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1、地理信息系统基础与实践 Geographical Information System Theory and Practice 第六章 数字高程模型与地形分析旅游与地理学院陈世发Date1韶关学院旅游与地理学院 陈世发一、DTM与DEM的概念nDTM数字地形模型的缩写（Digital Terrain Model）。nDEM数字高程模型的缩写（Digital Elevation Model）。n应该说DEM是DTM的子集。 二、DEM的主要用途 （1）作为国家地理信息的基础数据。 （2）土木工程、景观建筑与矿山工程的规划与设计。 （3）为国防军事目的需要(如：军事模拟等) 。 （4）景观设计与城
2、市规划。 （5）流水线分析、洪涝水淹分析 、可视性分析。 （6）交通路线的规划与大坝的选址。 （7）不同地表的统计分析与比较，估计侵蚀和径流等。 （8）生成坡度图、坡向图、剖面图，辅助地貌分析。 （9）作为背景叠加各种专题信息，制作专题地图。我国现在强调4D产品建设。即：数字线划图（ DLG)；数字高程模型(DEM)；数字正射影像 (DOQ)；数字栅格图(DRG)。并以前3D作为国 家空间数据基础设施的框架数据Date2韶关学院旅游与地理学院 陈世发三、DTM的表示方法 1、数学分块曲面表示法n首先地表按地形复杂程度分块。n然后根据分块的高程数据，用傅立叶级数拟合（任何周期 函数都可以用正弦函
3、数和余弦函数构成的无穷级数来表示 ）。n函数表示的DTM不太适合于制图，但广泛用于复杂表面模 拟的系统。 2、规则格网表示法（栅格法） （1）表达方法将地面高程按栅格行列表达为高程矩阵。 DTMHi j, （ i=1，2， m； j1，2， n ） （2）网格形式：n正方形网格n圆锥形网格n等边三角形网格为所在网格中心点的高程 为格网范围的高程平均值Date3韶关学院旅游与地理学院 陈世发2、规则格网表示法（栅格法） （1）表达方法（2）网格形式 （3）主要优缺点：n计算机处理很方便，特别是栅格数据结构的叠加。n可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提 取流域地形，成为DEM最广泛使
4、用的格式。n地形简单的地区存在大量冗余数据；n如不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同的地区；n由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征（如山 峰、洼坑、山脊、山谷等）。目前许多国家提供的DEM数据都是以规 则格网的数据矩阵形式提供的。为了压缩栅格DTM的冗 余数据，可采用游程编 码或四叉树编码方法Date4韶关学院旅游与地理学院 陈世发三、DTM的表示方法 3、等高线表示法：n等高线通常是矢量曲线（扫描地图是栅格数据）。n等高线的集合和它们的高程值一起构成地面高程模型n等高线用二维的链表和等高线的拓扑关系进行存储（等高 线之间的区域为图的节点，边为等高线n等高线的拓扑关系和自由树：Da
5、te5韶关学院旅游与地理学院 陈世发4、不规则三角网（TIN）表示法： （1）TIN创立TIN是为了减少高程数据冗余而创立。 （2）TIN原理用不规则三角形拟合地形：n地形简单（曲率小）拟合三角形大（数据少）；n地形复杂（曲率大）拟合三角形小（数据多） ； （3）TIN数据结构n角顶点文件点号、点的三维坐标（X,T,Z）。n三角形文件三角形号、顶点号、邻接三角形号。Date6韶关学院旅游与地理学院 陈世发不规则三角网(TIN) n 表示方法：将区域划分为相邻的三角面网络，区域中任 意点落在三角面顶点、线或三角形内，落在顶点其高程与 顶点相同，落在线上则由两个顶点线性插值得到，落在三 角形内则由
