第六章數(shù)字地面模型的建立與應(yīng)用PPT課件.ppt

數(shù)字高程模型 DEM 及其應(yīng)用 概述數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理數(shù)字高程模型的內(nèi)插方法DEM的精度及存貯管理三角網(wǎng)數(shù)字地面模型 1 概述 數(shù)字地面模型的發(fā)展過程數(shù)字地面模型DTM DigitalTerrainModel Miller教授1956年提出來 數(shù)字地面模型就是用一個(gè)用于表示地面特征的空間分布的數(shù)據(jù)陣列 最常用的是用一系列地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)X Y以及該點(diǎn)的高程Z或?qū)傩越M成的數(shù)字陣列 2 在遙感中可作為分類的輔助數(shù)據(jù) 它是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 可用于土地利用現(xiàn)狀的分析 合理規(guī)劃及洪水險(xiǎn)情預(yù)報(bào)等 在測繪中被用于繪制等高線 坡度坡向圖 立體透視圖 制作正射影像圖與地圖的修測 數(shù)字地面模型的發(fā)展過程 用于各種線路的設(shè)計(jì) 各種工程面積 體積 坡度的計(jì)算 任意兩點(diǎn)間可視性判斷及繪制任意斷面圖 3 在軍事上可用于導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo) 在工業(yè)上可利用數(shù)字表面模型DSM DigitalSurfaceModel 或數(shù)字物體模型DOM DigitalObjectModel 繪制出表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體的形狀 數(shù)字地面模型的發(fā)展過程 4 數(shù)字地面模型DTM的理論與實(shí)踐由數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用三部分組成 50年代末是其概念的形成 60年代至70年代對(duì)DTM內(nèi)插問題進(jìn)行研究 70年代中 后期對(duì)采樣方法進(jìn)行了研究 80年代以來 對(duì)DTM的研究已涉及到DTM系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié) 數(shù)字地面模型的發(fā)展過程 5 著名的DTM軟件包 德國Stuttgart大學(xué)研制的SCOP程序 Munich大學(xué)研制的HIFI程序 Hannover大學(xué)研制的TASH程序 奧地利Vienna工業(yè)大學(xué)研制的SORA程序及瑞士Zurich工業(yè)大學(xué)研制的CIP程序 這些程序也都擁有廣泛的應(yīng)用模塊 如等值線圖 立體透視圖 坡度圖及土方的計(jì)算等 6 數(shù)字地面模型的概念及形式 數(shù)字地面模型DTM是地形表面形態(tài)等多種信息的一個(gè)數(shù)字表示 DTM是定義在某一區(qū)域D上的n維向量有限序列 Vi i 1 2 n 其向量Vi Vi1 Vi2 Vin 的分量為地形Xi Yi Zi Xi Yi D 資源 環(huán)境 土地利用 人口分布等多種信息的定量或定性描述 7 數(shù)字高程模型DEM DigitalElevationModel 或DHM DigitalHeightModel 是表示區(qū)域D上地形的三維向量有限序列 Vi Xi Yi Zi i 1 2 n 其中 Xi Yi D是平面坐標(biāo) Zi是 Xi Yi 對(duì)應(yīng)的高程 數(shù)字地面模型的概念及形式 8 數(shù)字高程模型DEM表示形式 一 規(guī)則矩形格網(wǎng) Grid 利用一系列在X Y方向上都是等間隔排列的地形點(diǎn)的高程Z表示地形 形成一個(gè)矩形格網(wǎng)DEM 9 X0 Y0 規(guī)則矩形格網(wǎng) Dx Dy Xi Yi Pij Xi X0 i Dx i 0 1 NX 1 Yi Y0 j Dy j 0 1 NY 1 10 規(guī)則矩形格網(wǎng)特點(diǎn) 矩形格網(wǎng)DEM存貯量最小 非常便于使用且容易管理不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)與細(xì)部 11 二 不規(guī)則三角網(wǎng)TIN TriangulatedIrregularNetwork 若將按地形特征采集的點(diǎn)按一定規(guī)則連接成覆蓋整個(gè)區(qū)域且互不重疊的許多三角形 