数字高程模型(共12页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上第一章1.DTM.Digital Terrain Model 的简称，它是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列。DEM.Digital Elevation Model的简称，当DTM中所表示的第三维属性为高程时，DTM即为DEM，它是DTM的一个子集，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。其间关系.DEM是DTM子集，是DTM的一个部分，它是DTM的基础数据，其它的地形数据可由DEM直接或间接导出，因此又称DTM是DEM的派生数据。2.数字高程模型特点.1）精度的恒定性;2）表达的多样性;3）更新的实时性;4）尺度的综合性。3. DEM的表示方法4.数字

2、高程模型的研究内容.1)地形数据采样;2)地形建模与内插;3)数据组织与管理;4)地形分析与地学应用;5）DEM可视化;6)不确定分析和表达。5.DEM的应用.课本P19。第二章1.规则镶嵌数据模型.用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。不规则镶嵌数据模型.用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界。2.规则格网DEM数据结构(五种)1)简单矩阵结构.按行或列逐一记录每一个格网单元的高程值。规则格网DEM数据文件一般包括对DEM数据进行说明的数据头和DEM数据体部分。数据头：包括定义西南角起点坐标、坐标类型、格网间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等。数据体：按行或列分布记录的高程数

3、字阵列。2)行程编码结构.只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数或着逐个记录各行（列）代码发生变化的位置和相应代码。3)块状编码结构.采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干个栅格，数据结构由初始位置(行、列号)和半径，再加上记录单元的代码组成。4)链码（chain codes，弗里曼编码）.以多边形的边界为基本单元编码，它是由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢量矩阵。基本方向可定义为：东 =0，东南=1，南=2，西南=3，西=4，西北=5，北=6，东北=7。5)四叉树编码.将一幅栅格地图或图像等分为四部分，逐块检查其格网属性值，如果某个子区

4、的所有格网值都具有相同的值，则这个子区就不再继续分割，否则还需将该子区再分割成四个子区，这样依次地分割，直至每个子区都具有相同的属性值或灰度值为止。3.不规则三角网DEM数据结构（TIN）1)链表结构.结构简单，但三角形结构元素的拓扑关系却是隐含的，不利于TIN模型的检索和应用。2)TIN的面结构.由于存储了三角形之间的邻接关系，TIN内插、检索、等高线提取、显示以及局部结构分析都比较方便;不足之处是存储量较大，而且在TIN的编辑中要随时维护这种关系。3)TIN点结构.存储量小，编辑方便，但三角形及其邻接关系需实时再生成，计算量比较大，不利于TIN的快速检索和显示。4)TIN的点面结构 存储量

5、与面结构大致相当，编辑、显示比较方便，但由于三角形之间的关系是隐式的，检索与内插效率不太高。5)TIN边结构.存储量比较小，非常适合等高线的提取，但编辑、内插以及检索不太方便。6)TIN的边面结构.是所有结构中存储量最大的，虽然在检索、等高线提取等方便比较方便，但不利于动态更新和维护。4.规则格网与不规则三角网数据结构的优缺点： 规则格网DEM 不规则三角网TIN优点： 简单的数据存储结构； 较少的点可获取较高的精度； 与遥感影像数据的复合性； 可变分辨率； 良好的表面分析功能 良好的拓扑结构 缺点： 计算效率较低； 表面分析能力较差； 数据冗余； 构建比较费时； 格网结构规则 算法设计比较复

6、杂 5.规则格网与不规则三角网各自优缺点：规则格网-优点：存储量小，结构简单，操作方便，因而非常适合于大规模的使用与管理。缺点：对于复杂的地形地貌特征，难于确定合适的格网大小。 不规则三角网-优点：能较好的顾及地貌特征点、线，逼真地表示复杂地形起伏特征，并能克服地形起伏变化不大的地区产生冗余数据的问题。缺点：数据量大，数据结构复杂且难以建立，TIN一般只适宜于小范围大比例尺高精度的地形建模。6.细节层次LOD.将描述同一对象的一系列不同分辨率和质量的矢量数据模型预先创建并保存在数据库中，对于栅格数据，即是多分辨率的影像影像金字塔。第三章1.DEM数据源及其特点：1）地形图.主要通过等高线来表达

