1、数字地形模型（数字地形模型（DTM）与地形分析）与地形分析 DEM和和DTM主要用于描述地面起伏状况，可以主要用于描述地面起伏状况，可以用于提取各种地形参数，如坡度、坡向、粗糙用于提取各种地形参数，如坡度、坡向、粗糙度等，并进行通视分析、流域结构生成等应用度等，并进行通视分析、流域结构生成等应用分析。因此，分析。因此，DEM在各个领域中被广泛使用。在各个领域中被广泛使用。DEM可以有多种表达方法，包括网格、等高线、可以有多种表达方法，包括网格、等高线、三角网等，本章同时介绍了这些表达方法之间三角网等，本章同时介绍了这些表达方法之间的相互转换算法，如由三角网生成等高线，网的相互转换算法，如由三角
2、网生成等高线，网格格DEM生成三角网等等。生成三角网等等。 1.概述概述数字地形模型数字地形模型（DTM, Digital Terrain Model）最初是为）最初是为了高速公路的自动设计提出来的（了高速公路的自动设计提出来的（Miller，1956）。此）。此后，它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的后，它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点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及任意断面图绘制。在测绘中被用于绘制间的通视判断及任意断面图绘制。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
3、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。在遥感应用中可作为分类的辅助数据。及地图的修测。在遥感应用中可作为分类的辅助数据。它还是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状它还是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规划及洪水险情预报等。在军事上可用于的分析、合理规划及洪水险情预报等。在军事上可用于导航及导弹制导、作战电子沙盘等。对导航及导弹制导、作战电子沙盘等。对DTM的研究包括的研究包括DTM的精度问题、地形分类、数据采集、的精度问题、地形分类、数据采集、DTM的粗差的粗差探测、质量控制、数据压缩、探测、质量控制、数据压缩、DTM应用以及不规则三角应用以
4、及不规则三角网网DTM的建立与应用等的建立与应用等 1.概述概述1.1DTM与与DEM从数学的角度，高程模型是高程从数学的角度，高程模型是高程Z关于平面坐标关于平面坐标X，Y两个自变量的连续函数，数字高程模型两个自变量的连续函数，数字高程模型（DEM）只是它的一个有限的离散表示。）只是它的一个有限的离散表示。高程高程模型最常见的表达是相对于海平面的海拔高度，模型最常见的表达是相对于海平面的海拔高度，或某个参考平面的相对高度，所以高程模型又叫或某个参考平面的相对高度，所以高程模型又叫地形模型。实际上地形模型不仅包含高程属性，地形模型。实际上地形模型不仅包含高程属性，还包含其它的地表形态属性，如坡
5、度、坡向等。还包含其它的地表形态属性，如坡度、坡向等。 在地理信息系统中，在地理信息系统中，DEM是建立是建立DTM的基础数的基础数据，其它的地形要素可由据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，直接或间接导出，称为称为“派生数据派生数据”，如坡度、坡向。，如坡度、坡向。 1.概述概述1.2DEM表示法表示法 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
6、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 DEM表示方法可分为两表示方法可分为两类：类：数学方法数学方法图形方法图形方法1.概述概述1.2DEM表示法表示法1）数学方法）数学方法用数学方法来表达，可以采用整体拟合方法，即用数学方法来表达，可以采用整体拟合方法，即根据区域所有的高程点数据，用傅立叶级数和高根据区域所有的高程点数据，用傅立叶级数和高次多项式拟合统一的地面高程曲面。也可用局部次多项式拟合统一的地面高程曲面。也可用局部拟合方法，将地表复杂表面分成正
7、方形规则区域拟合方法，将地表复杂表面分成正方形规则区域或面积大致相等的不规则区域进行分块搜索，根或面积大致相等的不规则区域进行分块搜索，根据有限个点进行拟合形成高程曲面。据有限个点进行拟合形成高程曲面。1.概述概述1.2DEM表示法表示法2）图形方法）图形方法（1）线模式）线模式等高线是表示地形最常见的形式。其它的地形特征线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。海岸线及坡度变换线等。（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DEM是是DEM建立常用的方