6、三个顶点插值得到。 n n不规则三角网方法不规则三角网方法(TIN)(TIN)：对有限个离散点，每：对有限个离散点，每三个最邻三个最邻 近点联结成三角形近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根每个三角形代表一个局部平面，再根 据每个平面方程，可计算各网格点高程，生成据每个平面方程，可计算各网格点高程，生成DEMDEM。 n 生成方法：由不规则点、矩形格网或等高线转换而得到 n TIN允许在地形复杂地区收集较多的信息，而在简单的 地区收集少量信息，避免数据冗余。 n 对于某些类型的运算比建立在数字等高线基础上的系统 更有效，如坡度、坡向等。Date7韶关学院旅游与地理学院 陈世发nTI
7、N存储方式：6 638388 837379 9: : :8 81 17 73 36 69 95 55 54 44 43 33 32 22 21 1NoNo8 87 76 61111：: :1 15 54 43 34 43 31 12 23 32 21 11 1P3P3P2P2P1P1NoNo坐标与高程值表三角 形表363681.081.090.090.010.010.01010: : : : : :8 862.662.623.923.967.267.23 35 567.367.310.010.050.750.72 21 143.543.510.010.090.090.01 1P PZ ZY Y
8、X XNoNo129758103 641763 245981110Date8韶关学院旅游与地理学院 陈世发优点：优点： 采用不规则三角网采用不规则三角网减少网格方法的数据冗余减少网格方法的数据冗余。 采用不规则三角网可根据情况采用不规则三角网可根据情况减少野外作业量减少野外作业量。相对平。相对平 坦的地方采集点少坦的地方采集点少, ,地形变化剧烈的地方采集点多地形变化剧烈的地方采集点多. .构三角网的要求：构三角网的要求：应尽可能保证每个三角形是锐角三角 形或三边的长度近似相等，避免出现过大的钝角和过小 的锐角。 角度判断法建立角度判断法建立TINTIN：当已知三角形的两个顶点后，利 用余弦定
9、理计算备选第三顶点的三角形内角的大小，选 择最大者对应的点为该三角形的第三顶点。 Date9韶关学院旅游与地理学院 陈世发不规则点集生成TIN泰森多边形分析泰森多边形分析 ：又叫：又叫DirichletDirichlet图（图（ 狄利克雷）狄利克雷） 荷兰气候学家A.H.Thiessen提出了一 种根据离散分布的气象站的降雨量来 计算平均降雨量的方法。点点连成连成 三角形三角形连线中点作垂线连线中点作垂线生成生成 泰森多边形。泰森多边形。 计算求得每个点的邻近范围的多边形计算求得每个点的邻近范围的多边形 。 总降雨量总降雨量= =点（上观察到的降雨密度点（上观察到的降雨密度 ）* *Thies
10、ssenThiesssen多边形面积多边形面积n如图所示，用这个多边形内所包含 的一个唯一的气象站的降雨强度来代 表这个多边形区域的降雨强度，并称 这个多边形为泰森多边形。 泰森多边形分析Date10韶关学院旅游与地理学院 陈世发泰森多边形算法思路（1）用样本点连成三角形，尽量生成锐角三角形，即样 本点之间最近样本点的连线（2）对每个三角形作外心（3）相邻三角形外心的连线或三角形边垂直平分线与图 廓线构成泰森多边形Date11韶关学院旅游与地理学院 陈世发泰森多边形与Delauney三角形nDelaunay（德劳内）三 角形是泰森图的偶图nDelaunay三角形是由与 相邻泰森多边形共享一 条
11、边的相关点连接而成 的三角形。nDelaunay三角形的外接 圆圆心是与三角形相关 的泰森多边形的一个顶 点。Date12韶关学院旅游与地理学院 陈世发三、DTM的表示方法 4、层次地形模型：n是一种表达多种不同精度水平的数字高程模型，基于不 规则三角网模型。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型。n层次地形模型在实际运用中必须注意几个重要的问题：n层次地形模型的存储问题n自动搜索的效率问题n三角网形状的优化问题n模型可能允许根据地形的复杂程度采用不同详细层次的 混合模型n在表达地貌特征方面应该一致Date13韶关学院旅游与地理学院 陈世发四、DEM数据来源 数据源来源：（