構(gòu)成一個(gè)不規(guī)則三角網(wǎng)TIN表示的DEM 通常稱為三角網(wǎng)DEM或TIN 能較好地顧及地貌特征點(diǎn) 線 表示復(fù)雜地形表面比矩形格網(wǎng)精確 缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量較大 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 使用與管理也較復(fù)雜 12 德國Ebner教授等提出了Grid TIN混合形式的DEM 一般地區(qū)使用矩形網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 沿地形特征則附加三角網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 三 Grid TIN混合網(wǎng) Grid TIN 13 數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取 為了建立DEM 必需量測一些點(diǎn)的三維坐標(biāo) 被量測三維坐標(biāo)的這些點(diǎn)稱為數(shù)據(jù)點(diǎn)或參考點(diǎn) 數(shù)據(jù)點(diǎn)是建立數(shù)字高程模型的控制基礎(chǔ) 模擬地表面的數(shù)學(xué)模型函數(shù)關(guān)系式的待定參數(shù)就是根據(jù)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的已知信息 X Y Z 來確定的 獲取這些參考數(shù)據(jù)點(diǎn)的方法很多 主要有以下幾種方式 14 DEM數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集方法 1 地面測量 利用自動(dòng)記錄的測距經(jīng)緯儀 常稱為電子速測經(jīng)緯儀或全站儀 在野外實(shí)測 15 3 空間傳感器 利用GPS 雷達(dá)和激光測高儀等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 2 現(xiàn)有地圖數(shù)字化 用數(shù)字化儀對(duì)已有地圖上的信息 進(jìn)行數(shù)字化的方法 手扶跟蹤數(shù)字化儀 其優(yōu)點(diǎn)容易處理 缺點(diǎn)是速度慢 人工勞動(dòng)強(qiáng)度大 掃描數(shù)字化儀 優(yōu)點(diǎn)是速度快又便于自動(dòng)化 但獲取的數(shù)據(jù)量很大且處理復(fù)雜 DEM數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集方法 16 數(shù)字?jǐn)z影測量的DEM數(shù)據(jù)采集方式 沿等高線采樣 沿等高線采樣可按等距離間隔記錄數(shù)據(jù)或按等時(shí)間間隔記錄數(shù)據(jù)方式進(jìn)行 規(guī)則格網(wǎng)采樣 該方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單 精度較高 作業(yè)效率也較高 缺點(diǎn)是特征點(diǎn)可能丟失 17 等高線 18 矩形格網(wǎng) 19 漸進(jìn)采樣 先按預(yù)定的比較稀疏的間隔進(jìn)行采樣 獲得一個(gè)較稀疏的格網(wǎng) 然后分析是否需要對(duì)格網(wǎng)加密 沿?cái)嗝鎾呙?獲取數(shù)據(jù)的精度比其它方法要差 特別是在地形變化趨勢(shì)改變處 常常存在系統(tǒng)誤差 數(shù)字?jǐn)z影測量的DEM數(shù)據(jù)采集方式 20 選擇采樣 為了準(zhǔn)確地反映地形 可根據(jù)地形特征進(jìn)行選擇采樣 這種方法獲取數(shù)據(jù)尤其適合于不規(guī)則三角網(wǎng)DEM的建立 混合采樣 可將規(guī)則采樣與選擇采樣結(jié)合起來進(jìn)行 即在規(guī)則采樣的基礎(chǔ)上再進(jìn)行沿特征線 點(diǎn)的采樣 數(shù)字?jǐn)z影測量的DEM數(shù)據(jù)采集方式 21 自動(dòng)化DEM數(shù)據(jù)采集 利用數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行自動(dòng)化的DEM數(shù)據(jù)采集 按影像上的規(guī)則格網(wǎng)利用數(shù)字影像匹配進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 若利用高程直接解求的影像匹配方法 