8、法建立常用的方法之一。数据采样可以按规则格网采样，可以是密度一之一。数据采样可以按规则格网采样，可以是密度一致的或不一致的；可以是不规则采样，如不规则三角致的或不一致的；可以是不规则采样，如不规则三角网、邻近网模型等；也可以有选择性地采样，采集山网、邻近网模型等；也可以有选择性地采样，采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点。峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点。2.DEM的主要表示模型的主要表示模型2.1规则格网模型规则格网模型规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格
9、网单元，每个格网单元对应一个数值。数学的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一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。每个格网单元或数组的一个元素，个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值，如下图所示。对应一个高程值，如下图所示。2.DEM的主要表示模型的主要表示模型2.1规则格网模型规则格网模型2.DEM的主要表示模型的主要表示模型2.1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。对于每个格网的数值有两种不同的解释。第一种是格第一种是格网栅格观点，网栅格观点，认为该格网单元的数值是其中所有点的认为该格网
10、单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一的高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。第二第二种是点栅格观点，种是点栅格观点，认为该网格单元的数值是网格中心认为该网格单元的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值，这样就需要用点的高程或该网格单元的平均高程值，这样就需要用一种插值方法来计算每个点的高程。计算任何不是网一种插值方法来计算每个点的高程。计算任何不是网格中心的数据点的高程值，使用周围格中心的数据点的高程值，使用周围4个中心点的高程个中心点的高程值，采用距离加权平均方法
11、进行计算，当然也可使用值，采用距离加权平均方法进行计算，当然也可使用样条函数和克里金插值方法样条函数和克里金插值方法 2.DEM的主要表示模型的主要表示模型2.2等高线模型等高线模型等高线通常被存成一个有序的坐标点对序列，等高线通常被存成一个有序的坐标点对序列，可以认为是一条带有高程值属性的简单多边形可以认为是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。由于等高线模型只表达了区域或多边形弧段。由于等高线模型只表达了区域的部分高程值，往往需要一种插值方法来计算的部分高程值，往往需要一种插值方法来计算落在等高线外的其它点的高程，又因为这些点落在等高线外的其它点的高程，又因为这些点是落在两条等高线包
12、围的区域内，所以，通常是落在两条等高线包围的区域内，所以，通常只使用外包的两条等高线的高程进行插值。只使用外包的两条等高线的高程进行插值。等高线通常可以用二维的链表来存储。另外的等高线通常可以用二维的链表来存储。另外的一种方法是用图来表示等高线的拓扑关系，将一种方法是用图来表示等高线的拓扑关系，将等高线之间的区域表示成图的节点，用边表示等高线之间的区域表示成图的节点，用边表示等高线本身。等高线本身。 2.DEM的主要表示模型的主要表示模型2.2等高线模型等高线模型BAFCGEHD2.DEM的主要表示模型的主要表示模型2.3不规则三角网模型不规则三角网模型尽管规则格网尽管规则格网DEM在计算和应
