第六讲 数字高程模型及应用.ppt

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1、第第六六讲讲 数字高程模型及应用数字高程模型及应用数字高程模型及应用一、一、DEMDEM概述概述二、二、DEMDEM建立建立 1 1、DEMDEM的数据获取的数据获取 2 2、DEMDEM的建立方法的建立方法三、三、DEMDEM应用应用Page 数字地面数字地面模型模型工程设计摄影测量和遥感中的应用是地理信息的基础数据军事上用于导航及导弹制导Page 原始影像原始影像 凸包凸包 表面模型表面模型Page 原始影像原始影像三维模型（无纹理）三维模型（无纹理）三维模型（有纹理）三维模型（有纹理）Page 数字高程模型数字高程模型（Digital Elevation Model，缩写，缩写DEM）是

2、一定是一定范围内规则格网点的平面坐标（范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（）及其高程（Z）的数据）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插而形成的。据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与息，也可与DOM(Digital Orthophoto Map，数字正射影像图数字正射影像图 )或其它专题数据叠加，用于与

3、地形相关的分析应用，同时它本或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作身还是制作DOM的基础数据。的基础数据。（一）（一）DEMDEM定义定义一、DEM概述Page DEMDEM，(Digital Elevation Models)，是国家基础空间数据的重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要组成部分，它表示地表区域上地形的三维向量三维向量的的有限有限序列，序列，即地表单元上即地表单元上高程的集合高程的集合，数学表达为：，数学表达为：z=f(xz=f(x，y y)。由于由于DEMDEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、描述的是地面

4、高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、气象、军事等国民经济和国防建设以及人文和土壤、工程建设、通讯、气象、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。如在工程建设上，可用于如土方量计算、自然科学领域有着广泛的应用。如在工程建设上，可用于如土方量计算、通视分析等；在防洪减灾方面，通视分析等；在防洪减灾方面，DEMDEM是进行水文分析如汇水区分析、水系是进行水文分析如汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础;在无线通讯上，在无线通讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等等。可用于蜂窝电话的基站

5、分析等等。（一）（一）DEMDEM定义定义一、DEM概述Page 数字地形数字地形(地面地面)模型模型（Digital Terrain Model,DTM）:是利用一个任意坐标系中大量选择的已知是利用一个任意坐标系中大量选择的已知x x、y y、z z的坐标点对的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，连续地面的一个简单的统计表示，或者说，DTMDTM就是地形表面就是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有形态属性信息的数字表达，是带有空间位置空间位置特征和特征和地形属性地形属性特征的数字描述特征的数字描述。（当地形属性为高程时称为。（当地形属性为高程时称为DEMDEM）地形表面形态的属性

6、信息一般包括高程、坡度、坡向、坡度地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向、坡度变化率、粗糙度等。变化率、粗糙度等。（二）（二）DTMDTM定义定义一、DEM概述Page 数数字字地地形形(地地面面)模模型型（Digital Terrain Model,DTM）是是2020世世 纪纪 5050年年 代代 由由 美美 国国 MITMIT摄摄 影影 测测 量量 试试 验验 室室 主主 任任 米米 勒勒（C.L.MILLERC.L.MILLER）首首次次提提出出，并并用用其其成成功功地地解解决决了了道道路路工工程程中中土土方方估估算算等等问问题题。此此后后它它被被用用于于各各种种线线路路选选线

7、线（铁铁路路、公公路路、输输电电线线等等）的的设设计计以以及及各各种种工工程程的的面面积积、体体积积、坡坡度度计计算算，任意两点间的通视判断即任意断面图绘制。任意两点间的通视判断即任意断面图绘制。在在测测绘绘中中被被用用于于绘绘制制等等高高线线、坡坡度度坡坡向向图图、立立体体透透视视图图，制制作作正正射射影影像像图图以以及及地地图图的的修修测测。DTMDTM是是地地理理信信息息系系统统的的基基础础数数据据，可可用用于于土土地地利利用用现现状状的的分分析析、合合理理规规划划和和洪洪水水险险情情预报等。在军事上可用于导航、作战电子沙盘等。预报等。在军事上可用于导航、作战电子沙盘等。（二）（二）DT

