数字地面模型的建立与应用.pptx

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1、第一节第一节数字地面模型的概念数字地面模型的概念第1页/共111页n数字地面模型的发展过程数字地面模型的发展过程n数字地面模型的概念及其形式数字地面模型的概念及其形式主要内容主要内容 第2页/共111页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1.数字地面模型的发展过程数字地面模型的发展过程第3页/共111页 原始影像原始影像 凸包凸包 表面模型表面模型第4页/共111页 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）第5页/共111页50年代末是其概念的形成60年至70年代对DTM内插问题进行研

2、究70年代中、后期对采样方法进行了研究80年代以来，对DTM的研究涉及到DTM系 统的各个环节第6页/共111页著名的DTM软件包 德国Stuttgart大学研制的SCOP程序Munich大学研制的 HIFI程序Hannover大学研制的TASH程序奥地利Vienna工业大学研制SORA程序瑞士 Zurich工业大学研制的 CIP程序第7页/共111页2.2.数字地面模型的概念及其形式数字地面模型的概念及其形式地形表面形态等多种信息的一个数字表示DTM是定义在某一区域D上的m维向量有限序列：第8页/共111页数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）或 DHM(Dig

3、ital Height Model)是表示区域D上地形的三维向量有限序列第9页/共111页3.数字高程模型DEM 表示形式 规则矩形格网 第10页/共111页(X0,Y0)D xD y基础信息高程第11页/共111页不规则三角网TIN 第12页/共111页 Grid-TIN混合网第13页/共111页 第二节第二节数字高程模型的数据获取数字高程模型的数据获取及预处理及预处理第14页/共111页1.DEM1.DEM数据点的采集方法数据点的采集方法 地面测量：利用自动记录的测距经纬仪在野外实测 第15页/共111页现有地图数字化DLGu手扶跟踪数字化仪u扫描数字化仪第16页/共111页 空间传感器:

4、GPS激光测高仪第17页/共111页2.2.数字摄影测量的数字摄影测量的DEMDEM数据采集方数据采集方式式n沿等高线采样n规则格网采样n沿断面扫描第18页/共111页n渐进采样（Progressive Sampling）先按比较稀疏的间隔进行采样，获得一个稀疏的格网，然后分析是否需要加密P1P3P5P2P4h2h2h2第19页/共111页计算两点间中点的二次内插值与线性内插值之差利用高程的二阶差分第20页/共111页n选择采样选择采样:根据地形特征进行选择采样n混混合合采采样样:将规则采样与选择采样结合起来进行n自自动动化化DEMDEM数数据据采采集集:按影像上的规则格网利用数字影像匹配进行

5、数据采集。第21页/共111页3.DEM的质量控制 采样定理确定采样间隔地形剖面恢复误差确定采样间隔考虑内插误差的采样间隔和插值分析方法等采样间隔和数据量第22页/共111页 4.DEM4.DEM数据预处理数据预处理u 数据格式的转换u 坐标系统的变换u 数据的编辑u 栅格数据的矢量化转换u 数据分块第23页/共111页1.数据分块方法123456789第24页/共111页2.数据分块方法交换法 将数据点按分块格网的顺序进行交换，使属于同一分块格网的数据点连续地存放在一起1234序号10000第25页/共111页链指针法 对于每一数据点，增加一存贮单元，存放属于同一个分块格网中下一个点在数据文

6、件中的序号点号链指针2001100002004 200序号10000第26页/共111页3.子区边界的提取 地面上存在着各种各样的断裂线，使地面并不光滑，这就需要将地面分成若干区域即子区第27页/共111页第三节第三节数字高程模型的内插方法数字高程模型的内插方法摄影测量学第六章摄影测量学第六章第28页/共111页n移动曲面内插方法移动曲面内插方法n多面函数内插方法多面函数内插方法n有限元内插方法有限元内插方法主要内容主要内容 第29页/共111页一一 移动曲面拟合法移动曲面拟合法 根据参考点上的高程求出其它待定点上的高程，u整体函数内插 u局部函数内插 u逐点内插法第30页/共111页建立局部

7、坐标2.移动曲面拟合法步骤对DEM每一个格网点，将坐标原点移至该DEM格网点P（Xp，Yp）第31页/共111页列出误差方程式选取邻近数据点 Pxyd i第32页/共111页误差方程式由n个数据点列出的误差方程为 第33页/共111页内插参数解算第34页/共111页计算每一数据点的权 l法化求解 系数F是待定点内插高程值ZP第35页/共111页除满足n6，保证各象限都有数据点，当地形起伏较大时，半径R不能取很大当数据点较稀或分布不均匀时，可能产生很大的误差 3.3.注意事项注意事项第36页/共111页采用了多个邻近点之加权平均水平面移动拟合法内插：4.加权平均水平面移动拟合法第37页/共111