13、用方面有许多优点，在计算和应用方面有许多优点，但也存在许多难以克服的缺陷：但也存在许多难以克服的缺陷：1）在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余；）在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余；2）在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地）在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象；形的突变现象；3）在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴）在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。方向。不规则三角网（不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一种表示数字高程模型的方法）是另外一种表示数字高程模型的方法Peuker等，等，1978，它既减少
14、规则格网方法带来的数据冗余，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）效率方面又优于纯粹基于等同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。高线的方法。 2.DEM的主要表示模型的主要表示模型2.3不规则三角网模型不规则三角网模型TIN的数据存储方式比格网的数据存储方式比格网DEM复杂，它不仅要存储每复杂，它不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，三角形及邻接三角形等关系。系，三角形及邻接三角形等关系。TIN模型在概念上类模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是似于多边形网络的矢量拓扑结构，
15、只是TIN模型不需要模型不需要定义定义“岛岛”和和“洞洞”的拓扑关系。的拓扑关系。有许多种表达有许多种表达TIN拓扑结构的存储方式，一个简单的记拓扑结构的存储方式，一个简单的记录方式是：对于每一个三角形、边和节点都对应一个记录方式是：对于每一个三角形、边和节点都对应一个记录，三角形的记录包括三个指向它三个边的记录的指针；录，三角形的记录包括三个指向它三个边的记录的指针；边的记录有四个指针字段，包括两个指向相邻三角形记边的记录有四个指针字段，包括两个指向相邻三角形记录的指针和它的两个顶点的记录的指针；也可以直接对录的指针和它的两个顶点的记录的指针；也可以直接对每个三角形记录其顶点和相邻三角形（图
16、每个三角形记录其顶点和相邻三角形（图9-5）。）。 2.DEM的主要表示模型的主要表示模型2.3不规则三角网模型不规则三角网模型 邻接三角形邻接三角形 1 X Y Z 2 X Y Z 3 X Y Z 4 X Y Z 5 X Y Z 6 X Y Z 7 X Y Z 8 X Y Z 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 顶点顶点 5 6 8 7 5 4 2 3 6 5 7 4 6 5 4 4 8 8 8 7 2 1 X 3 1 2 6 4 5 3 4 X X 5 8 7 X 6 2 8 6 7 X X 点文件点文件 三角形文件三角形文件 1 1 1 2 5
17、 4 4 3 2.DEM的主要表示模型的主要表示模型2.4层次模型层次模型层次地形模型（层次地形模型（Layer of Details，LOD）是一）是一种表达多种不同精度水平的数字高程模型。大种表达多种不同精度水平的数字高程模型。大多数层次模型是基于不规则三角网模型的，通多数层次模型是基于不规则三角网模型的，通常不规则三角网的数据点越多精度越高，数据常不规则三角网的数据点越多精度越高，数据点越少精度越低，但数据点多则要求更多的计点越少精度越低，但数据点多则要求更多的计算资源。所以如果在精度满足要求的情况下，算资源。所以如果在精度满足要求的情况下，最好使用尽可能少的数据点。层次地形模型允最好使
18、用尽可能少的数据点。层次地形模型允许根据不同的任务要求选择不同精度的地形模许根据不同的任务要求选择不同精度的地形模型。型。 3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.1不规则点集生成不规则点集生成TIN对于不规则分布的高程点，可以形式化地描述为平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面的一个无序的点集P，点集中每个点，点集中每个点p对应于它的对应于它的高程值。将该点集转成高程值。将该点集转成TIN，最常用的方法是，最常用的方法是Delaunay三角剖分方法。生成三角剖分方法。生成TIN的关键是的关键是Delaunay三角网的产生算法，下面先对三角网的产生算法，下面先对D
