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1、第七章 数字地面模型及其应用,7.1 数字地面模型的概念 7.2 DEM常用数据模型 7.3 DTM数据的采集 7.4 DEM模型的建立 7.5 地形三维可视化 7.6 DTM的应用,7.1 数字地面模型的概念,地理空间实质是三维的，只是人们通常在二维地理空间上描述和分析空间的分布。如专题图大多数是平面图。 DTM模型（Digital Terrain Model) 于50年代由MIT摄影测量实验室提出，是用数字形式描述地形表面的模型。实质上这是对地面形态和属性信息的数字表达。 当DTM模型中数字属性为高程时称数字高程模型，即DEM模型（ Digital Elevation Model)。DEM
2、模型是DTM模型的一种特例。从测绘的角度看，DEM模型是新一代的地形图，它通过存储在介质上的大量地面点空间数据和地形属性数据，以数字形式来描述地形地貌。,7.2 DEM的常用数据模型,一、规则格网（grid)模型 1、模型的表示 Z11 Z12 Z13 Z1n DTM = Z21 Z22 Z23 Z2n ZM1 ZM2 ZM3 ZMn 平面上的任意一点Zij的坐标为x i yi，其中 x i=x0 +i dx yi = y0 +j dy dx,dy 分别是格网在x和y方向上的间隔； nx, ny分别为x 和y方向上的格网数； i=0, 1, 2 nx - 1; j= 0, 1 , 2 ny -
3、 1 ;,2、格网的含义,用规则采样点，或把不用规则采样点内插成规则点，以矩阵形式来表地面形状。它已成为栅格数据结构中DTM的通用形式。,3、格网的生成,内插方法： 1）距离加权法 2）双线性插值法 3）趋势面插值法 4）样条插值法 5）克吕格插值法,4、规则格网模型的优缺点,优点 1）数据结构简单，算法实现容易。 2）容易计算等高线、坡度、坡向、自动提取地域地形等。,缺点 1）数据量大； 2）对不同地形采用一律平等的规则格网，不利于表示复杂地形。,二、不规则三角网 (Triangulated Irregular Network TIN）模型,1、模型的表示 点文件 三角形文件 点号 坐标点
4、三角形号 顶点 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 T7
5、 T8,N1,N6,N2,N8,N7,N 3,N4,N5,2、不规则三角网规则的生成,3、不规则三角网规则格网模型的优缺点,不规则三角网 模型的优点： 1）克服栅格数据中的数据允余问题 2）可充分表示复杂的地形特征，它能适应起伏不同的地形，用大量三角形地面形态效率高，数据精度高。 不规则三角网 模型的缺点： 1）算法实现复杂，由于形成三角网 方法不同有不同算法 2）对特殊的地形线要调整,7.3 DTM数据的采集,1、DTM数据源的种类 1）航空航天遥感影像为数据源 2）以地形图为数据源 3）以地面实測记录为数据源 4）其它数据源,2、DTM数据源的采集,1）数据采集的方法 2）数据采集的原则,
6、3、数据采集的后处理,采集的DEM数据必需进行后处理方可应用，后处理包括： 1）格式转换 2）坐标转换 3）数据编辑处理 4 ) 数据分块,4、数据密加的增加和插值,数据加密和插值的核心问题是确定内插方法，任何一种内插方法都是基于原始函数光滑性，也就是说认为临近数据点之间存在很大的相关性。,7.4 DTM模型的建立,这里举例说明用地形图生成格网DEM,扫描仪扫入地形图 预处理获得二值等值线 细化二值等高线图 跟踪赋值高程值 插值生成DTM数据 显示三维地面模型,7.5 DTM模型的可视性化,在GIS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。以充分直观的表示空间