8、页二二 多面函数法多面函数法DEMDEM内插内插“任何一个圆滑的数学表面总是可以用一系列有规则的数学表面的总和，以任意的精度进行逼近。”也就是一个数学表面上某点（X，Y）处高程Z的表达式为:第38页/共111页1.1.核函数核函数选其中n个为核函数的中心点各数据点应满足 i=1,2m第39页/共111页2.误差方程 3.法化求解得第40页/共111页4.任意一点上的高程第41页/共111页m=n 全部数据点取为核函数的中心 5.5.多面函数法解算多面函数法解算第42页/共111页三三 有限元法有限元法DEMDEM内插内插为了解算一个函数，把它分成为许多适当大小的“单元”，在每一单元中用一个简单

9、的函数，例如多项式来近似地代表它。第43页/共111页1.一次样条有限元DEM内插 Axyi,ji+1,ji+1,j+1i,j+1第44页/共111页若 A点是已知高程点，作为观测值，以格网高程Zi,j作为待定的未知数 误差方程式误差方程式第45页/共111页虚拟观测值误差方程式 第46页/共111页2.断裂线的处理（l）作线性内插 1234123456（2）重新划分区域第47页/共111页（4）分子区进行内插计算（3）不属于该子区的数据点不参加该子区的平差计算跌落法符号判断法 第48页/共111页 第四节第四节DEMDEM的精度及存储管理的精度及存储管理第49页/共111页一 估计DEM的精

10、度进行由地形功率谱与内插方法的传递函 数估计DEM 精度 第50页/共111页采样间隔和地形的复杂程度 均方误差 第51页/共111页2.利用检查点的DEM精度评定 在DEM内插时，预留一部分数据点作为检查点,在建立DEM之后，由DEM内插出这些点的高程，DEM的精度第52页/共111页二二 DEMDEM的存贮管理的存贮管理 1.1.DEMDEM数据文件的存贮数据文件的存贮 2 2.地形数据库地形数据库文件头+各格网点的高程第53页/共111页整型量存贮3.DEM3.DEM数据的压缩数据的压缩将高程数据减去一常数Z0 第54页/共111页差分映射相邻数据间的增量，数据范围较小，可以利用一个字节

11、存贮一个数据，第55页/共111页当差分的绝对值大于127时，将该数据之前的数据作为一个游程，差分游程法(增量游程法)-128-127第56页/共111页小模块差分法(小模块增量法)将DEM分成较大的格网小模块，每一模块包含5 X 5或10 X 10个DEM格网17 18 19 20 2116 5672215 4182314 3292413 12 11 10 25螺旋型21 22 23 24 2520 19 18 17 1611 12 13 14 1510 987612345往返型第57页/共111页 压缩编码 u用位数（bit）最短的码表示出现概率最大的数u概率较小数用位数较长的码表示数据的

12、平均最小位数可用信息论中熵的定义计算 第58页/共111页4.DEM4.DEM的管理的管理更新存贮拼接检查第59页/共111页第五节第五节不规则三角网的建立与应用不规则三角网的建立与应用摄影测量学第六章摄影测量学第六章第60页/共111页n三角网数字地面模型的构建三角网数字地面模型的构建n三角网数字地面模型的存储三角网数字地面模型的存储主要内容主要内容 第61页/共111页一一 三角网数字地面模型的构建三角网数字地面模型的构建1.角度判断法建立TIN 已知三角形的两个顶点，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三角形的第三顶点 第62页/共111页将原始数据分块 检索所处理

13、三角形邻近点 确定第一个三角形 C第三顶点 第63页/共111页AB与A点距离最近的点C1C2C3 示意图哪个内角最大第64页/共111页三角形的扩展 P1P3P2P4每个边只能扩展一次第65页/共111页TIN二二 三角网数字地面模型的存贮三角网数字地面模型的存贮129346578101273645981110第66页/共111页NO23459311234567NOXYZP190.0 10.0 43.51250.7 10.0 67.35367.2 23.9 62.681010.0 90.0 81.036网点邻接的指针链 坐标与高程值表 1.直接表示网点邻接关系的结构第67页/共111页n存贮

14、量小，编辑方便n计算量较大，不便于TIN的快速检索与显示第68页/共111页2.直接表示三角形及邻接关系的结构 检索效率高，但存贮量较大，编辑不方便。NOXYZ190.0 10.0 43.5250.7 10.0 67.3367.223.9 62.61010.0 90.0 81.0NOP1P2P311232134345111678NO123124213632711810坐标与高程值表 三角形表邻接三角形表第69页/共111页3.混合表示网点及三角形邻接关系的结构 坐标与高程值表NOXYZP190.010.043.51250.710.067.35367.223.962.681010.090.081