8、MDTM定义定义一、DEM概述Page 对对DTM的研究包括的研究包括DTM的精度问题、地形分类、数据采集、的精度问题、地形分类、数据采集、DTM的粗差探测、质量控制、数据压缩、的粗差探测、质量控制、数据压缩、DTM应用以及不应用以及不规则三角网规则三角网DTM的建立与应用等。的建立与应用等。（二）（二）DTMDTM定义定义一、DEM概述Page （三）（三）DEM 与与 DTM的的区分区分数字高程模型数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)：研究地面起伏。研究地面起伏。数字地形模型数字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)：含有地面起伏和

9、属性含有地面起伏和属性(如坡度、坡向等如坡度、坡向等)两个含两个含义，是义，是DEMDEM的进一步分析。的进一步分析。在地理信息系统中，在地理信息系统中，DEMDEM是建立是建立DTMDTM的基础数据，其的基础数据，其它的地形要素可由它的地形要素可由DEMDEM直接或间接导出，称为直接或间接导出，称为“派生派生数据数据”，如坡度、坡向。，如坡度、坡向。一、DEM概述Page DTM 是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。形属性特征的数字描述。如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、如地面温度、降

10、雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其他地面诸特征。土壤类型等其他地面诸特征。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字地形模型中地形属性为高程时称为DEM。高程是地理空间中的第高程是地理空间中的第三维坐标。三维坐标。数学表达为：数学表达为：z=fz=f（x x，y y）DEM是是DTM的的一个子集，是一个子集，是DTM的基础数据，最核心部分，可以从的基础数据，最核心部分，可以从中提取出各种地形信息，如高度、坡度、坡向、粗糙度，并进行通视分析，中提取出各种地形信息，如高度、坡度、坡向、粗糙度，并进行通视分析，流域结构生成等应用分析。流域结构生成等应用分析。一、DEM概述Page （四）（四）D

11、EM的表示方法的表示方法使用三维函数模拟使用三维函数模拟复杂曲面；复杂曲面；将一个完整曲面分将一个完整曲面分解成方格网或面积上解成方格网或面积上大体相等的不规则格大体相等的不规则格网，每个格网中有一网，每个格网中有一个点的观测值，即为个点的观测值，即为格网值；格网值；适用于曲面插值来适用于曲面插值来表示地下水或土壤的表示地下水或土壤的特性；特性；一、DEM概述Page 1 1、GRIDGRID模式（点模式）模式（点模式）规则格网法是把规则格网法是把DEMDEM表示成高程矩阵，此时，表示成高程矩阵，此时，DEMDEM来源于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。直接规则矩形格网

12、采样点或由不规则离散数据点内插产生。表示方法：表示方法：规则网格规则网格将区域划分成将区域划分成规则的规则的格网单元，格网单元，每个每个格网单元对应一个数值，格网单元对应一个数值，记录每个网格的高程；与栅格地图记录每个网格的高程；与栅格地图相同。通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。相同。通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。数学上表示为一个矩阵，在计算机实现中是一个二维数组。数学上表示为一个矩阵，在计算机实现中是一个二维数组。一、DEM概述Page 格网格网DEM1 1、GRIDGRID模式（点模式）模式（点模式）一、DEM概述Page 对于每个格网的数值有两种不同的解释。对

13、于每个格网的数值有两种不同的解释。第一种是第一种是格格网栅格观点网栅格观点，认为该格网单元的数值是其中所有点的，认为该格网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一的高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。第二种是第二种是点栅格观点点栅格观点，认为该网格单元的数值是网格，认为该网格单元的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值，这样就需中心点的高程或该网格单元的平均高程值，这样就需要用一种插值方法来计算每个点的高程。要用一种插值方法来计算每个点的高程。1 1、GRIDGRI

