chapter数字高程模型的采样理论实用.pptx

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1、特征要素：特征点、特征线 特征点如山顶、洼地、鞍部、山脚点、山脊点、山谷点等；特征线包括山脊线、山谷线、各种断裂线（陡坎、海岸线、水涯线等）。地形特征点线构成了地形的骨架，决定着地貌形态的宏观趋势。非特征要素：随机点、随机线。为满足采样点密度要求而加测的点，这些点线主要是用来辅助地形重建。第1页/共39页1 地面复杂程度描述 地形表面复杂程度可用粗糙度roughness和不规则性irregularity来表述，可用不同的参数来表达。光谱频率Frequency spectrum 分维数Fractal dimension 曲率Curvature 协方差和自相关Covariance and auto

2、-correlation 坡度Slope 第2页/共39页 坡度（slope）是地表单元陡缓的程度，通常把坡面的铅直高度h和水平宽度l的比叫做坡度（或叫做坡比）用字母i表示。坡度的表示方法有百分比法、度数法、密位法和分数法四种，其中以百分比法和度数法较为常用。(1)百分比法 表示坡度最为常用的方法，即两点的高程差与其水平距离的百分比，其计算公式如下：坡度 (高程差/水平距离)x100%使用百分比表示时，即：i=h/l100 例如：坡度3%是指水平距离每100米,垂直方向上升(下降)3米；1%是指水平距离每100米,垂直方向上升(下降)1米。(2)度数法 用度数来表示坡度，利用反三角函数计算而得

3、，其公式如下：tan(坡度)高程差/水平距离第3页/共39页地面粗糙度表达因子-坡度，高度，坡长地形表面粗糙度和复杂程度的参数坡度 这里,指坡度角的平均值，H是描述地形的高度，理解为振幅，W是坡长第4页/共39页结论：（1）坡度是地表形态最为重要的因子，通过坡度可以完整地形成地形曲面（2）坡度通过相互垂直的两个坐标轴方向的高程变化表达地形曲面局部单位的倾斜程度。（3）坡度是地形曲面函数一阶微分的函数，表达了高程随距离变化的比率。坡度的变率是地形曲面的二阶微分，进一步刻画了坡度的变化，从而反映地形的复杂程度。（4）区域DEM高程精度与平均坡度值之间存在强相关，通过模型的平均坡度可预测DEM的精度

4、（Ackermann,1979）第5页/共39页从形态学观点看，地形表面的各种形态可以用坡度角变化来定义 地表坡度的变化（山顶点，谷底点，凸起点，凹点）第6页/共39页2 根据坡度的地面分类平均坡度:为等高距，为测区等高线总长度，为测区面积第7页/共39页2.3 地面采样的理论基础地形剖面：此剖面可用一系列正弦波和余弦波的和来表示 波束最大频率值F（即有某一段波的周期最小）1 采样的理论背景第8页/共39页2 基于不同观点的采样基于不同的采样观点，可以设计并评估不同的采样方法，具体以下三种:基于统计学观点的采样statistics-based基于几何学观点的采样geometry-based基于

5、地形特征的采样feature-based第9页/共39页2.4 数据采样策略 u 1 沿等高线采样 在地形复杂的陡峭地区，采用沿等高线跟踪的方式进行数据采集；而在平坦的地区，则不宜沿等高线采样。第10页/共39页u 2 规则格网采样 通过规定X和Y轴方向的间距来形成平面格网，在立体模型上量测这些格网点的高程。规则格网采样能确保所采集数据的平面坐标具有规则的格网形式。第11页/共39页u 3 剖面法l 格网法中量测点是在格网的两个方向上都规则采样，而在剖面法中，数据采样时将X或Y轴之一固定，只沿一个方向即剖面方向上采样。l 在剖面法中，通常情况下点以动态方式量测，而不象在规则采样中以静态方式进行

6、。所以剖面法采样速度较快，精度较低。第12页/共39页u 4 渐进采样l随着地形复杂程度的变化合理的分布采样点，小区域的格网间距逐渐改变，而采样也由粗到精地逐渐进行。l 渐进采样能解决规则格网采样方法所固有的数据冗余问题，但仍然存在一些缺点：1）在地表突变邻近区域内的采样数据仍有较高的冗余度；2）有些相关特性在第一轮粗略采样中有可能丢失，并且不能在其后的任一轮采样中恢复；3）跟踪路径太长，导致时间效率降低。第13页/共39页u5 选择性采样l 根据地形特征进行选择性采样，如山脊线、山谷线、断裂线以及离散特征点进行采样。l优点：需要少量的点便能使其所代表的地面具有足够的可信度。l 没有一种自动采

7、样程序是基于这种采样方法的。第14页/共39页u6 混合采样l 选择采样与规则格网采样组合或者选择采样与渐进采样相结合的采样方法。l 在地形突变处，以选择采样的方式进行，然后这些特征线和另外一些特征点，如山顶点等被加入到规则格网中。l 混合采样可建立附加地形特征的规则矩l形格网DEM，也可建立没特征附加三角l网混合形式的DEM，但其数据的存储管l理与应用均较复杂。第15页/共39页2 数据采集方式 根据自动化程度分：全手工 半自动化，也称交互式（摄影测量）全自动化 在数字摄影测量工作站中，进行交互式数据采集。首先使用计算机自动相关生成粗格网DEM，然后在立体模型上加测地形特征线，在此基础上内插