也可按模型上的規(guī)則格網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 數(shù)字?jǐn)z影測量的DEM數(shù)據(jù)采集方式 22 DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理 數(shù)據(jù)預(yù)處理一般包括 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換 坐標(biāo)系統(tǒng)的變換 數(shù)據(jù)的編輯 柵格數(shù)據(jù)的矢量化轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分塊等內(nèi)容 23 數(shù)據(jù)采集方式不同 數(shù)據(jù)的排列順序也不同 在內(nèi)插DEM時(shí) 待定點(diǎn)常常只與周圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)有關(guān) 為了迅速地查找到所需要的數(shù)據(jù)點(diǎn) 必須將其進(jìn)行分塊 數(shù)據(jù)分塊方法 24 數(shù)字高程模型的內(nèi)插方法 DEM內(nèi)插就是根據(jù)參考點(diǎn)上的高程求出其它待定點(diǎn)上的高程 整體函數(shù)內(nèi)插 局部函數(shù)內(nèi)插 逐點(diǎn)內(nèi)插法 用一個(gè)整體函數(shù)擬合整個(gè)區(qū)域 25 l 建立局部坐標(biāo) 一 移動(dòng)曲面擬合法 對(duì)DEM每一個(gè)格網(wǎng)點(diǎn) 從數(shù)據(jù)點(diǎn)中檢索出對(duì)應(yīng)該DEM格網(wǎng)點(diǎn)的幾個(gè)分塊格網(wǎng)中的數(shù)據(jù)點(diǎn) 并將坐標(biāo)原點(diǎn)移至該DEM格網(wǎng)點(diǎn)P Xp Yp 26 2 選取鄰近數(shù)據(jù)點(diǎn) 一 移動(dòng)曲面擬合法 P R X Y 1 數(shù)據(jù)分塊 27 3 列出誤差方程式 誤差方程式 由n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)列出的誤差方程為 28 內(nèi)插參數(shù)解算 29 4 計(jì)算每一數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán) 5 法化求解 系數(shù)F是待定點(diǎn)內(nèi)插高程值ZP 內(nèi)插參數(shù)解算 30 對(duì)點(diǎn)的選擇除了滿足n 6外 還應(yīng)保證各個(gè)象限都有數(shù)據(jù)點(diǎn) 當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí) 半徑R不能取得很大 當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)較稀或分布不均勻時(shí) 利用二次曲面移動(dòng)擬合可能產(chǎn)生很大的誤差 因?yàn)榻獾姆€(wěn)定性取決于法方程的狀態(tài) 而法方程的狀態(tài)與點(diǎn)位分布有關(guān) 移動(dòng)曲面擬合法注意事項(xiàng) 31 2020 2 9 32 二 多面函數(shù)法DEM內(nèi)插 任何一個(gè)圓滑的數(shù)學(xué)表面總是可以用一系列有規(guī)則的數(shù)學(xué)表面的總和 以任意的精度進(jìn)行逼近 也就是一個(gè)數(shù)學(xué)表面上某點(diǎn) X Y 處高程Z的表達(dá)式為 33 三 有限元法DEM內(nèi)插 為了解算一個(gè)函數(shù) 把它分成為許多適當(dāng)大小的 單元 在每一單元中用一個(gè)簡單的函數(shù) 例如多項(xiàng)式來近似地代表它 對(duì)于曲面 也可以用大量的有限面積單元來趨近它 34 DEM的存貯管理 1 DEM數(shù)據(jù)文件的存貯 文件頭 各格網(wǎng)點(diǎn)的高程 2地形數(shù)據(jù)庫 將整個(gè)范圍劃分成若干地區(qū) 每一地區(qū)建立一個(gè)子庫 將這些地區(qū)合并成一個(gè)高一層次的大區(qū)域構(gòu)成整個(gè)范圍的數(shù)據(jù)庫 35 DEM的管理 若DEM以圖幅為單位存貯 每一存貯單位可能由多個(gè)模型拼接而成 因而要建立一套管理軟件 以完成DEM按圖幅為單位的存貯 接邊及更新工作 用戶只能讀取的 而不能寫入 只有DEM維護(hù)管理人員才有權(quán)寫入 