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1、-第11章 地形分析数字高程模型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
2、，如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集，然后通过插生成DEM等方法。DEM的插方法很多，常用的有整体插、分块插和逐点插三种。下表比照了几种创立DEM的主要方法。表11.1 几种DEM创立方法汇总 【遥感专题系列】影像信息提取之DEM提取EB/OL. blog.sina./s/blog_764b1e9d01017lty.html.方法优点缺点航空摄影测量成熟的方法，精度高，可获取大比例尺DEM。本钱高，周期长，且受航空管制。高程点或者等高线差值本钱低，操作简单。受数据源限制大，很多地区无高程点或等高线数据。卫星遥感可以大围获取DEM。受天气影响较大，目前可获取的比例尺较小。干预雷达技
3、术可以大围获取DEM，不受天气影响。目前获取大比例尺DEM较困难，随着德国高分辨率雷达卫星TanDEM-*的上天会有所突破。激光雷达技术精度高，可获取大比例尺DEM。起步阶段，技术门槛高。 要想快速的获取大围的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开展，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到达0.5米，可满足1:5000的地图比例尺生产。可以立体成像的卫星主要有ASTER，ALOSPRISM，CARTOSAT-1，FORMOSAT-2，IKONOS，KOMPSAT-2，OrbView-3，
4、QuickBird，RapidEye，GeoEye-1，WorldView-1/2，SPOT5/6，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、工程建立、通讯、军事等国民经济和国防建立，以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。例如在工程建立上，可用于土方量计算、通视分析等；在防洪减灾方面，DEM是进展水文分析，包括汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的根底；在无线通讯上，可用于蜂窝的基站分析等。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、
5、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11.1.1 地形菜单ENVI5.0的Topographic 地形菜单可以对DEM数据进展翻开、分析和输出等操作。图11.1 地形菜单 翻开地形文件Open Topographic File：可以翻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 ShuttleRadarTopographyMission即航天飞机雷达地形测绘的数字高程模型SRTM DEM格式 星图环宇科技*. ENVI遥感影像处理实用手
6、册M. 2005：496.。 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 E*traction：它能够简单、快速地从扫描、数字航空影像或者沿轨道方向、垂直轨道方向的推扫式卫星传感器等影像上创立DEM。DEM E*traction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
7、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展以下操作：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DEMConvert Contours to DEM及对地形数据进展3D曲面浏览3D SurfaceView等。11.1.2 地形建模使用Topographic Modeling 选项可以对DEM数据进展处理，生成阴影地貌外表；计算地形模型参数信息，包括：坡度Slope、坡向Aspect、阴影
8、地貌图像Shaded Relief、剖面曲率Profile Conve*ity、水平曲率Plan Conve*ity、纵向曲率Longitudinal Conve*ity、横向曲率Cross Sectional Conve*ity、最小曲率Minimum Conve*ity、最大曲率Ma*imum Conve*ity及均方根误差DEM Error 邓书斌. ENVI遥感图像处理方法M. ：科学，2011：248.。 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 Reli
9、ef：入射角的余弦； 剖面曲率Profile Conve*ity：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 Conve*ity：与*Y平面相交度量坡向沿平面的变化速率； 纵向曲率Longitudinal Conve*ity：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外表曲率正交性； 横向曲率Cross Sectional Conve*ity：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外表曲率正交性； 最小曲率Minimum Curvature：计算得到整体曲率的最小值； 最大曲率Ma*imum Curvature：计算得到整体曲率的最大值
10、； 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 SDTS DEM、DTED、SRTM DEM等格式都需要通过FileOpen E*ternal fileDigital Elevation或者TopographicOpen Topographic File选择一种格式翻开，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：1在ENVI主菜单中，选择TopographicTopographic Modeling，在弹出的Top
11、o Model Input DEM对话框中，选择一个DEM文件。翻开一个新的DEM文件，选择File OpenNew File。点击OK，翻开Topo Model Parameters对话框图11.2。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。3Select Topographic Measures to pute列表中，选择要计算的地形模型信息，本实验选择了全部。4单击pute Sun El
12、evation and Azimuth按钮，在pute Sun Elevation and 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。5选择输出路径及文件名，单击OK按钮，执行地形建模。6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。图11.2 Topo Model Parameters对话框图11.3 pute Sun Elevation and Azimuth对话框图11.4 地形模型图像11.1.3 三维地形可视化ENVI的三维
13、可视化功能可以将DEM数据以网格构造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一样。假设这两个文件都经过定位，它们的投影也可以不必一样，ENVI 将在飞行浏览中对DEM 进展重新投影，使其与图像投影相匹配 【ENVI入门系列】20.地形分析与可视化EB/OL. ：/blog.sina./s/blog_764b1e9d0102v57k.html.。三维地形场景的生成步骤如下。1分别将SPOT数据和DEM数据文件翻开。2在Toolbo*中，选择Topographic3D Surfac
14、e 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 Surface 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，当确定最正确飞行路线时，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
15、Resampling：最邻近重采样Nearest Neighbor法和象元聚合重采样Aggregate法。 DEM最大/最小绘制值围DEM min plot value和DEM ma* 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。 垂直夸系数Vertical E*aggeration：作用于垂直方向的比例放大系数。值越大，夸程度越高。 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，创立三维场景图11.7。图11.6 3D Surface View Input Parameters对话框图11.7 三维场景图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