14、D模式（点模式）模式（点模式）一、DEM概述Page 优点：优点：规规则格网的高程矩阵，可以则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处很容易地用计算机进行处理理。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为自动提取流域地形，使得它成为DEMDEM最广泛使用的最广泛使用的格式。格式。缺点：缺点：是是不能准确表示地形的结构和细部不能准确表示地形的结构和细部，为避免这些问题，为避免这些问题，可采用附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、谷底线、可采用附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、谷底线、断裂线，以描述地形断

15、裂线，以描述地形结构。结构。1 1、GRIDGRID模式（点模式）模式（点模式）一、DEM概述Page 格网格网DEMDEM的另一个缺点是数据量过大的另一个缺点是数据量过大，给数据管理带来，给数据管理带来了不方便，通常要进行压缩存储。了不方便，通常要进行压缩存储。DEMDEM数据的无损压缩可以采用普通的栅格数据压缩方式，数据的无损压缩可以采用普通的栅格数据压缩方式，如如游程编码、块码游程编码、块码等。等。但是由于但是由于DEM DEM 数据反映了地形的连续起伏变化，通常比数据反映了地形的连续起伏变化，通常比较较“破碎破碎”，普通压缩方式难以达到很好的效果。，普通压缩方式难以达到很好的效果。因此

16、对于网格因此对于网格DEMDEM数据，可以采用数据，可以采用哈夫曼编码（无损压哈夫曼编码（无损压缩）；离散余弦变换或小波变换（有损压缩）。缩）；离散余弦变换或小波变换（有损压缩）。1 1、GRIDGRID模式（点模式）模式（点模式）一、DEM概述Page 2、DEM的线模式表示的线模式表示-等高线模式等高线模式描述高程曲线的是描述高程曲线的是等高线等高线；数字化现有等高线地图产生的数字化现有等高线地图产生的DEMDEM比直接利用航空摄影测量比直接利用航空摄影测量方法产生的方法产生的DEMDEM质量要差；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数字化的等高线对于计算坡度或生成

17、着色地形图不十分适用。用。一、DEM概述等高线是表示地形最常见的形式。其它的地形特征线也是表等高线是表示地形最常见的形式。其它的地形特征线也是表达地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡达地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。度变换线等。Page 2、等高线模式、等高线模式 等高线通常被存储成一个有序的坐标点序列，可以认为是等高线通常被存储成一个有序的坐标点序列，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。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

18、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。外包的两条等高线的高程进行插值。一、DEM概述Page 2 2、等高线模式、等高线模式一、DEM概述等高线模型表示高程，等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个每一条等高线对应一个已知的高程值，这样一已知的高程值，这样一系列等高线集合和它们系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了的高程值一起就构成了一种地面高程

19、模型。一种地面高程模型。Page 等高线通常可以用二维的链表来存储。另外的一种方法是用图来表等高线通常可以用二维的链表来存储。另外的一种方法是用图来表示等高线的拓扑关系，将等高线之间的区域表示成图的节点，用边示等高线的拓扑关系，将等高线之间的区域表示成图的节点，用边表示等高线本身。此方法满足等高线闭合或与边界闭合、等高线互表示等高线本身。此方法满足等高线闭合或与边界闭合、等高线互不相交两条拓扑约束。不相交两条拓扑约束。下图为一个等高线图和它相应的自由树。下图为一个等高线图和它相应的自由树。2 2、等高线模式、等高线模式一、DEM概述Page 3 3、不规则三角网、不规则三角网(TINTIN)尽

20、管规则格网尽管规则格网DEMDEM在计算和应用方面有许多优点，但在计算和应用方面有许多优点，但也存在许多难以克服的缺陷：也存在许多难以克服的缺陷：-在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余；在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余；-在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象；突变现象；-在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。一、DEM概述Page 不规则三角网不规则三角网(TIN)表示法克服了高程矩阵中冗余数据的表示法克服了高程矩阵中冗余数据的问题，而且能更加有效地用于各类以问题，而且能更加有

