一个矢量，它既有大小从数学说，地面的坡度是一个矢量，它既有大小，又有方向，坡度定义为地形表面和水平面之间，又有方向，坡度定义为地形表面和水平面之间夹角的正切值。夹角的正切值。用矢量来描述坡度时，坡度是地面的法向量与用矢量来描述坡度时，坡度是地面的法向量与Z轴轴之夹角之夹角slope 。YZX( i, j ) ( i, j+1)
20、( i+1,j ) ( i+1, j+1)n 坡度计算坡度计算 2）坡向的定义（）坡向的定义（Aspect）地面的坡向就是坡面的朝向，粗略的可分为向南地面的坡向就是坡面的朝向，粗略的可分为向南、向北、向东、向西。更细的还可进一步分为南、向北、向东、向西。更细的还可进一步分为南、北、东、西、东南、西南、东南和西北向。、北、东、西、东南、西南、东南和西北向。DEM模型中坡向定义为地形表面模型中坡向定义为地形表面法线在水平面上法线在水平面上的投影与的投影与X轴之间夹角轴之间夹角。在地学领域中，通常根据。在地学领域中，通常根据法线在水平面上的投影的位置，将其分成阳坡、法线在水平面上的投影的位置，将其分
21、成阳坡、阴坡、半阳坡、和半阴坡。阴坡、半阳坡、和半阴坡。 阴阴 阴阴 半阴半阴 半阴半阴 半阳半阳 半阳半阳 阳阳 阳阳NSEWdirYZX( i, j ) ( i, j+1)( i+1,j ) ( i+1, j+1)n 坡向计算坡向计算坡向分类坡向分类 i,j-1 i,j i,j+1i-1,j-1 i-1,j i-1,j+1 i+1,j-1 i+1,j i+1,j+1 ALD/沟谷密度是表征地面破碎程度的一种指标，它是沟沟谷密度是表征地面破碎程度的一种指标，它是沟谷总长度谷总长度(L)与地表单元总面积与地表单元总面积(A)之比。提取之比。提取谷点和脊点，将地表单元内所有谷点在单元区域内谷点和
22、脊点，将地表单元内所有谷点在单元区域内的延伸长度累加，便获得单元的沟谷长度。沟谷密的延伸长度累加，便获得单元的沟谷长度。沟谷密度为度为:与侵蚀程与侵蚀程度度 niniiiiAARAAR11/sec/坡坡实实 SatbtaSaScEsincossincossin大部分地形特征的提取算法是基于格网的大部分地形特征的提取算法是基于格网的DEMAB A B剖面分析剖面分析军事电子沙盘军事电子沙盘A点和点和B点之间的通视性（点之间的通视性（intervisibility) ，指在，指在A点是否能看到点是否能看到B点。点。ACB可视域分析可实现可视域查询，可视域分析可实现可视域查询，以查询所在观察点可视的区域以查询所在观察点可视的区域范围，得到可视域范围图。范围，得到可视域范围图。可见可见 不可见不可见 可见可见 不可见不可见 可见可见 不不LOS，Line of Sight Viewshed hiNi=1N建立建立DEM模型模型自动获取自动获取H、H坡度坡度决策条件决策条件自动分类自动分类根据DEM产生的坡度晕渲图1 当当Zij HZ 淹没淹没0 当当Zij HZ 未未淹没淹没
