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1、学 海 无 涯,第 11 章 地形分析,1,数字高程模型（Digital Elevation Model，简称 DEM），是用一组有序数值阵列形式表 示地面高程的一种实体地面模型。DEM 是数字地形模型（Digital Terrain Model，简称 DTM） 的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生，如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性。 DEM 还可以计算地形特征参数，包括山峰、山脊、平原、位面、河道和沟谷等。 建立 DEM 的方法有多种。按数据源及采集方式主要有：（1）直接从地面测量，例如 用 GPS、全站仪 、野外测量等；（2）根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取，如立 体坐标量
2、测仪观测及空三加密法、解析测图、数字摄影测量等；（3）从现有地形图上采集， 如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集，然后通过内插生成 DEM 等方法。 DEM 的内插方法很多，常用的有整体内插、分块内插和逐点内插三种。 下表对比了几种创建DEM 的主要方法。 表 11.1 几种DEM 创建方法汇总i,要想快速的获取大范围的DEM 数据，卫星遥感是一种较好的方法。随着卫星传感器的 飞速发展，获取的 DEM 精度越来越高。如目前商业卫星最高分辨率的 0.41 米 GeoEye-1， 在使用高质量控制资料时，垂直精度的中误差可达到 0.5 米，可满足 1:5000 的地图比例尺生 产。可以
3、立体成像的卫星主要有 ASTER，ALOS PRISM，CARTOSAT-1，FORMOSAT-2， IKONOS，KOMPSAT-2， OrbView-3， QuickBird，RapidEye， GeoEye-1，WorldView-1/2， SPOT 5/6，Pleiades，以及国产的资源三号、资源一号 02C 星、天绘卫星等。 由于 DEM 描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程 建设、通讯、军事等国民经济和国防建设，以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。例如 在工程建设上，可用于土方量计算、通视分析等；在防洪减灾方面，DEM 是进行水文分析， 包括汇水区
4、分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础；在无线通讯上， 可用于蜂窝电话的基站分析等。DEM 还广泛用于生产地图产品，如等高线地图、正射地图 等。在遥感应用方面，DEM 用于制图、正射校正和土地利用分类；还可用于高速公路和铁 路的规划中。,11.1 地形建模,学 海 无 涯 11.1.1 地形菜单 ENVI5.0 的Topographic （地形）菜单可以对 DEM 数据进行打开、分析和输出等操作。,图 11.1 地形菜单 打开地形文件（Open Topographic File）：可以打开的格式有数字地形高程数据（DTED）、 美国地质勘察数字高程模型（USGS DEM）、空
5、间数据转换标准（SDTS）格式的 USGS 数字高程模型（USGS SDTS DEM）文件以及 Shuttle Radar Topography Mission 即航天 飞机雷达地形测绘的数字高程模型（SRTM DEM）格式ii。 地形建模（Topographic Modeling）：可以从地形数据中计算出一些地形模型，包括坡 度、坡向、凸面和曲率等。 地形特征（Topographic Features）：可以生成一幅分类图像，其中显示河道、山脊、山 峰、沟谷、水平面等。 DEM 扩展模块（DEM Extraction）：它能够简单、快速地从扫描、数字航空影像或者 沿轨道方向、垂直轨道方向的推
6、扫式卫星传感器等影像上创建 DEM。DEM Extraction 模块除了 DEM 自动提取向导外，还包括三个 DEM 工具：DEM 编辑工具（Edit DEM Results）、立体 3D 量测工具（Stereo 3D Measurement）和核线图像 3D 光标工具（Epipolar 3D Cursor）。 使用菜单中的其它地形工具可以进行以下操作：生成山区阴影图像（Create Hill Shade Image）、替换数字高程数据中的坏值（Replace Bad Values）、不规则点栅格化（Rasterize Point Data）、将矢量地形图转化为栅格DEM（Convert C
7、ontours to DEM）及对地形数 据进行 3D 曲面浏览（3D SurfaceView）等。,2,11.1.2 地形建模,使用 Topographic Modeling 选项可以对 DEM 数据进行处理，生成阴影地貌表面；计算 地形模型参数信息，包括：坡度（Slope）、坡向（Aspect）、阴影地貌图像（Shaded Relief）、 剖面曲率（Profile Convexity）、水平曲率（Plan Convexity）、纵向曲率（Longitudinal Convexity）、 横向曲率（Cross Sectional Convexity）、最小曲率（Minimum Convex
8、ity）、最大曲率（Maximum Convexity）及均方根误差（DEM Error）iii。,3,学 海 无 涯 坡度（Slope）：以“度”或者百分比为单位，在水平面上为 0 度； 坡向（Aspect）：以“度”为单位，ENVI 将正北方向的坡向设为 0 度，角度按顺 时针方向增加； 阴影地貌图像（Shaded Relief）：入射角的余弦； 剖面曲率（Profile Convexity）：剖面曲率（与 z 轴所在的平面和坡面相交）度量 坡度沿剖面的变化速率； 水平曲率（Plan Convexity）：（与XY 平面相交）度量坡向沿平面的变化速率； 纵向曲率（Longitudinal