8、细格网DEM。第16页/共39页交互式采集（1）、（3）、（5）和（6）等策略适合于利用解析测图仪或机助测图仪进行半自动化的交互式数据采集。自动采集 按照相片上的规则格网利用数字影像匹配进行数据采集；若利用高程直接求解的影像匹配方法，也可按模型上的规则格网进行数据采集。第17页/共39页不同的数据获取方法地面直接采集数据：通过经纬仪和GPS在地形表面直接采样地图采集数据：用数字化仪数字化地形图 摄影测量数据采集：通过摄影测量设备对立体像对采样激光扫描数据采集：主动能发出能量并记录散射回的能量 合成孔径雷达采集数据:雷达,干涉技术和雷达波探测器主动发射微波并记录反射回的微波第18页/共39页影像

9、数据及其特征现势性好：获取速度快、更新速度快、更新面积大（大范围DEM数据的最有价值来源）相对精度和绝对精度低的遥感影像：LandsatMSS、TM传感器、SPOT高分辨率遥感图像：1 1米分辨率的IKONOS IKONOS 0.61米QUICKBIRD 第19页/共39页 应用时要注意以下几个特点：遥感影像的几何畸变；遥感数据的增强处理，用于扩大不同地物影像的密度差；遥感影像数据的空间分辨率；遥感影像数据的解译和判读；第20页/共39页2 地形图 世界上所有的国家都拥有地形图，这些地形图是DEM另一主要数据源。这些地形图为地形建模提供了丰富的数据源，但对部分发展中国家来说，这些资源是比较匮乏

10、。地形图第21页/共39页地形图的特点：地形图现势性地形图存储介质地形图精度第22页/共39页2.5 数字高程模型数据来源3 地面本身及其他数据源 高精度 大比例尺 效率低 费用昂贵 不适合大规模数据采集 第23页/共39页摄影测量学四个阶段的特性第24页/共39页3）地形图数据采集方法 自动手动线状跟踪扫描手动线状跟踪自动线状跟踪手动扫描自动扫描第25页/共39页A 手扶跟踪数字化 流方式 等时间间隔或等距离间隔记录坐标 缺点：会产生过于密集的点数据会有偏差采用等距离记录方式，弯曲顶点的数字化误差较大。点方式 可以控制采集特征点，大大减少了非特征点数据。第26页/共39页手扶跟踪数字化 优点

11、：计算机容易处理向量数据 速度慢、人工劳动强度大 缺点 难以保证数据精度第27页/共39页B 扫描数字化和栅格矢量化扫描过程：将地形图从模拟状态（纸质地图）通过扫描转换成灰度（彩色）的数字数据（影像），即以像素信息方式存储地图信息。注意两个问题：分辨率、颜色矢量化过程：将得到的栅格图像转化为矢量数据。具体方法：手动、半自动、全自动式第28页/共39页步骤：扫描图件准备：图件、接图表、控制点、坐标系等图件预处理：检查图面是否平整、图廓点与符号清晰，量测图廓边长，检查变形情况，检查接边，等高线连接情况等。定向纠正与编辑：将地图数据由数字化仪坐标（扫描文件坐标）转化为地理/地图坐标。若图面变形大，逐

12、格网进行纠正。坐标变化方式由仿射变换、双线性变换、二次多项式等方法。坐标误差要小于10米。第29页/共39页第30页/共39页第31页/共39页2 数据采集方法对比分析选择数据采集方法考虑的因素：目的和需求、DEM精度、所需设备条件、拥有的经费等。1）地形图：优点：a 原始数据容易获取 b 对仪器设备和作业人员要求不高 c 采集速度较快，易于大批量作业 手扶跟踪数字化 地图扫描 第32页/共39页2 数据采集方法对比分析2）摄影测量学：优点：更新速度快，数据精度较高，范围广 缺点：费用昂贵3）野外实测数据：优点：精度最高，适合于小范围大比例尺DEM生产 缺点：工作量大，效率低，费用昂贵，不适合

13、大规模数据采集 第33页/共39页方法速度适用范围高程数据精度采集成本地形图手扶跟踪慢小低低扫描矢量化较快小较低最低摄影测量航空航天摄影快最大普通遥感精度低机载激光扫描和干涉雷达精度高机载激光扫描和干涉雷达最高地面摄影快较大高高野外测量最慢最小最高高2.数据采集方法对比第34页/共39页采样即选择点的过程，此过程有两个影响的参数：数据的分布 数据的密度量测点的X,Y坐标是对点方位的确认，影响其的因素是：数据精度2.7 数字高程模型源数据的三大属性Attributes of sampled source dataAttributes of sampled source data 第35页/共39

14、页规则分布规则分布二维规则格网二维规则格网按矩形格网分布采样数据点按矩形格网分布采样数据点按正方形格网分布采样数据点按正方形格网分布采样数据点特殊规则分布特殊规则分布按三角形分布采样数据点按三角形分布采样数据点按六边形分布采样数据点按六边形分布采样数据点不规则分布不规则分布一维分布一维分布剖面剖面沿等高线采样数据点沿等高线采样数据点链表分布链表分布沿断裂线等特征线分布采样数据点沿断裂线等特征线分布采样数据点随机分布随机分布随机分布采样点随机分布采样点数据的分布第36页/共39页2 数据的密度数据密度是指采样数据密集程度，与研究区域的地貌类型和地形复杂程度相关。用于刻画地形形态所必需的最少的数据点。表示方法：相邻两点之间的距离、单元面积内的点数、截止频率、单位线段上的点数等。采样距离：相邻两采样点之间的距离，也称采样间隔。第37页/共39页2 数据密度data density 采样间隔(或采样距离)相邻两点之间的距离。例如:20m表示规则格网分布的采样数据 单元面积内点数 例如：每平方千米500点。描述随机分布的采样数据 截止频率 如果采样间隔从空间域转换到频率域，则可获得截止频率(采样数据所能表示的最高频率)。第38页/共39页感谢您的观赏！第39页/共39页