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1、数字高程模型,一、DEM概述 二、DEM建立 1、DEM的数据获取 2、DEM的建立方法 三、DEM应用,一、概述：DEM定义,DEM，(Digital Elevation Models)，是国家基础空间数据的重要组成部分，它表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合，数学表达为：z=f(x，y)。 DTM：当z为其它二维表面上连续变化的地理特征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其他地面诸特征，此时的DEM成为DTM(Digital Terrain Models)。,概述：DEM 与 DTM的区分,数字高程模型(Digital Elevation Mo
2、del，DEM)：研究地面起伏。 数字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)：含有地面起伏和属性(如坡度、坡向等)两个含义，是DEM的进一步分析。,概述：DEM的表示方法,使用三维函数模拟复杂曲面； 将一个完整曲面分解成方格网或面积上大体相等的不规则格网，每个格网中有一个点的观测值，即为格网值； 适用于曲面插值来表示地下水或土壤的特性；,概述：DEM的线模式表示,描述高程曲线的等高线； 数字化现有等高线地图产生的DEM比直接利用航空摄影测量方法产生的DEM质量要差； 数字化的等高线对于计算坡度或生成着色地形图不十分适用。,概述：等高线模式,等高线通常被存储成一个有序的坐
3、标点序列，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。由于等高线模型只是表达了区域的部分高程值，往往需要一种插值方法来计算落在等高线以外的其他点的高程，又因为这些点是落在两条等高线包围的区域内，所以，通常只要使用外包的两条等高线的高程进行插值。,概述：DEM的点模式表示,高程矩阵(规则矩形格网)，与栅格地图相同。 表示方法：将区域划分成网格，记录每个网格的高程； 线模型到高程矩阵的转换。 优点：计算机处理以栅格为基础的矩阵很方便，使高程矩阵成为最常见的DEM； 缺点：在平坦地区出现大量数据冗余；若不改变格网大小，就不能适应不同的地形条件；在视线计算中过分依赖格网轴线。,概述：GRID
4、模式,规则格网法是把DEM表示成高程矩阵，此时，DEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据点内插产生。 结构简单，计算机对矩阵的处理比较方便，高程矩阵已成为DEM最通用的形式。高程矩阵特别有利于各种应用。,概述：GRID模式的缺点,Grid系统有下列缺点： 1、地形简单的地区存在大量冗余数据； 2、如不改变格网大小,则无法适用于起伏程度不同的地区； 3、对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大； 4、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、山脊等；,概述：不规则三角网(TIN),不规则三角网(TIN)表示法克服了高程矩阵中冗余数据的问题，而且能更加有效地
5、用于各类以DTM为基础的计算。但其结构复杂。,TIN（Triangulated Irregular Network)表示法利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点(各三角形的顶点)连接成相互连续的三角面(在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等Delaunay)。 因为TIN可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和线，从而减少了地形较平坦地区的数据冗余。,概述：TIN的三角剖分,概述：TIN模型的存储方式,概述：TIN模型的表现,概述：TIN小结,表示方法：将区域划分为相邻的三角面网络，区域中任意点都将落在三角面顶点
6、、线或三角形内。落在顶点上其高程与顶点相同；落在线上则由两个顶点线性插值得到；落在三角形内则由三个顶点插值得到。 生成方法：由不规则点、矩形格网或等高线转换而得到。 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。 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、坡向等的计算。,概述：建立DEM的目的,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规划与设计； 3）为军事目的而进行的三维显示； 4）景观设计与城市规划； 5）流水线分析、可视性分析； 6）交通路线的规划与大坝选址； 7）不同地表的统计分析与比较； 8）生成坡度
7、图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等； 9）作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，以进行显示与分析； 10）与GIS联合进行空间分析； 11）虚拟现实(Virtual Reality)； 此外，从DEM还能派生以下主要产品：平面等高线图、立体等高线图、等坡度图、晕渲图、通视图、纵横断面图、三维立体透视图、三维立体彩色图等。,二、DEM数据来源,数据源来源： （1）航空或航天遥感图像为数据源 （2）以地形图为数据源 （3）以地面实测记录为数据源 （4）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决定DEM的精度。,DEM数据采集,数字摄影测量：利