19、elaunay三三角网和它的偶图角网和它的偶图Voronoi图作简要的描述。图作简要的描述。Delaunay三角形的外接圆圆心是与三角形相关的三角形的外接圆圆心是与三角形相关的Voronoi多边形的一个顶点。多边形的一个顶点。Delaunay三角形是三角形是Voronoi图的偶图，如图图的偶图，如图9-6所示。所示。 3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.1不规则点集生成不规则点集生成TINDelaunay三角网与Voronoi图 3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.1不规则点集生成不规则点集生成TIN对于给定的初始点集对于给定的初始点集P，有多种三角网剖分方式，而，有多种三角网剖分
20、方式，而Delaunay三角网有以下特性：三角网有以下特性：1）其）其Delaunay三角网是唯一的；三角网是唯一的；2）三角网的外边界构成了点集）三角网的外边界构成了点集P的凸多边形的凸多边形“外壳外壳”；3）没有任何点在三角形的外接圆内部，反之，如果一）没有任何点在三角形的外接圆内部，反之，如果一个三角网满足此条件，那么它就是个三角网满足此条件，那么它就是Delaunay三角网。三角网。4）如果将三角网中的每个三角形的最小角进行升序排）如果将三角网中的每个三角形的最小角进行升序排列，则列，则Delaunay三角网的排列得到的数值最大，从这三角网的排列得到的数值最大，从这个意义上讲，个意义上
21、讲，Delaunay三角网是三角网是“最接近于规则化最接近于规则化”的三角网。的三角网。 3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.1不规则点集生成不规则点集生成TINDelaunay三角形产生的基本准则：三角形产生的基本准则：1)外接圆准则：任何一个外接圆准则：任何一个Delaunay三角形的外接圆的内部三角形的外接圆的内部不能包含其它任何点不能包含其它任何点Delaunay 1934。2) 最大化最小角原则：每两个相邻的三角形构成的凸四边最大化最小角原则：每两个相邻的三角形构成的凸四边形的对角线，在相互交换后，六个内角的最小角不再增大。形的对角线，在相互交换后，六个内角的最小角不再增大。(
22、Lawson1972)3)局部优化准则：局部优化准则：Lawson 1977又提出了一个局部优化过又提出了一个局部优化过程程LOP（Local Optimization Procedure）方法。如图）方法。如图9-7所所示。先求出包含新插入点示。先求出包含新插入点p的外接圆的三角形，这种三角形的外接圆的三角形，这种三角形称为影响三角形（称为影响三角形（Influence Triangulation）。删除影响三）。删除影响三角形的公共边（图角形的公共边（图b中粗线），将中粗线），将p与全部影响三角形的顶与全部影响三角形的顶点连接，完成点连接，完成p点在原点在原Delaunay三角形中的插入。
23、三角形中的插入。3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.1不规则点集生成不规则点集生成TIN3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.1不规则点集生成不规则点集生成TIN（一）、凸包生成（一）、凸包生成1、求出点集中满足、求出点集中满足min(x-y)、min(x+y)、max(x-y)、max(x+y)的四个点，并按逆时针方的四个点，并按逆时针方向组成一个点的链表。这向组成一个点的链表。这4个点是离散点中与包个点是离散点中与包含离散点的外接矩形的含离散点的外接矩形的4个角点最近的点。这个角点最近的点。这4个点构成的多边形作为初始凸包。个点构成的多边形作为初始凸包。2、对于每个凸包上的点、对
24、于每个凸包上的点I，设它的后续点为，设它的后续点为J，计算矢量线段计算矢量线段IJ右侧的所有点到右侧的所有点到IJ的距离，求的距离，求出距离最大的点出距离最大的点K。3、将、将K插入插入I、J之间，并将之间，并将K赋给赋给J。3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.1不规则点集生成不规则点集生成TIN4、重复、重复2、3步，直到步，直到点集中没有在线段点集中没有在线段IJ右右侧的点为止。侧的点为止。5、将、将J赋给赋给I，J取其后取其后续点，重复续点，重复2、3、4步。步。6、当凸包中任意相邻、当凸包中任意相邻两点连线的右侧不存在两点连线的右侧不存在离散点时，结束点集凸离散点时，结束点集凸包