7、地物高度和地形起伏。由于地形图数据覆盖范围广、比例尺系列齐全、获取较为经济等特点成为目前DEM的主要数据源。但目前地形图存在以下3大问题：地形图现势性、地形图存储介质、地形图精度。2）摄影测量/遥感影像数据.遥感影像更新速度快可达到实时性要求，精度高，范围大，应注意解决以下4个问题：遥感影像的几何畸变、遥感数据的增强处理、遥感影像数据的空间分辨率、遥感影像数据的解译和判读。3）地面测量数据.获取的数据精度高，但其工作量大，周期长、效率低、更新困难，费用较高，一般不适合大规模的数据采集。4）既有DEM数据.在应用时要考虑自身的研究目的以及DEM分辨率、存储格式、数据精度和可信度等因素。2.采样数

8、据的三大属性：1)数据分布.采样数据的分布通常由数据位置和结构来确定。位置由地理坐标系中的经纬度或格网坐标系统中的东北向坐标决定。结构分为规则和不规则。2)采样密度.指采样数据的密集程度，它与研究区域的地貌类型和地形复杂程度有关。可由几种方式指定，如相邻两点之间的距离、单元面积内的点数、截止频率等。3)数据精度.采样数据精度与数据源、数据的采集方法和数据采集的仪器密切相关。一般来讲，各种数据源的精度从高到低是野外测量、影像、地形图扫描。3.原始数据粗差检测与剔除.1）基于趋势面的粗差检测与处理.基本思想-地形表面变化符合一定的自然趋势，表现为连续空间的渐变模型，可用光滑的曲面来描述。趋势面表达

9、了地形的宏观变化趋势，当某一采样点的观测值和趋势面计算值相差较大时，该点可能含有粗差。因此趋势面分析的一个典型应用是揭示区域中不同于总趋势的最大偏离部分。2）基于坡度信息的规则格网分布数据粗差探测技术.基本思想：在局部连续空间的渐变模型上，坡度变化也是连续的，因此可采用采样点与周围点的坡度变化是否一致来检测采样点是否含有粗差。第四章1.DEM的表面建模应考虑的两大特征.自相关性和各向异性.2.DEM数字建模的各种方法.1)基于点的建模.方法简单,但难以确定相邻点间的边界，所表示的地表不连续。2)基于三角形的表面建模.适用于所有数据结构，由于三角形在形状和大小方面有很大的灵活性，所以这种建模方法

10、也能容易地融合断裂线、生成线或其他任何数据。3)基于格网的表面建模.简单；常被用于处理覆盖平缓地区的全局数据，但对于有着陡峭斜坡和大量断裂线等地形形态的比较破碎的地区，若不进行特殊的处理，这种方法并不适用。4）基于混合表面的建模.a基于规则格网与特征线的混合建模;b基于点或基于三角形的建模的结合3.DEM质量评价标准.1)保凸性.设实际地形曲面为H=f(x,y)，拟合曲面为H=F(x,y)，用一高程为H0的水平面切割实际曲面和拟合曲面，得两条水平曲线y=f(x)和y=F(x)。所谓保凸性就是指f(x)和F(x)有共同数量的拐点，并且拐点的位置一致或接近的程度。2)逼近性.如果在逼近的定义域上，

11、逼近面F(x,y) 和实际地形曲面f(x,y)对应点之间满足关系式：MAX|f(x,y)-F(x,y)|，则认为逼近面达到逼近要求。3)光滑性.曲线上切线方向变化的连续性，或者说曲线上曲率的连续性。4.DEM内插就是根据分布在内插点周围的采样点高程求出未知点的高程值，在数学上属于数值分析中的插值问题。5.整体内插.在整个区域用一个数学函数来表达地形表面。存在问题.1）其函数保凸性较差；2）不容易得到稳定的数值解；3）多项式系数物理意义不明显；4）解算速度慢且对计算机容量要求较高；5）不能提供内插区域局部地形特征。6.局部分块内插.将地形区域按一定的方法进行分块，对每一块根据地形区面特征单独进行

12、曲面拟合和高程内插。常用内插方法.线性内插、双线性多项式内插、二元样条函数内插、多面叠加内插法（多面函数法）、最小二乘配置法。7.逐点内插.以内插点为中心，确定一个邻域范围，用落在邻域范围内的采样点计算内插点的高程值。基本步骤：定义内插点的邻域范围；确定落在邻域内的采样点；选定内插数学模型；通过邻域内的采样点和内插数学模型计算内插点的高程。关键问题：1）内插函数；2）邻域大小和形状；3）邻域内数据点的个数；4）采样点的权重；5）采样点的分布；6）附加信息的考虑8.等高线内插法:此法类似于在地形图等高线上的手工内插点的高程，内插原理非常简单，但由于计算机化的等高线数据远没有纸质地形图等高线直观，