21、效地用于各类以DTMDTM为基础的计算。但为基础的计算。但其结构复杂。其结构复杂。TIN（Triangulated Irregular Network)表示法利用所有采样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(各三各三角形的顶点角形的顶点)连接成相互连续的三角面连接成相互连续的三角面(在连接时，尽可能地确在连接时，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保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等DelaunayDelaunay)。三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的密度和位置三角面的形

22、状和大小取决于不规则分布的测点的密度和位置。3 3、不规则三角网、不规则三角网(TIN)(TIN)一、DEM概述Page 区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值线性插值的方法得到的方法得到（在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程的高程）。所以）。所以TINTIN是一个三维空间的分段线性模型，在整是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。个区域内连续但不可微。因为因为TINTIN

23、可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，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。据冗余。3 3、不规则三角网、不规则三角网(TIN)(TIN)一、DEM概述Page （1 1）TINTIN模型的存储方式模型的存储方式-TINTIN的数据存储方式比格网的数据存储方式比格网DEMDEM复杂复杂，它不仅要存储，它不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。拓扑关系，三角形及邻接三角形等

24、关系。TINTIN模型在模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是TINTIN模型不需要定义模型不需要定义“岛岛”和和“洞洞”的拓扑关系。的拓扑关系。一、DEM概述Page （1 1）TINTIN模型的存储方式模型的存储方式 有许多种表达有许多种表达TINTIN拓扑结构的存储方式，一般来讲，拓扑结构的存储方式，一般来讲，对于每一个三角形、边和节点都对应一个记录，对于每一个三角形、边和节点都对应一个记录，三角三角形的记录形的记录包括三个指向它三个边的记录的指针；包括三个指向它三个边的记录的指针；边的边的记录记录有四个指针字段，包括两个指向相邻三角形

25、记录有四个指针字段，包括两个指向相邻三角形记录的指针和它的两个顶点的记录的指针；也可以直接对的指针和它的两个顶点的记录的指针；也可以直接对每个三角形记录其顶点和相邻三角形。每个三角形记录其顶点和相邻三角形。一、DEM概述Page NoXYZ190.010.043.5250.710.067.3367.223.962.6:810.090.081.0一、DEM概述Page （2）TIN模型的表现一、DEM概述Page （3 3）TINTIN小结小结表示方法：表示方法：将区域划分为相邻的三角面网络，区域中任意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、线或三角形内。落点都将落在三角面

26、顶点、线或三角形内。落在顶点上在顶点上其高程其高程与顶点相同；落与顶点相同；落在线上在线上则由两个顶点线性插值得到；落则由两个顶点线性插值得到；落在三在三角形内角形内则由三个顶点插值得到。则由三个顶点插值得到。生成方法：生成方法：由不规则点、矩形格网或等高线转换而得到。由不规则点、矩形格网或等高线转换而得到。TINTIN允许在地形复杂地区收集较多的信息，而在简单的地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。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

27、。有效，如坡度、坡向等的计算。一、DEM概述Page （五）（五）建立建立DEMDEM的目的的目的 1 1）作为国家地理信息的基础数据；）作为国家地理信息的基础数据；2 2）土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计；）土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计；3 3）为军事目的而进行的三维显示；）为军事目的而进行的三维显示；4 4）景观设计与城市规划；）景观设计与城市规划；5 5）流水线分析、可视性分析；）流水线分析、可视性分析；6 6）交通路线的规划与大坝选址；）交通路线的规划与大坝选址；7 7）不同地表的统计分析与比较；）不同地表的统计分析与比较；一、DEM概述Page 8 8）生生成成坡坡度

