第七章 数字地面模型及其应用优秀课件.ppt

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1、第七章 数字地面模型及其应用第1页，本讲稿共30页7.1 数字地面模型的概念数字地面模型的概念 地地理理空空间间实实质质是是三三维维的的，只只是是人人们们通通常常在在二二维维地地理理空空间间上上描描述述和和分析空间的分布。如专题图大多数是平面图。分析空间的分布。如专题图大多数是平面图。DTM模模型型（Digital Terrain Model)于于50年年代代由由MIT摄摄影影测测量量实实验验室室提提出出，是是用用数数字字形形式式描描述述地地形形表表面面的的模模型型。实实质质上上这这是是对对地地面面形形态和属性信息的数字表达。态和属性信息的数字表达。当当DTM模模型型中中数数字字属属性性为为高

2、高程程时时称称数数字字高高程程模模型型，即即DEM模模型型（Digital Elevation Model)。DEM模模型型是是DTM模模型型的的一一种种特特例例。从从测测绘绘的的角角度度看看，DEM模模型型是是新新一一代代的的地地形形图图，它它通通过过存存储储在在介介质质上上的的大大量量地地面面点点空空间间数数据和地形属性数据，以数字形式来描述地形地貌。据和地形属性数据，以数字形式来描述地形地貌。第2页，本讲稿共30页 7.2 DEM的常用数据模型的常用数据模型一、规则格网（规则格网（grid)grid)模型模型1 1、模型的表示模型的表示 Z Z11 11 Z Z12 12 Z Z13 1

3、3 Z Z1n1nDTM=DTM=Z Z21 21 Z Z22 22 Z Z23 23 Z Z2n2n Z ZM1 M1 Z ZM2 M2 Z ZM3 M3 Z ZMnMn 平面上的任意一点平面上的任意一点Z Zijij的坐标为的坐标为x x i i y yi i，其中其中 x x i i=x=x0 0 +i dx +i dx y yi i =y y0 0 +j dy +j dy dx,dy dx,dy 分别是格网在分别是格网在x x和和y y方向上的间隔；方向上的间隔；nx,ny nx,ny分别为分别为x x 和和y y方向上的格网数；方向上的格网数；i=0,1,2 i=0,1,2.nx-1

4、;j=0,1,2.nx-1;j=0,1,2 ny-1;ny-1;第3页，本讲稿共30页2、格网的含义、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地面形状。它已成为栅格数据结构中DTM的通用形式。的通用形式。第4页，本讲稿共30页3、格网的生成、格网的生成内插方法：内插方法：1）距离加权法）距离加权法2）双线性插值法）双线性插值法3）趋势面插值法）趋势面插值法4）样条插值法）样条插值法5）克吕格插值法）克吕格插值法第5页，本讲稿共30页4、规则格网模型的优缺点、规则格网模型的优

5、缺点优点优点1）数据结构简单，算法实现容易。）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。）容易计算等高线、坡度、坡向、自动提取地域地形等。缺点缺点1）数据量大；）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。）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。第6页，本讲稿共30页二、不规则三角网二、不规则三角网(Triangulated Irregular Network TIN）模型）模型 1、模型的表示模型的表示 点文件点文件 三角形文件三角形文件 点号点号 坐标点坐标点 三角形号三角形号 顶点顶点 邻接三角形邻接三角形 N

6、1 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 T8 N1N6N2N8N7N 3N4N5

7、第7页，本讲稿共30页2、不规则三角网规则的生成、不规则三角网规则的生成第8页，本讲稿共30页3、不规则三角网规则格网模型的优缺点、不规则三角网规则格网模型的优缺点不规则三角网不规则三角网 模型的优点：模型的优点：1）克服栅格数据中的数据允余问题）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）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。地面形态效率高，数据精度高。不规则三角网不规则三角网 模型的缺点：模型的缺点：1）算法实现复杂，由于形成三角网）算法实现复杂，由于形成三角网 方法不同有不同算法方法不

8、同有不同算法2）对特殊的地形线要调整）对特殊的地形线要调整第9页，本讲稿共30页7.3 DTM数据的采集数据的采集1、DTM数据源的种类数据源的种类1）航空航天遥感影像为数据源）航空航天遥感影像为数据源2）以地形图为数据源）以地形图为数据源3）以地面实測记录为数据源）以地面实測记录为数据源4）其它数据源）其它数据源第10页，本讲稿共30页2、DTM数据源的采集数据源的采集1）数据采集的方法）数据采集的方法2）数据采集的原则）数据采集的原则第11页，本讲稿共30页 3、数据采集的后处理、数据采集的后处理采集的采集的DEM数据必需进行后处理方可应用，后处理包括：数据必需进行后处理方可应用，后处理包

9、括：1）格式转换）格式转换2）坐标转换）坐标转换3）数据编辑处理）数据编辑处理4)数据分块数据分块第12页，本讲稿共30页 4、数据密加的增加和插值、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。性。第13页，本讲稿共30页7.4 DTM模型的建立模型的建立 这里举例说明用地形图生成格网这里举例说明用地形图生成格网DEM扫描仪扫入地形图扫描仪扫入地形图预处理获得二值等值线预处理获