13、实现起来比较麻烦。过内插点作四条直线:1)计算每条直线与最近等高线的交点；2)计算每条直线上两交点之间的距离和高差，求出交点之间的坡度；3)在四条直线中选出坡度最大的直线；4)在最大坡度上，按线性内插方法求取内插点的高程。存在问题：a等高线的数据组织问题.按最陡坡度内插需要找出内插点周围的等高线，而等高线常常存在同高程异等高线现象;解决办法是建立等高线之间的拓扑关系，但较麻烦.b等高线内插完全是基于等高线信息的，这需要等高线必须完整，而等高线常常由于地物等存在而不连续，这样可能导致所选直线与另外等高线相交，引起内插失真.c直线方向的选取问题，所选直线应与实际最陡坡度方向一致，但直线一般不可能过

14、多，通过有限的直线所选的最陡坡度不一定正好与实际方向一致.d计算效率问题，当要计算大量的规则格网时，该方法效率较低。第五章1.基于不规则三角网（TIN，Triangulated Irregular Network）的数字高程模型就是用一系列互不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形来表示地形表面。2.三角剖分准则：1）空外接圆准则2）最大最小角准则3）最短距离和准则4）张角最大准则5）面积比准则6）对角线准则3.DT.通常将空外接圆准则、最大最小角准则下进行三角剖分称为Delaunay三角剖分，简称DT.空外接圆和最大最小角也是Delaunay三角网的两个基本性质。4.狄洛尼三角网的构网方法（不带

15、约束）（了解）:1)分割合并算法:基本思想是先将数据排序，分成两个互不相交的子集，在每一个子集建立三角网后，将两个三角网合并以生成最终的狄洛尼三角网。2）数据点渐次插入算法基本思想是将未处理的点加入到已经存在的狄洛尼三角网中，每次插入一个点，然后将狄洛尼三角网重新定义。5.根据等高线生成三角网：1）等高线离散点直接生成TIN.直接将等高线上的点离散化，然后将离散点看作是无约束的点直接建立TIN 。这种方法容易导致地形失真，具体表现在三角形的边穿越等高线或存在平三角形。这两种均可能会导致TIN所模拟的地形在高处被削掉，低洼处被填平，引起地形变形。2）将等高线作为特征线.将等高线当作特征线处理，即

16、构成约束TIN。可有效避免三角形边穿越等高线，但对平三角形不是很有效,需进行优化处理。平三角形处理方法：a预防性措施.在建立TIN之前先对采样数据进行概化，即通过减少等高线上采样点的数量而增加采样点之间的距离。b自动修正方法.c专用方法。3)自动增加特征点及优化TIN的方法:实质是仍将等高线离散化建立TIN，但采用增加特征点的方式来消除TIN中的“平三角形”，并使用优化TIN的方式来消除不合理的三角形比如三角形与等高线相交等，另外对TIN中的三角形进行处理以使得TIN更接近理想化的情况。第六章1.可视化.将抽象符号转化为几何图形的计算方法，以便研究者能够观察其模拟和计算的过程和结果。地形可视化

17、.以DEM为基础实现对地形的直观表达。2.可视化方法：写景法、半色调符号表示法、等高线法、分层设色法、晕渲法、拍摄实地景观照片、建造三维几何相似的实物模型、产生三维线框透视投影图、真实感图形显示。3地形的二维表达是把三维地形表面通过投影到平面上，再用相应的方法加以表达。4.提取等高线的步骤：1）内插等值点.线性内插方法：可按下式判断有无等值点2）追踪等值点.内插出来的等值点是无序的，等值点追踪的目的就是要把同一条等高线上的相邻点连接起来，形成一条完整的等高线。出口边必定是邻接单元的入口边。3）注记等高线.等高线注记一般在计曲线上进行。原则是在该条等值线上寻找一个比较平缓的地区作为注记位置。这可

18、通过等值线上连续三点之间所形成的角度进行判断。4）光滑等高线并输出.内插后的等值线需要光滑后输出。目前常用的光滑函数有张力样条、分段三次多项式、斜轴抛物线、分段圆弧等。5.DEM的三维建立过程：1）DEM的三角形分割2）透视投影变换3）光照模型4）消隐和裁减5）图形绘制和存贮6）纹理映射6.纹理映射.将二维的纹理图像映射到三维物体表面。其实质是选择与DEM同样地区的纹理影像数据，将该纹理“贴”在通过DEM所建立的三维地形模型上，从而形成既具有立体感又具有真实性、信息含量丰富的三维立体景观。7.动画.将一组连续的图像以足够快的速度放出来，给人一个连续运动的感觉。第七章1.误差.观测数据与其真值之