28、度图图、坡坡向向图图、剖剖面面图图、辅辅助助地地貌貌分分析析、估估计计侵蚀和径流等；侵蚀和径流等；9 9）作作为为背背景景叠叠加加各各种种专专题题信信息息如如土土壤壤、土土地地利利用用及及植植被被覆盖数据等，以进行显示与分析；覆盖数据等，以进行显示与分析；1010）与）与GISGIS联合进行空间分析；联合进行空间分析；1111）虚拟现实）虚拟现实(Virtual Reality)；此此外外，从从DEMDEM还还能能派派生生以以下下主主要要产产品品：平平面面等等高高线线图图、立立体体等等高高线线图图、等等坡坡度度图图、晕晕渲渲图图、通通视视图图、纵纵横横断断面面图图、三三维立体透视图、三维立体彩

29、色图等。维立体透视图、三维立体彩色图等。（五）建立（五）建立DEMDEM的目的的目的一、DEM概述Page (六）六）DEMDEM 特点特点1 1）容易以多种形式显示地形信息。）容易以多种形式显示地形信息。地形数据经过计算机软件处理过后，地形数据经过计算机软件处理过后，产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。而常规地形图一经制作产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。而常规地形图一经制作完成后，比例尺不容易改变或需要人工处理。完成后，比例尺不容易改变或需要人工处理。2 2）精度不会损失。）精度不会损失。常规地图随着时间的推移，图纸将会变形，失掉原有常规地图随着时间的推移，图纸将会变形，

30、失掉原有的精度。而的精度。而DEMDEM采用数字媒介，因而能保持精度不变。另外，由常规的地采用数字媒介，因而能保持精度不变。另外，由常规的地图用人工的方法制作其他种类的地图，精度会受到损失，而由图用人工的方法制作其他种类的地图，精度会受到损失，而由DEMDEM直接输直接输出，精度可得到控制。出，精度可得到控制。3 3）容易实现自动化、实时化。）容易实现自动化、实时化。常规地图要增加和修改都必须重复相同的常规地图要增加和修改都必须重复相同的工序，劳动强度大而且周期长，而工序，劳动强度大而且周期长，而DEMDEM由于是数字形式的，所以增加和修由于是数字形式的，所以增加和修改地形信息只需将修改信息直

31、接输入计算机，经软件处理后即可得各种地改地形信息只需将修改信息直接输入计算机，经软件处理后即可得各种地形图。形图。与与传统传统地形地形图图比比较较，DEMDEM作作为为地形表面的一种数字表达形式有如下特点：地形表面的一种数字表达形式有如下特点：一、DEM概述Page 二、DEM数据来源数据源来源：数据源来源：（1 1）航空或航天遥感图像为数据源）航空或航天遥感图像为数据源（2 2）以地形图为数据源）以地形图为数据源 （3 3）以地面实测记录为数据源）以地面实测记录为数据源（4 4）其它数据源）其它数据源 数据源决定采集方法数据源决定采集方法。数据点的采集密度和采数据点的采集密度和采点的选择决定

32、点的选择决定DEMDEM的精度。的精度。（一）（一）DEM数据采集Page DEM数据采集方法数据采集方法1）数字）数字摄影影测量方法量方法这是是DEM数据采集最常用的方法之一。利用附有的自数据采集最常用的方法之一。利用附有的自动记录装置（接口）装置（接口）的立体的立体测图仪或立体坐或立体坐标仪、解析、解析测图仪及数字及数字摄影影测量系量系统，进行人工、行人工、半自半自动或全自或全自动的量的量测来来获取数据。取数据。2）现有地有地图数字化数字化利利用用数数字字化化仪对已已有有地地图上上的的信信息息（如如等等高高线）进行行数数字字化化的的方方法法，目目前前常用的数字化常用的数字化仪有手扶跟踪数字

33、化有手扶跟踪数字化仪和和扫描数字化描数字化仪。3）地面）地面测量量利利用用自自动记录的的测距距经纬仪（常常用用电子子速速测经纬仪或或全全站站经纬仪）在在野野外外实测。4）空）空间传感器感器利用全球定位系利用全球定位系统GPS，结合雷达和激光合雷达和激光测高高仪等等进行数据采集。行数据采集。二、DEM数据来源Page （一）（一）DEM数据采集1 1、数字摄影测量：、数字摄影测量：利用带自动记录装置的立体测图仪或立体利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。全自动的量测。其原理