25、求取过程。包求取过程。完成这一步后，形成了完成这一步后，形成了包含所有离散点的多边包含所有离散点的多边形（凸包），如右图所形（凸包），如右图所示。示。初始凸包修改后凸包3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.1不规则点集生成不规则点集生成TIN（二）、环切边界法凸包三角剖分（二）、环切边界法凸包三角剖分在凸包链表中每次寻找一个由相邻在凸包链表中每次寻找一个由相邻两条凸包边组成的三角形，在该三两条凸包边组成的三角形，在该三角形的内部和边界上都不包含凸包角形的内部和边界上都不包含凸包上的任何其它点。将这个点去掉后上的任何其它点。将这个点去掉后得到新的凸包链表。重复这个过程，得到新的凸包链表。重复
26、这个过程，直到凸包链表中只剩三个离散点为直到凸包链表中只剩三个离散点为止。将凸包链表中的最后三个离散止。将凸包链表中的最后三个离散点构成一个三角形，结束凸包三角点构成一个三角形，结束凸包三角剖分过程。完成这一步后，将凸包剖分过程。完成这一步后，将凸包中的点构成了若干中的点构成了若干Delaunay三角形，三角形，如图所示。如图所示。3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.1不规则点集生成不规则点集生成TIN（三）、离散点内插（三）、离散点内插 在对凸包进行三角剖分之后，不在凸包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上的其余离散点，可采用逐点内插的方法进行剖分。基
27、本过程为：法进行剖分。基本过程为：1、找出外接圆包含待插入点的所有三、找出外接圆包含待插入点的所有三角形，构成插入区域。角形，构成插入区域。2、删除插入区域内的三角形公共边，、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。形成由影响三角形顶点构成的多边形。 3、将插入点与多边形所有顶点相连，、将插入点与多边形所有顶点相连，构成新的构成新的Delaunay三角形。三角形。4、重复、重复1、2、3，直到所有非凸壳离散，直到所有非凸壳离散点都插入完为止。点都插入完为止。完成这一步后，就完成了完成这一步后，就完成了Delaunay三角三角网的构建，如图所示。网的构建，如图所示。3.D
28、EM之间的相互转换之间的相互转换3.2格网格网DEM转成转成TIN格网格网DEM转成转成TIN可以看作是一种规则分布的采样点可以看作是一种规则分布的采样点生成生成TIN的特例，其目的是尽量减少的特例，其目的是尽量减少TIN的顶点数目，的顶点数目，同时尽可能多地保留地形信息，如山峰、山脊、谷底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。规则格网和坡度突变处。规则格网DEM可以简单地生成一个精可以简单地生成一个精细的规则三角网，针对它有许多算法，绝大多数算法细的规则三角网，针对它有许多算法，绝大多数算法都有两个重要的特征：都有两个重要的特征：1）筛选要保留或丢弃的格网点；）筛选要保
29、留或丢弃的格网点；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：p保留重要点法；保留重要点法；p启发丢弃法。启发丢弃法。 3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.2格网格网DEM转成转成TIN(一一)保留重要点法保留重要点法通过比较计算格网点的重要性，保留重要的格网点。重要通过比较计算格网点的重要性，保留重要的格网点。重要点（点（VIP，Very Important Point）是通过）是通过3*3的模板来确定的模板来确定的，根据八邻点的高程值决定模板中心是否为重要点。格的，根据八邻点的高程值决定模板中心是否为重要点。格网点的重要性是通
30、过它的高程值与网点的重要性是通过它的高程值与8邻点高程的内插值进行邻点高程的内插值进行比较，当差分超过某个阈值的格网点保留下来。被保留的比较，当差分超过某个阈值的格网点保留下来。被保留的点作为三角网顶点生成点作为三角网顶点生成Delaunay三角网。如图三角网。如图9-8所示，由所示，由3*3的模板得到中心点的模板得到中心点P和和8邻点的高程值，计算中心点邻点的高程值，计算中心点P到到直线直线AE，CG，BF，DH的距离，图右图表示，再计算的距离，图右图表示，再计算4个个距离的平均值。如果平均值超过阈值，距离的平均值。如果平均值超过阈值，P点为重要点，则点为重要点，则保留，否则去除保留，否则去
31、除P点。点。3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.2格网格网DEM转成转成TINPABCDEFGHZAEPd3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.2格网格网DEM转成转成TIN（二）启发丢弃法（二）启发丢弃法（DHDrop Heuristic）该方法将重要点的选择作为一个优化问题进行该方法将重要点的选择作为一个优化问题进行处理。算法是给定一个格网处理。算法是给定一个格网DEM和转换后和转换后TIN中节点的数量限制，寻求一个中节点的数量限制，寻求一个TIN与规则格网与规则格网DEM的最佳拟合。首先输入整个格网的最佳拟合。首先输入整个格网DEM，迭，迭代进行计算，逐渐将那些不太重要的点删除