10、得二值等值线细化二值等高线图细化二值等高线图跟踪赋值高程值跟踪赋值高程值插值生成插值生成DTM数据数据显示三维地面模型显示三维地面模型第14页，本讲稿共30页7.5 DTM模型的可视性化模型的可视性化 在在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数据处理分析空间数据的图形显示和分析。以充分直观的表示空间数据处理分析的结果。因此，从某种意义上说的结果。因此，从某种意义上说GIS的可视化研究早于科学计算可的可视化研究早于科学计算可视化的研究。视化的研究。第15页，本讲稿共30页一、地形三

11、维显示的步骤一、地形三维显示的步骤1、获取地形数据、获取地形数据2、生成数据高程模型、生成数据高程模型3、进行可视化处理、进行可视化处理4、进行三维显示、进行三维显示第16页，本讲稿共30页二、GIS可视化研究的几个技术可视化研究的几个技术 地形三维可视化的主要内容：地形三维可视化的主要内容：1）建立数字高程模型；）建立数字高程模型；2）图形的投影变换技术；）图形的投影变换技术；3）图形的消隐技术和裁剪技术；）图形的消隐技术和裁剪技术；4）光照模型和彩色合成技术。）光照模型和彩色合成技术。第17页，本讲稿共30页三、地形三维显示的方式三、地形三维显示的方式1、线框法、线框法通过物体的三维边缘框

12、架来表示物体的几何形状。即将地物表面按一定间隔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。获取数据点，连成折线或曲线，经投影变换后显示。第18页，本讲稿共30页2、表面法、表面法线框法用地物的边线来显示表面形状。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曲面，来显示地物表面形状。具表面法将整个数据模型看作一个大的复杂空间曲面，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

13、立进行填充消阴显示。各自的属性可独立进行填充消阴显示。3、体素法、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，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。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。第19页，本讲稿共30页四、地形的三维叠置技术地形的三维叠置技术1）点要素和三维地形的叠置）点要素和三维地形的叠置2）线要素和三维地形的叠置）线要素和三维地形的叠置3）面要素和三维地形的叠置）面要素和三维地形的叠置第20页，本讲稿共30页五、五、DTM模型的可视化分析模型的可视化分析

14、1、通视性分析、通视性分析两点之间的通视性（两点之间的通视性（intervisibility)指在指在A点是否能看到点是否能看到B点。常用的方法：点。常用的方法：1）剖面线分析法）剖面线分析法2）射线追踪分析法）射线追踪分析法ABA B第21页，本讲稿共30页第22页，本讲稿共30页2、可视域分析、可视域分析第23页，本讲稿共30页7.6 DTM模型的应用模型的应用一、一、DTM模型在地图制图中的应用模型在地图制图中的应用第24页，本讲稿共30页二、二、DTM模型在地形分析中的应用模型在地形分析中的应用1、用、用DTM模型定义坡度和坡向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

15、切值；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。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 阴阴 半阴半阴 半阴半阴 半阳半阳 半阳半阳 阳阳 阳阳 坡度的定义坡度的定义 坡向的定义坡向的定义 坡度角坡度角 法线法线 地面地面第25页，本讲稿共30页2、用、用DTM模型计算坡度和坡向模型计算坡度和坡向坡度和坡向的计算通常使用坡度和坡向的计算通常使用3*3的窗口，将其在的窗口，将其在DEM高程矩阵中连续移动，从而完成整幅图的计高程矩阵中连续移动，从而完成整幅图的计算算 Z 2 Z 2 x y Z Z i,j+1 -Z

16、 i,j-1 x =2 x Z Z i+1,j -Z i-1,j y =2 y x y 分别是格网在分别是格网在x方向和方向和y方向上间隔方向上间隔坡向坡向 Dir=-Z y坡度坡度=tg =i-1 j-1 i-1,j i-1,j+1i+1 j-1 i+1,j i+1,j+1i j-1 i,j i,j+1 Z/x =tgA -A 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)脊点脊点 满足下面满足下面4个条件个条件 (Zi,j-1-Zi,j)*(Zi,j+1 -Zi,j)0 AND (Zi,j-1-Z

17、i,j)*(Zi+1,j -Zi,j)0 AND Zi,j+1 Zi,j AND Zi+1,j Zi,j 3)沟谷密度沟谷密度 D=L/A 其中其中A是区域的面积；是区域的面积；L是区域内沟谷总长度。是区域内沟谷总长度。4)沟谷深度沟谷深度 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第27页，本讲稿共30页三、三、DTM模型的应用例模型的应用例1、DTM模型在土方计算中的应用模型在土方计算中的应用平整高度平整高度填充高度填充高度hi hiNi=1Nh1 h2 h3第28页，本讲稿共30页2、DTM模型对地表形态进行自动

18、分类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。模型对地表形态进行自动分类的决策条件。如如 平地平地 丘岗丘岗 丘陵丘陵 低山低山 中山中山绝对高度（绝对高度（H/M）800相对高度（相对高度（H/M）200 200坡度（度）坡度（度）3建立DEM模型自动获取自动获取H、H、M、坡度、坡向坡度、坡向决策条件决策条件自动分类自动分类第29页，本讲稿共30页3、淹没模型及淹没边界的计算淹没模型及淹没边界的计算1、建立该地区的、建立该地区的DTM模型模型2、根据、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，模型上标志淹没边界，Zij =从而得到新的图形。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、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，得到的各类土地，得到土地淹没区图和土地未淹没区图。土地淹没区图和土地未淹没区图。、统计出淹没带来申失。、统计出淹没带来申失。1 当Zij HZ 淹没淹没0 当Zij HZ 未淹没未淹没第30页，本讲稿共30页