12、数据源来源：（1 1）航空或航天遥感图像为数据源）航空或航天遥感图像为数据源 （2 2）以地形图为数据源）以地形图为数据源 （3 3）以地面实测记录为数据源）以地面实测记录为数据源 （4 4）其它数据源）其它数据源 数据源决定采集方法。数据点的采集密度和采点的选择数据源决定采集方法。数据点的采集密度和采点的选择 决定决定DEMDEM的精度。的精度。 DEMDEM数据采集：数据采集：数字摄影测量：利用带自动记录装置的立体 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、半自动或全自动的量测。其原理是在摄影图的基础上利 用测图仪进行测量。 现有地图数字化：对已有地图上的信息(如等高线
13、)进行数字化 。 地面测量：利用自动记录的测距经纬仪在野外实地测量。 空间传感器：利用GPS，结合雷达和激光测高仪采集数据。Date14韶关学院旅游与地理学院 陈世发数字摄影测量采样点的选取：数字摄影测量采样点的选取：沿等高线采样：主要用于山区采样。 规则网格采样：按规则矩形网格进行采样，可直接生成规则矩形格网的DEM数据。渐进采样：根据地形使采样点合理分布，即平坦地区采样点少，地形复杂区采样点多。 选择采样：根据地形特征进行采样，如沿山脊线、山谷线等进行采集。 混合采样。注意：所有采集的数据都要按一定的 空间插值方法转换成点模式格式数据 。Date15韶关学院旅游与地理学院 陈世发五、DTM
14、在地图制图中的应用 1、利用栅格DEM绘制等高线图n方法是以格网点高程数据，由栅格追踪法原理转换为 矢量高程等值线。 2、利用DEM绘制地面晕渲图n方法设定太阳高度角和方向，系统便生成具有立体感 的地形晕渲图。 3、利用DEM绘制透视立体图n制作透视立体图的基本流程：5050404030302020插插 图图建立透视变换基础DEM高程阵列剖面布设消除隐藏线处理粘贴表面影象与纹理插插 图图晕渲图通过模拟实际地面本影 与落影的方法反映实际地形起伏 特征的一种重要的地形图 Date16韶关学院旅游与地理学院 陈世发六、DTM在地学分析中的应用 1、DTM的地形分析(1) 坡度和坡向分析又所以：(0,
15、0(0,0) )(1,1(1,1) )(1,0(1,0) )Z Z1010Z Z1111Z Z0101P POOQQR RZ Z0000(0,1(0,1) ) 从南点从南点( (S S) )起算；若从北点起算；若从北点 起算，起算， 还须加上还须加上180180S SDate17韶关学院旅游与地理学院 陈世发67.567.5295.5295.5112.5112.5NENENWNWSWSWSESES SE EWW337.5337.522.522.5平缓坡的坡向定义平缓坡的坡向定义统 称坡 向范围(度)代 码 阴 坡N337.522.54 NE22.567.5NW295.5337.5半 阳 坡E6
16、7.5112.53 W247.5295.5阳 坡S157.5202.52 SE112.5157.5SW202.5252.5平 缓 坡1247.5247.5202.5202.5157.5157.5阴坡阴坡阳坡阳坡半阳坡半阳坡半阳坡半阳坡Date18韶关学院旅游与地理学院 陈世发用用ARC/VIEWARC/VIEW提取地面坡度图示例提取地面坡度图示例 Date19韶关学院旅游与地理学院 陈世发用用ARC/VIEWARC/VIEW提取地面坡向图示例提取地面坡向图示例 Date20韶关学院旅游与地理学院 陈世发七、DTM在地学分析中的应用 1、DTM的地形分析（1）坡度和坡向分析（2）地表粗糙度D的计算n定义1在宏观上地表单元的曲面面积与其在水平