32、，代进行计算，逐渐将那些不太重要的点删除，处理过程直到满足数量限制条件或满足一定精处理过程直到满足数量限制条件或满足一定精度为止。具体过程如下（图度为止。具体过程如下（图9-9）：）： 3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.2格网格网DEM转成转成TIN1）可以将格网）可以将格网DEM作为输入，此时所有格网点视为作为输入，此时所有格网点视为TIN的节点，将格网中的节点，将格网中4个节点中的两个对角点相连，将每个个节点中的两个对角点相连，将每个格网剖分成两个三角形。格网剖分成两个三角形。2）取）取TIN的一个节点的一个节点O及与其相邻的其它节点，如图及与其相邻的其它节点，如图9-9所示，所示
33、，O的邻点（称的邻点（称Delaunay邻接点）为邻接点）为A，B，C，D，使用使用Delaunay三角构造算法，将三角构造算法，将O的邻点进行的邻点进行Delaunay三角形重构，图三角形重构，图9-9中实线所示。中实线所示。3）判断该节点）判断该节点O位于哪个新生成的位于哪个新生成的Delaunay三角形中，三角形中，如图如图9-9为三角形为三角形BCE。计算。计算O点的高程和过点的高程和过O点与三角点与三角形形BCE交点交点O的高程差的高程差d。若高程差。若高程差d大于阈值大于阈值de，则，则O点为重要点，保留，否则，可删除。点为重要点，保留，否则，可删除。de为阈值。为阈值。4）对）对
34、TIN中所有的节点，重复进行上述判断过程。中所有的节点，重复进行上述判断过程。5）直到）直到TIN中所有的节点满足条件中所有的节点满足条件dde，结束。，结束。3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.2格网格网DEM转成转成TIN（左图虚线为以（左图虚线为以O为中心的为中心的Delaunay三角形，实线为新三角形，实线为新生成的生成的Delaunay三角形；三角形；右图为高差的计算右图为高差的计算注意：此图描述了三维空间注意：此图描述了三维空间）3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.2格网格网DEM转成转成TIN两种方法相比较两种方法相比较Lee，1991，VIP方法在保留方法在保留关键
35、网格点方面（顶点、凹点）最好；关键网格点方面（顶点、凹点）最好；DH方方法在每次丢弃数据点时确保信息丢失最少，但法在每次丢弃数据点时确保信息丢失最少，但要求计算量大。各种方法各有利弊，实际应用要求计算量大。各种方法各有利弊，实际应用中根据不同的需要，如检测极值点，高效存储，中根据不同的需要，如检测极值点，高效存储，最小误差，可以选择使用不同的方法。最小误差，可以选择使用不同的方法。 3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.3等高线转成格网等高线转成格网DEM 等高线存在在问题：等高线存在在问题：p不适合于计算坡度不适合于计算坡度p不适合制作地貌渲染图等地形分析不适合制作地貌渲染图等地形分析使
36、用局部插值算法进行使用局部插值算法进行DEM加密：加密：p距离倒数加权平均；距离倒数加权平均；p克里金插值算法克里金插值算法问题：问题：如果搜索到的点都具有相同的高程，那待插值点的高如果搜索到的点都具有相同的高程，那待插值点的高程也同为此高程值。结果导致在每条等高线周围的狭程也同为此高程值。结果导致在每条等高线周围的狭长区域内具有与等高线相同的高程，出现了长区域内具有与等高线相同的高程，出现了“阶梯阶梯”地形。以带地形。以带“阶梯阶梯”地形的地形的DEM为基础，计算坡度往为基础，计算坡度往往会出现不自然的条斑状分布模式（图往会出现不自然的条斑状分布模式（图9-10）。3.DEM之间的相互转换之
37、间的相互转换3.3等高线转成格网等高线转成格网DEM3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.4利用格网利用格网DEM提取等高线提取等高线 在利用格网在利用格网DEM生成等高线时，需要将其中的每个生成等高线时，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，这样可以根据格网以根据格网DEM中相邻四个点组成四边形进行等高中相邻四个点组成四边形进行等高线跟踪。主要有两类方法：线跟踪。主要有两类方法：p将每个矩形分割成为两个三角形，并应用将每个矩形分割成为两个三角形，并应用TIN提提取等高线算法取等高线算法p直接用四边形法直接用四边形法当使用三角形法
