数字地面模型的建立与应用幻灯片.ppt

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1、第1页，共44页，编辑于2022年，星期六第2页，共44页，编辑于2022年，星期六第3页，共44页，编辑于2022年，星期六第4页，共44页，编辑于2022年，星期六第5页，共44页，编辑于2022年，星期六第6页，共44页，编辑于2022年，星期六6.1概述概述数字地面模型数字地面模型DTM（DigitalTerrainModel）最初）最初是美国麻省理工学院是美国麻省理工学院Miller教授为了高速公路的自教授为了高速公路的自动设计于动设计于1956年提出的。年提出的。数字地面模型数字地面模型DTM的理论与实践由的理论与实践由数据采集数据采集、数据处理数据处理与与应用应用三个部三个部分组

2、成。对它的研究经历了四个时期。分组成。对它的研究经历了四个时期。20世纪世纪50年代是其概念形成年代是其概念形成的时期；的时期；60年代至年代至70年代对其内插问题进行了大量的研究。年代对其内插问题进行了大量的研究。80年代年代以来，对以来，对DTM系统的各个环节包括数据采集，粗差探测、数据压缩、系统的各个环节包括数据采集，粗差探测、数据压缩、DTM应用进行了研究。应用进行了研究。第7页，共44页，编辑于2022年，星期六6.2数字地面模型的数字地面模型的概念概念及及表达形式表达形式与传统的地图相比较，与传统的地图相比较，DTM作为地表信息的一种数字表达形式有作为地表信息的一种数字表达形式有着

3、无可比拟的优越性。着无可比拟的优越性。可以直接输入计算机，供各种计算机辅助可以直接输入计算机，供各种计算机辅助设计使用。设计使用。可以运用多层数据结构存储丰富的信息（地形图无法可以运用多层数据结构存储丰富的信息（地形图无法表达的垂直分布地物信息）。表达的垂直分布地物信息）。存储形式是数字形式的，便于修改、存储形式是数字形式的，便于修改、更新、管理、转换。更新、管理、转换。第8页，共44页，编辑于2022年，星期六第9页，共44页，编辑于2022年，星期六DTM（DigitalTerrainModels）即数字地面模型，它是地形起伏的数）即数字地面模型，它是地形起伏的数字表达，它由对地形表面取样

4、所得到的一组点的字表达，它由对地形表面取样所得到的一组点的x、y、Z坐标数据和一套坐标数据和一套对地面提供对地面提供连续的描述的算法连续的描述的算法组成。简单地说，数字地面模型是按一组成。简单地说，数字地面模型是按一定结构组织在一起的数据组，它代表着地形特征的空间分布。定结构组织在一起的数据组，它代表着地形特征的空间分布。DTM是是建立地形数据库的基本数据，可以用来制作等高线图、坡度图、专题建立地形数据库的基本数据，可以用来制作等高线图、坡度图、专题图等多种图等多种图解产品图解产品。DTM是地形表面形态等多种信息的一个数字表示。严格地说是地形表面形态等多种信息的一个数字表示。严格地说，DTM是

5、定义在某一区域是定义在某一区域D上的上的维向量有限序列：维向量有限序列：地形，环境，资源，土地利用，人口分布地形，环境，资源，土地利用，人口分布等多种信息的定量或定等多种信息的定量或定性描述。性描述。第10页，共44页，编辑于2022年，星期六第11页，共44页，编辑于2022年，星期六DTM的表达形式（的表达形式（GRID，TIN）1、规则矩形格网（、规则矩形格网（GRID）第12页，共44页，编辑于2022年，星期六第13页，共44页，编辑于2022年，星期六6.3DEM的数据获取及预处理的数据获取及预处理为了建立为了建立DEM，必须量测一些，必须量测一些点的三维坐标点的三维坐标，这就是，

6、这就是DEM的数据采的数据采集或数据获取。通常是按一定的测量方法（集或数据获取。通常是按一定的测量方法（野外直接测量、数字摄影野外直接测量、数字摄影测量测量等），在测区内测量一定数量的等），在测区内测量一定数量的离散点离散点的平面位置和高程，这些的平面位置和高程，这些点称为控制点（数据点或参考点）。接着，以控制点为网络框架，在其中点称为控制点（数据点或参考点）。接着，以控制点为网络框架，在其中内插大量的高程点，内插大量的高程点，第14页，共44页，编辑于2022年，星期六数字地面模型的数据来源主要有两个方面：一是数字地面模型的数据来源主要有两个方面：一是直接取自地形表面直接取自地形表面，二是间

7、接取自二是间接取自地形表面的模拟模型地形表面的模拟模型。根据数据获取的方法不同，数据。根据数据获取的方法不同，数据来源可分为以下几种：来源可分为以下几种：1、野外实地测量。即在实地直接测量地面点的平面位置和高程。一般、野外实地测量。即在实地直接测量地面点的平面位置和高程。一般使用使用电子速测仪电子速测仪进行观测。进行观测。一、一、DEM数据点的采集方法数据点的采集方法第15页，共44页，编辑于2022年，星期六第16页，共44页，编辑于2022年，星期六2、由现有地形图上采集。最简单的方法是在数字化台上手工跟踪等、由现有地形图上采集。最简单的方法是在数字化台上手工跟踪等高线。现在常用的方法是使