15、.036NO2345931NOP1P2P311232134345111678 三角形表网点邻接的指针链 第70页/共111页可将TIN转化为规则三角网存贮方式，从而实现TIN的压缩存贮 TIN的压缩存贮第71页/共111页第六节第六节数字地面模型的应用数字地面模型的应用摄影测量学第六章摄影测量学第六章第72页/共111页n基于矩形网的基于矩形网的DEMDEM多项式内插多项式内插n等高线绘制等高线绘制n立体透视图立体透视图nDEMDEM的其他应用的其他应用主要内容主要内容 第73页/共111页一一 基于矩形格网的基于矩形格网的 DEMDEM多项式内插多项式内插1.双线性多项式(双曲抛物面)内插

16、P(x,y)第74页/共111页 双线性多项式内插只能保证相邻区域接边处的连续，不能保证光滑第75页/共111页2.双三次多项式(三次曲面）内插 P(x,y)第76页/共111页保证相邻曲面之间的连续与光滑 第77页/共111页二二 三角网中的内插三角网中的内插p1.格网点的检索在哪个三角形里第78页/共111页2.高程内插 第79页/共111页三三 等高线的绘制等高线的绘制 1.基于矩形格网DEM自动绘制等高线 确定等高线高程 第80页/共111页(0,0)(1,0)(0,1)(1,1)表示等高线穿过DEM格网水平边与竖直边的状态 计算状态矩阵 第81页/共111页“1”代表格网边有等高线通

17、过“0”代表格网边没有等高线通过第82页/共111页 开曲线 闭曲线 等高线的起点和终点的处理 内插等高线点 第83页/共111页搜索下一个等高线点 i,ji+1,ji,j+1i+1,j+1第84页/共111页2.基于三角网的等高线绘制 n精度高n非规则边界n穿过三角形一次第85页/共111页u基于三角形搜索的等高线绘制 每一元素与一个三角形对应 NO 1 2 :第86页/共111页第87页/共111页TIN u基于三角形搜索的等高线步骤 第88页/共111页NOXYZP190.0 10.0 43.51250.7 10.0 67.35367.223.9 62.681010.0 90.0 81.

18、036坐标与高程值表NO2345931网点邻接的指针链 Flag()11u基于格网点搜索的等高线绘制 建立一个与邻接关系对应的标志数组 第89页/共111页对每一格网点，按记录的与该点形成格网边的另一端点的顺序搜索第90页/共111页避免避免重复重复和和遗漏遗漏129346578101273645981110第91页/共111页3.等高线光滑（曲线内插)曲线应通过已知的等高线点曲线在节点处光滑，即其一或二阶导数是连续的 相邻两个节点间的曲线没有多余的摆动 同一等高线自身不能相交。第92页/共111页四四 立体透视图立体透视图Landscape第93页/共111页1.1.立体透视图制作流程立体透

19、视图制作流程 选择适当的参考面高程Z选择适当的视点位置XS,YS,ZS；视线方位t（视线方向），（视线的俯视角度）第94页/共111页三维目标二维透视平面透视变换第95页/共111页XYZX2Z1Y1SOXsYsZs(X,Y,Z)X1Y2tn视点为“摄影中心”n用共线方程从物点坐标计算“像点”Z2第96页/共111页确定像面主距f 计算DEM四个角点的视线投射角，X1Y1Z1P第97页/共111页计算各节点之“像点”坐标 第98页/共111页消隐“峰值法”或高度缓冲器算法”第99页/共111页定义一个包含个元素的缓冲区第100页/共111页y坐标由线性内插计算将该“点”的y坐标（）与缓冲区中的

20、相应单元存放的坐标进行比较，第101页/共111页 五五 DEMDEM的其他应用的其他应用1.坡度、坡向的计算 Z00Z01Z11Z10 xyT第102页/共111页Qo与X轴之夹角T为坡向角坡向坡度第103页/共111页4个格同网点拟合一平面之坡度 u误差方程 u平面方程 第104页/共111页u法方程 第105页/共111页坡向角之正切为第106页/共111页2 面积、体积的计算 剖面积体积 由四棱柱与三棱柱体积进行累加ZiZi+1第107页/共111页表面积平均高程第108页/共111页u进行空间后方交会，确定方位元素;u量测像点坐标（x,y）;u计算出地面平面坐标近似值;u由平面坐标及DEM内插出高程Z;3 单像修测第109页/共111页外方位元素（x,y)近似Z(X,Y)DEM内插单像修测示意图S第110页/共111页感谢您的观看。第111页/共111页