38、时，但是由于矩形有两种划分三角当使用三角形法时，但是由于矩形有两种划分三角形的方法，在某些情况下，会生成不同的等高线形的方法，在某些情况下，会生成不同的等高线（图（图9-11），这时需要根据周围的情况进行判断并），这时需要根据周围的情况进行判断并决定取舍。决定取舍。3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.4利用格网利用格网DEM提取等高线提取等高线（a） (b)图9-11：由于三角形划分不同造成生成等高线的不同 3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.4利用格网利用格网DEM提取等高线提取等高线在直接使用四边形跟踪等高线时，在图在直接使用四边形跟踪等高线时，在图9-11所示所示的情形中，仍
39、会出现等高线跟踪的二义性，即的情形中，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，距离近的行取舍判断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。在图连线方式优于距离远的连线方式。在图9-11种，种，就要采用（就要采用（b）图所示的跟踪方式。）图所示的跟踪方式。3.DEM之间的相互转换之间的相互转换3.5TIN转成格网转成格网DEMTIN转成格网转成格网DEM可以看作普通的不规则点生可以看作普通的不规则点生成格网成格网DEM的过程。方法是按要求的分辨率大的过程。方法是按要求的分辨率大
40、小和方向生成规则格网，对每一个格网搜索最小和方向生成规则格网，对每一个格网搜索最近的近的TIN数据点，按线性或非线性插值函数计算数据点，按线性或非线性插值函数计算格网点高程（具体的计算方法见第五节第二部格网点高程（具体的计算方法见第五节第二部分）分）4.DEM的建立的建立4.1 DEM数据采集方法数据采集方法 1）地面测量：全站仪等）地面测量：全站仪等2）现有地图数字化：数字化仪和扫描数字化仪。）现有地图数字化：数字化仪和扫描数字化仪。3）空间传感器：利用全球定位系统）空间传感器：利用全球定位系统GPS，结合，结合雷达和激光测高仪等进行数据采集。雷达和激光测高仪等进行数据采集。4）数字摄影测量
41、方法：这是）数字摄影测量方法：这是DEM数据采集最数据采集最常用的方法之一。利用附有的自动记录装置常用的方法之一。利用附有的自动记录装置（接口）的立体测图仪或立体坐标仪、解析测（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，进行人工、半自动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据。或全自动的量测来获取数据。4.DEM的建立的建立4.2数字摄影测量获取数字摄影测量获取DEM 工作模式：工作模式：p工操作：通常费时且易于出错；工操作：通常费时且易于出错；p半自动采样：通常是由人工控制高程半自动采样：通常是由人工控制高程Z，由机，由机器自动控制平面坐标器自动控
42、制平面坐标X,Y的驱动；的驱动；p全自动方法利用计算机视觉代替人眼的立体观全自动方法利用计算机视觉代替人眼的立体观测，速度虽然快，但精度较差。测，速度虽然快，但精度较差。人工或半自动方式的数据采集，数据的记录可分人工或半自动方式的数据采集，数据的记录可分为为“点模式点模式”或或“流模式流模式”，前者根据控制信号，前者根据控制信号记录静态量测数据，后者是按一定规律连续地记记录静态量测数据，后者是按一定规律连续地记录动态的量测数据。录动态的量测数据。4.DEM的建立的建立4.2数字摄影测量获取数字摄影测量获取DEM采样方式：采样方式：1）沿等高线采样）沿等高线采样适合在地形复杂及陡峭地区。沿等高线
43、采样时可按等距离间适合在地形复杂及陡峭地区。沿等高线采样时可按等距离间隔记录数据或按等时间间隔记录数据方式进行。采用后一种隔记录数据或按等时间间隔记录数据方式进行。采用后一种方式，由于在等高线曲率大的地方跟踪速度较慢，因而采集方式，由于在等高线曲率大的地方跟踪速度较慢，因而采集的点较密集，而在等高线较平直的地方跟踪速度快，采集的的点较密集，而在等高线较平直的地方跟踪速度快，采集的点较稀疏，故只要选择恰当的时间间隔，所记录的数据就能点较稀疏，故只要选择恰当的时间间隔，所记录的数据就能很好地描述地形，又不会有太多的数据。很好地描述地形，又不会有太多的数据。2）规则格网采样）规则格网采样利用解析测图