19、间的差异。2.不确定性.对真值的认识或肯定的程度，是更为广泛意义上的误差，包含系统误差、偶然误差、粗差、可度量和不可度量误差、数据的不完整性、概念的模糊性等。3.误差分析体系：误差来源确定、误差性质鉴别、误差与精度描述、误差研究方法、误差传播模型、算法评价、地形参数生产质量控制、误差控制和减弱等内容。4.DEM误差的主要来源.地形表面特征、数据源误差、采点设备误差、人为误差、采样点密度和分布、内插方法、DEM结构。5.逼近误差.用简单函数f1(x)近似地代替原函数f(x)时两者的差，即E=f(x)-f1(x).？6.中误差是按有限的几次观测的偶然误差求得的标准差称为中误差。7.DEM精度评定在

20、内容上可通过两种不同的方式进行，一种是平面精度和高程精度分开评定，一种是两种精度同时评定。DEM高程精度的评定通常有理论分析和实验分析两种途径。实验分析是从数据源随机抽取样区或通过专家经验选取典型地貌样区，通过考虑各种采样方式包括所使用的仪器、采样点的密度、采样点分布位置、作业员水平等因素并依据地形情况选用高程内插数学模型，来估算所建数字高程模型的精度。由于影响DEM的因素比较多，许多参数也不可量化，加之实验结果依赖于具体的地形以及实际实验方案，通过实验分析所得到的DEM精度和结论往往差异较大，有时甚至相互矛盾。理论分析试图通过数学方法来寻求对地表起伏复杂变化的统一量度，以及各种内插数学模型的

21、通用表达方式，使评定方法、评定所得的精度和某些规律性的结论有比较普通的理论意义。应该注意到这种方法仍然要借助大量的实验数据或专家经验，以及对地形表形态的理解。而且由于实际地形区面的复杂性，用以进行分析的某些基本假设未必符合实际情况，如内插中的最小二乘配置法视地形起伏为遍历性平稳随机过程，而有限元和样条函数则将地形曲面看作是弹性变形结果等，这将影响其结果和结论的推广。第八、九章1.提取坡面因子的基本方法:首先将坡面的形态特征或各个坡面因子进行定量化描述，完成求导的数学模型。在此基础上建立其以DEM为基本信息源进行提取的技术路线，并通过软件实现形成一套易于计算机操作的方法。2.坡度.地表面任一点的

22、坡度是指过该点的切平面与水平面的夹角。3.坡向.地表面上一点切平面的法矢量在水平面的投影与该点正北方向的夹角。4.平面曲率.在地形表面上，用过该点的水平面沿水平方切地形表面所得的曲线在该点的曲率值。5.剖面曲率.对地面坡度的沿最大坡降方向地面高程变化率的度量。6.坡度变率.地面坡度在微分空间的变化率，即坡度的坡度。7.坡向变率.在地表的坡向提取基础之上，进行对坡向变化率的二次提取，也即坡度之坡度。8.坡长.在地面上一点沿水流方向到其流向起点间的最大地面距离在水平面上的投影长度。9.坡形指局部地表坡面的曲折状态.采用地面曲率因子和地面变率因子来度量。10.地面曲率.对地形表面一点扭曲变化程度的定

23、量化量度因子，地面曲率在垂直和水平两个方向上分量分别称为平面曲率和剖面曲率。11.地面变率.描述的是地表局部范围内坡度、坡向两个基本地形指标的变化情况，包括坡度变率，坡向变率两个基本因子。12.地形起伏度.在所指定的分析区域内所有栅格中最大高程与最小高程的差。13.地表的粗糙度.地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比。14.地表切割深度.地面某点的领域范围的平均高程与该领域范围内的最小高程的值。15.高程变异.反映分析区域内地表单元格网各顶点高程变化的指标，它以格网单元顶点的标准差s与平均高程Z的比值来表示。16.地形特征.对于描述地形形态有着特别意义的地形表面上的点、线、面，它们构成了地形变化起伏的骨架。其中最重要的两部分为地形特征的提取和水系特征的提取。17.已有的自动提取三脊线和三谷线的方法：根据使用数据分为：1）基于数字化等高线的方法；2）基于规则格网数据的方法；3）基于Delaunay三角网和Voronoi数据的方法。根据算法设计原理来分：1）基于图像处理技术的原理；2）基于地形表面几何形态分析的原理；3）基于地形表面流水物理模拟分析原理；4）基于地形表面几何形态分析和流水物理模拟分析相结合的原理。专心-专注-专业