8、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)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。,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
9、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。,DEM的生成,方法： 1、人工格网法 2、三角网法 3、立体像对法 4、曲面拟合法 5、等值线插值法,人工格网法,在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点或交点的高程值。,三角网法,对有限个离散点，每三个邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可计算各格网点高程，生成DEM。,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TIN,当已知三角形的两个顶点后，利用余弦定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
10、三角形的第三顶点。,将原始数据分块,检索所处理三角形邻近点,C1,C2,C3,确定第一个三角形,则C为该三角形第三顶点,A,B,构网示意图,与A点距离最近的点,哪个内角最大,A,B,C1,C2,C3,三角形的扩展,对每一个已生成的三角形的新增加的两边，按角度最大的原则向外进行扩展，并进行是否重复的检测。,向外扩展的处理：若从顶点为P1(X1,Y1), P2(X2,Y2), P3(X3,Y3)的三角形之P1P2边向外扩展，应取位于直线P1P2与P3异侧的点,异则判断,p3,p2,若备选点P之坐标为（X，Y）,重复与交叉的检测：任意一边最多只能是两个三角形的公共边。,p1,立体像对法,资料来源于张
11、超主编的地理信息系统教程所配光盘,曲面拟合法,根据有限个离散点的高程，采用多项式或样条函数求得拟合公式，再逐个计算各点的高程，得到拟合的DEM。可反映总的地势，但局部误差较大。可分为： 整体拟合：根据研究区域内所有采样点的观测值建立趋势面模型。特点是不能反映内插区域内的局部特征。 局部拟合：利用邻近的数据点估计未知点的值，能反映局部特征。,等高线插值法,三、DEM的应用,1、基于DEM的信息提取 2、等高线的绘制 3、基于DEM的可视化分析,1、三维景观 2、数码城市和虚拟现实 3、DEM在工程上的应用,概述应用：,应用算法：,三维景观,数码城市和虚拟现实,DOM,DEM,DLG,Attrib
12、ute RDB,数码深圳,3D 建筑,DEM+DOM+DLG,交通行业：数字公路,（交通部公路勘测设计院）,DEM的土石方计算,立体计算线路挖土、石方量,坡度的计算,P,O,Q,R,S,又：,所以：,坡向角的计算,坡向 QO与X轴之夹角T为坡向角,坡度图和坡向图的制作,通常用3*3的格网窗口在DEM数据矩阵中连续移动计算完成。,等高线的绘制,在格网DEM上自动绘制等高线主要包括两个步骤： 1、等高线追踪，利用DEM矩形格网点的高程内插出格网边上的等高线点，并将这些等高线点排序； 2、等高线光滑，进一步加密等高线点并绘制光滑曲线。,剖面分析,1）意义： 常常可以以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓
13、形状、地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。 如果在地形剖面上叠加其它地理变量，例如坡度、土壤、植被、土地利用现状等，可以提供土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据。 2）绘制,可在格网DEM或三角网DEM上进行。 已知两点的坐标A(x1，y1)，B(x2，y2)，则可求出两点连线与格网或三角网的交点，并内插交点上的高程，以及各交点之间的距离。然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图。 剖面图不一定必须沿直线绘制，也可沿一条曲线绘制。,基于DEM的可视化分析,通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。 方法： a、以O为观察点，对格网DEM或三角
14、网DEM上的每个点判断通视与否，通视赋值为1，不通视赋值为0。由此可形成属性值为0和1的格网或三角网。对此以0.5为值追踪等值线，即得到以O为观察点的通视图。 b、以观察点O为轴，以一定的方位角间隔算出0360的所有方位线上的通视情况。对于每条方位线，通视的地方绘线，不通视的地方断开，或相反。这样可得出射线状的通视图。,a）倾角法 格网DEM为例，O(xo，yo，zo)为观察点，P(xp,yp,zp)为某一格网点，OP与格网的交点为A、B、C。 OP的倾角为 观察点与各交点的倾角为i (iA,B,C) 若tgmax(tgi , iA、B、C)，则OP通视 否则，不通视。,两点是否可见的算法,b) 剖面图 两点连线是否与剖面相交。,A,B,A,