34、是在摄影图的基础上利用测图仪进行测量其原理是在摄影图的基础上利用测图仪进行测量。二、DEM数据来源Page 数字摄影测量采样点的选取：数字摄影测量采样点的选取：沿等高线采样：沿等高线采样：主要用于山区采样。主要用于山区采样。规则网格采样：规则网格采样：按规则矩形网格进行采样，可直接生成规按规则矩形网格进行采样，可直接生成规则矩形格网的则矩形格网的DEMDEM数据。数据。渐进采样：渐进采样：根据地形使采样点合理分布，即平坦地区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。点少，地形复杂区采样点多。选择采样：选择采样：根据地形特征进行采样，如沿山脊线、山谷线根据地形特征进行

35、采样，如沿山脊线、山谷线等进行采集。等进行采集。混合采样。混合采样。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。成点模式格式数据。二、DEM数据来源Page 数字摄影测量采样点的选取数字摄影测量采样点的选取n沿等高线采样n规则格网采样二、DEM数据来源Page 2 2、现有地图数字化：、现有地图数字化：对已有地图上的信息对已有地图上的信息(如等高线如等高线)进进行数字化。行数字化。u手扶跟踪数字化仪u扫描数字化仪二、二、DEMDEM数据来源数据来源（一）（一）DEMDEM数据采集数据采集Page 3 3、地面测量：、地面测量

36、：这种方法以地面实测记这种方法以地面实测记录为数据源，利用录为数据源，利用GPSGPS、全站仪和电子手、全站仪和电子手簿或测距经纬仪等设备，在已知点位的测簿或测距经纬仪等设备，在已知点位的测站上，观测到目标点的方向、距离和高差站上，观测到目标点的方向、距离和高差3 3个要素。计算出目标点的（个要素。计算出目标点的（x,y,zx,y,z）三维）三维坐标，存储于电子手簿或袖珍计算机中，坐标，存储于电子手簿或袖珍计算机中，成为建立成为建立DEMDEM的原始数据。的原始数据。这种方法一般用于建立小范围大比例尺区这种方法一般用于建立小范围大比例尺区域的域的DEMDEM，对高程的精度要求较高。，对高程的精

37、度要求较高。二、二、DEMDEM数据来源数据来源（一）（一）DEMDEM数据采集数据采集Page 4 4、空间传感器：、空间传感器：利用利用GPSGPS，结合雷达和激光测高仪采集数据。结合雷达和激光测高仪采集数据。GPS激光测高仪二、二、DEMDEM数据来源数据来源（一）（一）DEMDEM数据采集数据采集Page （二）（二）DEMDEM的生成的生成方法：方法：1 1、人工格网法、人工格网法2 2、三角网法、三角网法3 3、立体像对法、立体像对法4 4、曲面拟合法、曲面拟合法5 5、等值线插值法、等值线插值法二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 1 1、人工格网法、人工格网法在地形图上

38、蒙上格网，在地形图上蒙上格网，逐格逐格读取读取中心点中心点或或交点交点的高程值。的高程值。二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 2 2、三角网法、三角网法 对有限个离散点，对有限个离散点，每三个每三个邻近点邻近点联结成联结成三角形，每个三三角形，每个三角形代表一个角形代表一个局部平面局部平面，再根据每个平面方程，可计算，再根据每个平面方程，可计算各格各格网点网点高程，生成高程，生成DEMDEM。二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 构三角网的要求：构三角网的要求：应尽可能保证每个三角形是锐角三角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，避免出现形或三边的长度近似相