8、用扫描装置采集。（扫描数字化仪）高线。现在常用的方法是使用扫描装置采集。（扫描数字化仪）手扶跟踪数字化手扶跟踪数字化：利用数字化仪将地图上的空间实体进行离散化采：利用数字化仪将地图上的空间实体进行离散化采点。数字化仪是通过串口与计算机相联的，它可以设置一系列参数点。数字化仪是通过串口与计算机相联的，它可以设置一系列参数（包括通信参数和数字化仪操作参数）以保证数据录入的准确性和（包括通信参数和数字化仪操作参数）以保证数据录入的准确性和精度。数字化仪的主要工作部分就是精度。数字化仪的主要工作部分就是面板面板和和游标游标。第17页，共44页，编辑于2022年，星期六5006573.25358.555

9、73.80357.45575.55356.50578.10355.95579.67356.63580.00358.3840011571.20358.40571.83356.85573.15355.92575.15355.45577.05354.77580.08353.60582.85352.77584.60354.17584.42356.13582.83357.08582.00358.35第18页，共44页，编辑于2022年，星期六3、由遥感系统直接测得。如航空和航天飞行器搭载雷达和激光测高、由遥感系统直接测得。如航空和航天飞行器搭载雷达和激光测高仪获得的数据。（仪获得的数据。（LIDAR）第

10、19页，共44页，编辑于2022年，星期六4 4、数字摄影测量数字摄影测量方法是方法是DEMDEM数据点采集最常用的方法。可利数据点采集最常用的方法。可利用数字摄影测量系统，进行半自动或全自动的数据采集。用数字摄影测量系统，进行半自动或全自动的数据采集。第20页，共44页，编辑于2022年，星期六第21页，共44页，编辑于2022年，星期六利用影像匹配获得的同名点进行相对定向利用影像匹配获得的同名点进行相对定向第22页，共44页，编辑于2022年，星期六2、一维相关、一维相关目标区：一维相关是在核线影像上只进行一维搜索。理论上，目标区目标区：一维相关是在核线影像上只进行一维搜索。理论上，目标区

11、与搜索区可以是一维窗口。但是由于两影像窗口的相似性测度一般为统与搜索区可以是一维窗口。但是由于两影像窗口的相似性测度一般为统计量，为了保证相关结果的可靠性，应有较多的样本进行估计，因此，计量，为了保证相关结果的可靠性，应有较多的样本进行估计，因此，目标窗口的像素不应太少。取一个以待定点为中心，目标窗口的像素不应太少。取一个以待定点为中心，个像素的窗口，个像素的窗口，此时，搜索区为此时，搜索区为个像素的灰度阵列，搜索工作只在一个方向个像素的灰度阵列，搜索工作只在一个方向进行，计算相似性测度进行，计算相似性测度目标区目标区搜索区搜索区第23页，共44页，编辑于2022年，星期六二、二、核线几何关系

12、解析与核线排列核线几何关系解析与核线排列（P28）第24页，共44页，编辑于2022年，星期六第25页，共44页，编辑于2022年，星期六第26页，共44页，编辑于2022年，星期六1、核线几何关系解析、核线几何关系解析确定同名核线的方法很多，但基本上可以分为两类：一是基于数字影确定同名核线的方法很多，但基本上可以分为两类：一是基于数字影像的几何纠正；二是基于共面条件。像的几何纠正；二是基于共面条件。（1）基于数字影像几何纠正的核线解析关系）基于数字影像几何纠正的核线解析关系核线在航空摄影像片上的扫描行核线在航空摄影像片上的扫描行与核线不重合（是与核线不重合（是互相不平行的互相不平行的），），

13、它们交于一个点它们交于一个点-核点核点，但是如果将，但是如果将像片上的核线投影到一对相对水平的像片上的核线投影到一对相对水平的像片对上（平行于摄影基线的像片对）像片对上（平行于摄影基线的像片对）则核线相互平行。则核线相互平行。此方法的实质是将倾斜像片上的此方法的实质是将倾斜像片上的核线投影到核线投影到“水平像片水平像片”对上，求得对上，求得“水平像片水平像片”对上的同名核线。对上的同名核线。P2P1S1S2a1a2J1J2O1O2A第27页，共44页，编辑于2022年，星期六核面同名核线A第28页，共44页，编辑于2022年，星期六核线重排列核线重排列vu第29页，共44页，编辑于2022年，