9、Convexity）：（相交于包含坡度法线和坡向方向平面）度 量沿着下降坡面的表面曲率正交性； 横向曲率（Cross Sectional Convexity）：（与包含坡度法线和坡向垂线的平面相交） 度量垂直下降坡面的表面曲率正交性； 最小曲率（Minimum Curvature）：计算得到整体曲率的最小值； 最大曲率（Maximum Curvature）：计算得到整体曲率的最大值； 均方根误差（RMS Error）：表示二次曲面与实际数字高程数据的拟合好坏。 ENVI 地形模型工具使用图像格式的 DEM 文件，而不是原始的USGS 格式的DEM 数 据。例如USGS DEM、USGS SDT
10、S DEM、DTED、SRTM DEM 等格式都需要通过 File Open External fileDigital Elevation 或者 TopographicOpen Topographic File 选择一种格式 打开，ENVI 自动将原始格式的DEM 转换为 ENVI 标准栅格文件。 具体地形建模步骤如下： 在 ENVI 主菜单中，选择 TopographicTopographic Modeling，在弹出的 Topo Model Input DEM 对话框中，选择一个 DEM 文件。打开一个新的 DEM 文件，选择 File Open New File。点击“OK”，打开Top
11、o Model Parameters 对话框（图 11.2）。 在 Topo Model Parameters 对话框中，选择地形核大小（Topographic Kernel Size） 为 5。更改地形核尺寸的目的是为了提取多尺度地形信息，可以使用不同的变化核提取多尺 度地形信息。需要注意的是地形核越大，处理速度越慢。 Select Topographic Measures to Compute 列表中，选择要计算的地形模型信息，本 实验选择了全部。 单 击 Compute Sun Elevation and Azimuth 按 钮 ， 在 Compute Sun Elevation and
12、 Azimuth 对话框中（如图 1l .3），输入日期和时间：GMT 为 16:45:14，Lat（纬度）为 31 度， Lon（经度）为 110 度。单击 OK 按钮，ENVI 将自动计算出太阳高度角和方位角。 选择输出路径及文件名，单击 OK 按钮，执行地形建模。 得到的结果是一个多波段图像文件，每一个地形模型形成一个波段（如图 1l .4）。,学 海 无 涯,图 11.4 地形模型图像,4,学 海 无 涯 三维地形可视化 ENVI 的三维可视化功能可以将DEM 数据以网格结构（wire frame）、规则格网（ruled grid）或点的形式显示出来，或者将一幅图像叠加到DEM 数据上
13、构建简单的三维地形可视 化场景。这两个文件的空间分辨率不必相同。若这两个文件都经过定位，它们的投影也可以 不必相同，ENVI 将在飞行浏览中对 DEM 进行重新投影，使其与图像投影相匹配iv。 三维地形场景的生成步骤如下。 分别将SPOT 数据和DEM 数据文件打开。 在 Toolbox 中，选择 Topographic3D Surface View。选择SPOT 图像文件的 RGB 三个波段，之后在Associated DEM Input File 对话框中选择对应的 DEM 文件（图 11.5）。,图 11.5 Associated DEM Input File 对话框 （3）在 3D S
14、urface View Input Parameters 对话框中（图 11.6），需要设置以下参数： DEM 分辨率（DEM Resolution）：使用较高 DEM 分辨率将会减慢可视化的速度。 可以选择多个不同的DEM 分辨率，在三维场景可视化时根据实际需求来回切换。通常，当 确定最佳飞行路线时，可以选择最低的分辨率（64）；然后，在显示最终三维曲面飞行时， 再选择较高的分辨率。 重采样方法（Resampling）：最邻近重采样（Nearest Neighbor）法和象元聚合重采 样（Aggregate）法。 DEM 最大/最小绘制值范围（DEM min plot value 和DEM
15、max plot value）：可选项。 这些值可从DEM 数据中选取（用来去除背景像素值，或限制DEM 高程范围）。需要注意 的是低于最小值或者高于最大值的 DEM 值将不会绘制在三维场景中。 垂直夸张系数（Vertical Exaggeration）：作用于垂直方向的比例放大系数。值越大， 夸张程度越高。 图像纹理分辨率（Image Resolution）：原始大小（Full）和设定值（Other）。 （4）单击OK 按钮，创建三维场景（图 11.7）。,5,学 海 无 涯,图 11.6 3D Surface View Input Parameters 对话框,图 11.7 三维场景图 （
16、5）在 3D Surface View 窗口中，交互浏览三维场景。 单击鼠标左键，并沿着水平方向拖动鼠标，这将使得三维曲面绕着 Z 轴旋转。点 击鼠标左键，并沿着垂直方向拖动鼠标，这将会使三维曲面绕着X 轴旋转。 单击鼠标中键，并拖动鼠标，可以在相应的方向平移（漫游）图像。 单击鼠标右键，并向右拖动鼠标，可以增大缩放比例系数。点击鼠标右键，并向左 拖动鼠标，可以减小缩放比例系数。,6,11.2 地形特征提取,学 海 无 涯 ENVI 能够从DEM 中提取地形特征，包括山峰（Peak）、山脊（Ridge）、平原（Pass）、 水平面（Plane）、山沟（Channel）和沟谷（Pit）。 提取地形特征的具体操作如下： （1）在 ENVI 主菜单中，选择 TopographicTopographic Features；在弹出的 Topographic Feature Input DEM 对话框中，选择DEM 文件，点击OK 按钮。打开Topographic Features Parameters 对话框（图 11.8）。,图 11.8 Topographic Feature