39、等，避免出现过大的钝角和过小的锐角。过大的钝角和过小的锐角。二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 角度判断法建立角度判断法建立TIN当已知三角形的两个顶点后，利用当已知三角形的两个顶点后，利用余余弦定理弦定理计算备选第三顶点的三角形内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角的大小，选择最大者对应的点为该三角形的第三顶点。三角形的第三顶点。将原始数据分块将原始数据分块 检索所处理三角形邻近点检索所处理三角形邻近点二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page C1C2C3第一步：确定第一个三角形第一步：确定第一个三角形则则C为该三角为该三角形第三顶点形第三顶点 AB二、

40、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 构网示意图构网示意图与与A A点距离点距离最近的点最近的点哪个内哪个内角最大角最大二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 第二步：三角形的扩展第二步：三角形的扩展对对每每一一个个已已生生成成的的三三角角形形的的新新增增加加的的两两边边，按按角角度度最最大大的的原原则则向向外外进进行行扩扩展展，并进行是否重复的检测。并进行是否重复的检测。向外扩展的处理：若从顶点为向外扩展的处理：若从顶点为P P1 1(X(X1 1,Y,Y1 1),),P P2 2(X(X2 2,Y,Y2 2),P),P3 3(X(X3 3,Y,Y3 3)的三角形之的三角形之P P

41、1 1P P2 2边向外扩边向外扩展，应取位于直线展，应取位于直线P P1 1P P2 2与与P P3 3异侧的点异侧的点 二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 异则判断异则判断p3p2若备选点若备选点P P之坐标为（之坐标为（X X，Y Y）重重复复与与交交叉叉的的检检测测：任任意意一一边边最最多多只只能能是是两两个个三三角形的公共边。角形的公共边。p1二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page Delaunay三角网与Vornoi图（偶图）二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page Voronoi图图，又叫泰森多边形或，又叫泰森多边形或Dirichlet图，它由一组连续图，它由

42、一组连续多边形组成，多边形的边界是由连接两邻点线段的垂直平多边形组成，多边形的边界是由连接两邻点线段的垂直平分线组成。分线组成。Delaunay三角形三角形是由与相邻是由与相邻Voronoi多边形共享一条边的多边形共享一条边的相关点连接而成的三角形。相关点连接而成的三角形。Delaunay三角形的外接圆圆心三角形的外接圆圆心是与三角形相关的是与三角形相关的Voronoi多边形的一个顶点。多边形的一个顶点。Delaunay三角形是三角形是Voronoi图的偶图图的偶图。二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page Delaunay三角网有以下特性：三角网有以下特性：1）其）其Delaunay三角

43、网是唯一的；三角网是唯一的；2）三角网的外边界构成了点集）三角网的外边界构成了点集P的凸多边形的凸多边形“外壳外壳”；3）没有任何点在三角形的外接圆内部，反之，如果一个三）没有任何点在三角形的外接圆内部，反之，如果一个三角网满足此条件，那么它就是角网满足此条件，那么它就是Delaunay三角网。三角网。4）如果将三角网中的每个三角形的最小角进行升序排列，）如果将三角网中的每个三角形的最小角进行升序排列，则则Delaunay三角网的排列得到的数值最大，从这个意义上三角网的排列得到的数值最大，从这个意义上讲，讲，Delaunay三角网是三角网是“最接近于规则化最接近于规则化”的三角网。的三角网。二

44、、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 3 3、立体像对法、立体像对法资料来源于张超主编的资料来源于张超主编的地理信息系统教程地理信息系统教程所配光盘所配光盘二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 4 4、曲面拟合法、曲面拟合法 根据根据有限个有限个离散点的高程，采用离散点的高程，采用多项式多项式或或样条函数样条函数求得求得拟合公式拟合公式，再逐个计算各点的高程，得到拟合的再逐个计算各点的高程，得到拟合的DEMDEM。可反映可反映总的地势总的地势，但，但局部局部误误差差较大较大。可分为：。可分为：整体拟合：整体拟合：根据研究区域内根据研究区域内所有采样点所有采样点的观测值建立的观测值