44、仪在立体模型中按规则矩形格网进行采样，直利用解析测图仪在立体模型中按规则矩形格网进行采样，直接构成规则格网接构成规则格网DEM。当系统驱动测标到格网点时，会按预。当系统驱动测标到格网点时，会按预先选定的参数停留一短暂时间（如先选定的参数停留一短暂时间（如0.2秒），供作业人员精确秒），供作业人员精确测量。该方法的优点是方法简单、精度高、作业效率也较高；测量。该方法的优点是方法简单、精度高、作业效率也较高；缺点是对地表变化的尺度的灵活性较差，可能会丢失特征点。缺点是对地表变化的尺度的灵活性较差，可能会丢失特征点。4.DEM的建立的建立4.2数字摄影测量获取数字摄影测量获取DEM3）渐进采样（）渐
45、进采样（Progressive Sampling）渐进采样方法的目的是使采样点分布合理，即平坦地区渐进采样方法的目的是使采样点分布合理，即平坦地区样点少，地形复杂区的样点较多。样点少，地形复杂区的样点较多。 4.DEM的建立的建立4.2数字摄影测量获取数字摄影测量获取DEM4）选择采样）选择采样为了准确地反映地形，可根据地形特征进行选择采样，例为了准确地反映地形，可根据地形特征进行选择采样，例如沿山脊线、山谷线、断裂线进行采集以及离散碎部点如沿山脊线、山谷线、断裂线进行采集以及离散碎部点（如山顶）的采集。这种方法获取的数据尤其适合于不规（如山顶）的采集。这种方法获取的数据尤其适合于不规则三角网
46、则三角网DEM的建立。的建立。5）混合采样）混合采样为了同步考虑采样的效率与合理性，可将规则采样（包括为了同步考虑采样的效率与合理性，可将规则采样（包括渐进采样）与选择性采样结合进行混合采样，即在规则采渐进采样）与选择性采样结合进行混合采样，即在规则采样的基础上再进行沿特征线、点采样。为了区别一般的数样的基础上再进行沿特征线、点采样。为了区别一般的数据点和特征点，应当给不同的点以不同的特征码，以便处据点和特征点，应当给不同的点以不同的特征码，以便处理时可按不同的方式进行。利用混合采样可建立附加地形理时可按不同的方式进行。利用混合采样可建立附加地形特征的规则格网特征的规则格网DEM，也可建立附加
47、特征的不规则三角网，也可建立附加特征的不规则三角网DEM。4.DEM的建立的建立4.2数字摄影测量获取数字摄影测量获取DEM6）自动化）自动化DEM数据采集数据采集上述方法均是基于解析测图仪或机助制图系统利上述方法均是基于解析测图仪或机助制图系统利用半自动的方法进行用半自动的方法进行DEM数据采集，现在已经可数据采集，现在已经可以利用自动化测图系统进行完全自动化的以利用自动化测图系统进行完全自动化的DEM数数据采集。此时可按像片上的规则格网利用数字影据采集。此时可按像片上的规则格网利用数字影像匹配进行数据采集。像匹配进行数据采集。最后数字摄影测量获取的最后数字摄影测量获取的DEM数据点都要按一
48、定数据点都要按一定插值方法转成规则格网插值方法转成规则格网DEM或规则三角网或规则三角网DEM格格式数据。式数据。4.DEM的建立的建立4.3DEM数据质量控制数据质量控制 p任何一种任何一种DEM内插方法，均不能弥补取样不内插方法，均不能弥补取样不当所造成的信息损失。数据点太稀会降低当所造成的信息损失。数据点太稀会降低DEM的精度；数据点过密，又会增大数据量、处理的精度；数据点过密，又会增大数据量、处理的工作量和不必要的存储量。的工作量和不必要的存储量。p由于很多由于很多DEM数据来源于地形图，所以数据来源于地形图，所以DEM的精度决不会高于原始的地形图。的精度决不会高于原始的地形图。5.D
49、EM分析和应用分析和应用5.1格网格网DEM应用应用（一）地形曲面拟合（一）地形曲面拟合DEM最基础的应用是求最基础的应用是求DEM范围内任意点的范围内任意点的高程，在此基础上进行地形属性分析。由于已高程，在此基础上进行地形属性分析。由于已知有限个格网点的高程，可以利用这些格网点知有限个格网点的高程，可以利用这些格网点高程拟合一个地形曲面，推求区域内任意点的高程拟合一个地形曲面，推求区域内任意点的高程。曲面拟合方法可以看作是一个已知规则高程。曲面拟合方法可以看作是一个已知规则格网点数据进行空间插值的特例，距离倒数加格网点数据进行空间插值的特例，距离倒数加权平均方法，克里金插值方法，样条函数等插
50、权平均方法，克里金插值方法，样条函数等插值方法均可采用。值方法均可采用。5.DEM分析和应用分析和应用5.1格网格网DEM应用应用（二）立体透视图（二）立体透视图从数字高程模型绘制透视立体图是从数字高程模型绘制透视立体图是DEM的一个极其重要的一个极其重要的应用。透视立体图能更好地反映地形的立体形态，非的应用。透视立体图能更好地反映地形的立体形态，非常直观。与采用等高线表示地形形态相比有其自身独特常直观。与采用等高线表示地形形态相比有其自身独特的优点，更接近人们的直观视觉。特别是随着计算机图的优点，更接近人们的直观视觉。特别是随着计算机图形处理工作的增强以及屏幕显示系统的发展，使立体图形处理工