7、数据处理分析的结果。因此，从某种意义上说GIS的可视化研究早于科学计算可视化的研究。,一、地形三维显示的步骤,1、获取地形数据 2、生成数据高程模型 3、进行可视化处理 4、进行三维显示,二、 GIS可视化研究的几个技术,地形三维可视化的主要内容： 1）建立数字高程模型； 2）图形的投影变换技术； 3）图形的消隐技术和裁剪技术； 4）光照模型和彩色合成技术。,三、地形三维显示的方式,1、线框法 通过物体的三维边缘框架来表示物体的几何形状。即将地物表面按一定间隔获取数据点，连成折线或曲线，经投影变换后显示。,2、表面法,线框法用地物的边线来显示表面形状。 表面法将整个数据模型看作一个大的复杂空间
8、曲面，来显示地物表面形状。具体安排时将表面分成很多格网以此为面元，作为基本单元进行处理。面元具有各自的属性可独立进行填充消阴显示。 3、体素法 体素法具有真正意义上的三维显示，它将空间物体分成很多的体元素，如长方体、台面体，作为基本单元进行处理。体元具有真三唯特性。,四、地形的三维叠置技术,1）点要素和三维地形的叠置 2）线要素和三维地形的叠置 3）面要素和三维地形的叠置,五、DTM模型的可视化分析,1、通视性分析 两点之间的通视性（intervisibility)指在A点是否能看到B点。常用的方法： 1）剖面线分析法 2）射线追踪分析法,A,B,A B,2、可视域分析,7.6 DTM模型的应
9、用,一、 DTM模型在地图制图中的应用,二、 DTM模型在地形分析中的应用,1、用DTM模型定义坡度和坡向 坡度定义为地形表面和水平面之间夹角的正切值； 坡向定义为地形表面法线在水平面上的投影与正北方向之间夹角。,阴 阴 半阴 半阴 半阳 半阳 阳 阳,坡度的定义 坡向的定义,坡度角,法线 地面,2、用DTM模型计算坡度和坡向,坡度和坡向的计算通常使用3*3的窗口，将其在DEM高程矩阵中连续移动，从而完成整幅图的计算 Z 2 Z 2 x y Z Z i,j+1 - Z i,j-1 x = 2 x Z Z i+1,j - Z i-1,j y = 2 y x y 分别是格网在x方向和y方向上间隔
10、坡向 Dir= -Z y,坡度=tg =,i-1 j-1 i-1,j i-1,j+1,i+1 j-1 i+1,j i+1,j+1,i j-1 i,j i,j+1,Z / x =tgA - A ,3、山谷山脊特性的分析,1）谷点 满足下面4个条件 ( Zi,j-1 - Zi,j )* ( Zi,j+1 - Zi,j) 0 AND ( Zi-1,j - Zi,j )* ( Zi+1,j - Zi,j) 0 AND Zi,j+1 Zi,j AND Zi+1,j Zi,j 2) 脊点 满足下面4个条件 ( Zi,j-1 - Zi,j )* ( Zi,j+1 - Zi,j) 0 AND ( Zi,j-1
11、 - Zi,j )* ( Zi+1,j - Zi,j) 0 AND Zi,j+1 Zi,j AND Zi+1,j Zi,j 3) 沟谷密度 D = L/ A 其中A是区域的面积；L是区域内沟谷总长度。 4) 沟谷深度,i,j-1 i,j i,j+1,i-1,j-1 i-1,j i-1,j+1,i+1,j-1 i+1,j i+1,j+1,三、DTM模型的应用例,1、DTM模型在土方计算中的应用 平整高度 填充高度hi , hi,N,i=1,N,h1 h2 h3,2、 DTM模型对地表形态进行自动分类,首先确定用DTM模型对地表形态进行自动分类的决策条件。 如 平地 丘岗 丘陵 低山 中山 绝对高度（H/M） 800 相对高度（ H/M） 200 200 坡度（度） 3,建立DEM模型,自动获取H、 H、M、 坡度、坡向,决策条件,自动分类,3、 淹没模型及淹没边界的计算,1、建立该地区的DTM模型 2、根据DTM模型和洪水量计算淹没高度；或根据实测水位数据在DTM模型上标志淹没边界， Zij = 从而得到新的图形。 、将该地区的土地利用图同淹没边界图叠合找出Zij的各类土地，得到土地淹没区图和土地未淹没区图。 、统计出淹没带来申失。,1 当Zij HZ 淹没 0 当Zij HZ 未淹没,