45、建立趋势面模型趋势面模型。特。特点是不能反映内插区域内的局部特征。点是不能反映内插区域内的局部特征。局部拟合：局部拟合：利用利用邻近的邻近的数据点数据点估计估计未知点的值，能未知点的值，能反映局部反映局部特征。特征。二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 5 5、等高线插值法、等高线插值法二、二、DEMDEM数据来源数据来源Page 三、DEM的应用1 1、基于、基于DEMDEM的信息提取的信息提取2 2、等高线的绘制、等高线的绘制3 3、基于、基于DEMDEM的可视化分析的可视化分析1 1、三维景观、三维景观2 2、数码城市和虚拟现实、数码城市和虚拟现实3 3、DEMDEM在工程上的应

46、用在工程上的应用概述应用：概述应用：应用算法：应用算法：Page 1、三维景观Page Page 2 2、数码城市和虚拟现实、数码城市和虚拟现实City ModelDOMDEMDLGAttribute RDB三、DEM的应用Page 数码深圳数码深圳三、DEM的应用Page 3D 3D 建筑建筑三、DEM的应用Page DEM+DOM+DLGDOM+DLG三、DEM的应用Page （交通部公路勘测设计院）（交通部公路勘测设计院）（交通部公路勘测设计院）（交通部公路勘测设计院）交通行业：数字公路交通行业：数字公路三、DEM的应用Page 3、DEM的土石方计算立体计算线路挖土、石方量立体计算线路

47、挖土、石方量三、DEM的应用Page 4 4、坡度图和坡向图、坡度图和坡向图的制作的制作 通常用通常用3*33*3的格网窗口的格网窗口在在DEMDEM数据矩阵中连续移动数据矩阵中连续移动计算完成。计算完成。三、DEM的应用Page 5 5、等高线的绘制、等高线的绘制在格网在格网DEMDEM上上自动绘制自动绘制等高线主要包括两个步骤：等高线主要包括两个步骤：1 1、等高线追踪、等高线追踪，利用，利用DEMDEM矩形格网点的高程内插出矩形格网点的高程内插出格网边格网边上上的等高线点，并将这些等高线点的等高线点，并将这些等高线点排序排序；2 2、等高线光滑、等高线光滑，进一步，进一步加密加密等高线点

48、并绘制光滑曲线。等高线点并绘制光滑曲线。三、DEM的应用Page 6 6、剖面分析、剖面分析1 1）意义：）意义：常常可以常常可以以线代面以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓形状、，研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。如果在地形剖面上如果在地形剖面上叠加叠加其它地理变量，例如坡度、土壤、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。和选址等的决策依据。三、DEM的应用Page 2）绘制）绘制可在格网可在格

49、网DEMDEM或三角网或三角网DEMDEM上进上进行。行。已知两点的坐标已知两点的坐标A(xA(x1 1，y y1 1)，B B(x(x2 2，y y2 2)，则可求出两点连线则可求出两点连线与格网或三角网的交点，并内与格网或三角网的交点，并内插交点上的高程，以及各交点插交点上的高程，以及各交点之间的距离。然后按选定的垂之间的距离。然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图。离和高程绘出剖面图。剖面图不一定必须沿直线绘剖面图不一定必须沿直线绘制，也可沿一条曲线绘制。制，也可沿一条曲线绘制。三、DEM的应用Page 7 7、基于、基于DEMDEM的可视化

50、分析的可视化分析(通视分析）通视分析）可视化分析是指以可视化分析是指以某一点某一点为观察点，研究为观察点，研究某一区域通视情某一区域通视情况况的地形分析。的地形分析。方法：方法：a a、以以O O为为观观察察点点，对对格格网网DEMDEM或或三三角角网网DEMDEM上上的的每每个个点点判判断断通通视视与与否否，通通视视赋赋值值为为1 1，不不通通视视赋赋值值为为0 0。由由此此可可形形成成属属性性值值为为0 0和和1 1的的格格网网或或三三角角网网。对对此此以以0.50.5为为值值追追踪踪等等值值线线，即即得得到到以以O O为观察点的通视图。为观察点的通视图。b b、以观察点以观察点O O为轴