14、星期六X,Y,Z第30页，共44页，编辑于2022年，星期六Epipolar rectificationRectified Image Pair第31页，共44页，编辑于2022年，星期六（2）、基于共面条件的同名核线几何关系）、基于共面条件的同名核线几何关系第32页，共44页，编辑于2022年，星期六6.3DEM的内插方法的内插方法DEM内插就是根据参考点上的高程求出其它待定点的高程，在数学上属内插就是根据参考点上的高程求出其它待定点的高程，在数学上属于插值问题。由于所采集的原始数据排列一般是不规则的，因此，为了获于插值问题。由于所采集的原始数据排列一般是不规则的，因此，为了获得规则格网的得

15、规则格网的DEM，内插是必不可少的一个步骤。，内插是必不可少的一个步骤。由离散点内插出规则格网由离散点内插出规则格网（1）有限元法；）有限元法；（2）移动曲面拟合法。）移动曲面拟合法。第33页，共44页，编辑于2022年，星期六6.5三角网数字地面模型（三角网数字地面模型（DTM）第34页，共44页，编辑于2022年，星期六有兴趣的同学参考数字高程模型李志林，朱庆，武汉测绘科技大学出版社，2000第35页，共44页，编辑于2022年，星期六3、二者的优缺点比较、二者的优缺点比较（1）GRID是目前使用最广泛的一种形式，因为是目前使用最广泛的一种形式，因为GRIDDEM存存储量小（还可进行压缩存

16、储），同时，由于计算机处理矩阵比较储量小（还可进行压缩存储），同时，由于计算机处理矩阵比较方便，因此，方便，因此，GRID非常便于使用和管理。非常便于使用和管理。GRID适用与大范围适用与大范围的地形起伏不大的地区。但的地形起伏不大的地区。但GRID的缺点是不能准确表示地形的的缺点是不能准确表示地形的结构与细部。结构与细部。（2）TIN能较好的顾及地貌特征点、线，表达复杂的地形表面能较好的顾及地貌特征点、线，表达复杂的地形表面比比GRID要准确，其缺点是数据量大，数据结构复杂，因而使用要准确，其缺点是数据量大，数据结构复杂，因而使用及管理也较复杂。不仅要存储三角形的顶点，还要存储各三角形及管理

17、也较复杂。不仅要存储三角形的顶点，还要存储各三角形的邻接关系。的邻接关系。第36页，共44页，编辑于2022年，星期六6.6DTM的应用的应用数字地面模型的应用非常广泛，在测绘中可用于绘制等高线、坡度数字地面模型的应用非常广泛，在测绘中可用于绘制等高线、坡度和坡向图、立体透视图、制作正射影像图（和坡向图、立体透视图、制作正射影像图（DOM）、立体景观图、立）、立体景观图、立体匹配片、立体地形模型及地图的修测。体匹配片、立体地形模型及地图的修测。在各种工程中可用于体积、面积的计算、各种剖面图的绘制及线路在各种工程中可用于体积、面积的计算、各种剖面图的绘制及线路的设计。的设计。在遥感中可作为分类辅

18、助的数据。在遥感中可作为分类辅助的数据。第37页，共44页，编辑于2022年，星期六一、基于矩形格网的一、基于矩形格网的DEM多项式内插多项式内插DEM最基础的应用（最基础的应用（也是各种应用的基础也是各种应用的基础）是求）是求DEM范围内任意一范围内任意一点点P（X，Y）的高程，利用这些格网点的高程拟合一定的曲面，然后计）的高程，利用这些格网点的高程拟合一定的曲面，然后计算该点的高程。算该点的高程。1、双线性多项式内插、双线性多项式内插第38页，共44页，编辑于2022年，星期六(627.00,570.00)(627.00,580.00)(637.00,570.00)(637.00,580.

19、00)第39页，共44页，编辑于2022年，星期六2、双三次多项式内插、双三次多项式内插1234567813245678第40页，共44页，编辑于2022年，星期六第41页，共44页，编辑于2022年，星期六二、三角网中的内插（参考数字地面模型）二、三角网中的内插（参考数字地面模型）三、等高线的绘制（基于矩形格网）三、等高线的绘制（基于矩形格网）主要包含两个步骤主要包含两个步骤：利用DEM矩形格网点的高程内插出格网边上的等高线点。利用这些等高线点的平面坐标进一步加密等高线。15014016015015215415615815215415615810m第42页，共44页，编辑于2022年，星期六等高线的绘制（基于矩形格网）等高线的绘制（基于矩形格网）第43页，共44页，编辑于2022年，星期六四、立体透视图四、立体透视图绘制立体透视图所涉及的主要技术绘制立体透视图所涉及的主要技术：透视变换问题。在二维屏幕空间显示三维立体。消隐问题。即前景挡后景的问题。当前主要的开发工具是OpenGL(Open Graphics Library),是SGI公司的三维图形开发函数库。以函数库的形式内嵌在计算机高级语言中，如VB，VC，BC等。参考：徐青，地形三维可视化技术，测绘出版社，参考：徐青，地形三维可视化技术，测绘出版社，2000。第44页，共44页，编辑于2022年，星期六