36 三角網(wǎng)數(shù)字地面模型 三角網(wǎng)數(shù)字地面模型的構(gòu)建 應(yīng)盡可能保證每個(gè)三角形是銳角三角形或三邊的長度近似相等 避免出現(xiàn)過大的鈍角和過小的銳角 對(duì)非規(guī)則離散分布的特征點(diǎn)數(shù)據(jù) 可以建立各種非規(guī)則網(wǎng)的DEM 最簡單是不規(guī)則三角網(wǎng) TIN TriangulatedIrregularNetwork 37 角度判斷法建立TIN 將原始數(shù)據(jù)分塊 該方法是當(dāng)已知三角形的兩個(gè)頂點(diǎn) 即一條邊 后 利用余弦定理計(jì)算備選第三頂點(diǎn)的三角形內(nèi)角的大小 選擇最大者對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為該三角形的第三頂點(diǎn) 檢索所處理三角形鄰近點(diǎn) 38 則C為該三角形第三頂點(diǎn) 確定第一個(gè)三角形 角度判斷法建立TIN 39 A B 與A點(diǎn)距離最近的點(diǎn) C1 C2 C3 示意圖 哪個(gè)內(nèi)角最大 40 三角形的擴(kuò)展 依次對(duì)每一個(gè)已生成的三角形的新增加的兩邊 按角度最大的原則向外進(jìn)行擴(kuò)展 并進(jìn)行是否重復(fù)的檢測 角度判斷法建立TIN 向外擴(kuò)展的處理 若從頂點(diǎn)為P1 X1 Y1 P2 X2 Y2 P3 X3 Y3 的三角形之P1P2邊向外擴(kuò)展 應(yīng)取位于直線P1P2與P3異側(cè)的點(diǎn) 41 p1 p3 p2 P1P2直線方程為 若備選點(diǎn)P之坐標(biāo)為 X Y 重復(fù)與交叉的檢測 任意一邊最多只能是兩個(gè)三角形的公共邊 42 泰森多邊形與狄洛尼三角網(wǎng) 區(qū)域D上有n個(gè)離散點(diǎn)Pi Xi Yi i 1 2 n 若將D用一組直線段分成n個(gè)互相鄰接的多邊形 滿足 每個(gè)多邊形內(nèi)含且僅含一個(gè)離散點(diǎn) D中任意一點(diǎn)P X Y 若位于Pi所在的多邊形內(nèi) 則滿足 43 若P 在與所在的兩多邊形的公共邊上 則 多邊形稱為泰森多邊形 用直線段連接每兩個(gè)相鄰多邊形內(nèi)的離散點(diǎn)而生成的三角網(wǎng)稱為狄洛尼三角網(wǎng) 泰森多邊形與狄洛尼三角網(wǎng) 44 TIN 三角網(wǎng)數(shù)字地面模型的存貯 45 網(wǎng)點(diǎn)鄰接的指針鏈 坐標(biāo)與高程值表 方式一直接表示網(wǎng)點(diǎn)鄰接關(guān)系的結(jié)構(gòu) 46 最大特點(diǎn)是存貯量小 編輯方便 但是三角形及鄰接關(guān)系都需要實(shí)時(shí)再生成 且計(jì)算量較大 不便于TIN的快速檢索與顯示 方式一直接表示網(wǎng)點(diǎn)鄰接關(guān)系的結(jié)構(gòu) 47 方式二直接表示三角形及鄰接關(guān)系的結(jié)構(gòu) 這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)與高程 三角形以及鄰近三角形三個(gè)數(shù)據(jù)表組成 每個(gè)三角形都作為數(shù)據(jù)記錄直接存儲(chǔ) 并用指向三個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的編號(hào)定義它 48 特點(diǎn) 檢索網(wǎng)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系效率高 便于等高線快速插繪 TIN快速顯示與局部結(jié)構(gòu)分析 但存貯量較大 編輯不方便 一旦有一個(gè)點(diǎn)發(fā)生變化 可能最多需要改變?nèi)齻€(gè)表的內(nèi)容 49 方式三混合表示網(wǎng)點(diǎn)及三角形鄰接關(guān)系的結(jié)構(gòu) 存貯量與直接表示三角形及鄰接關(guān)系結(jié)構(gòu)相當(dāng) 但編輯與快速檢索較方便 50 數(shù)字地面模型的應(yīng)用 在測繪中可用于繪制等高線 坡度 坡向圖 立體透視圖 制作正射影像圖 立體景觀圖 立體匹配片 立體地形模型及地圖的修測 在各種工程中可用于體積 面積的計(jì)算 各種剖面圖的繪制及線路的設(shè)計(jì) 51 基于矩形格網(wǎng)的DEM多項(xiàng)式內(nèi)插 DEM最基礎(chǔ)的應(yīng)是求DEM范圍內(nèi)任意一點(diǎn)P X Y 的高程 雙線性多項(xiàng)式 雙曲拋物面 內(nèi)插 P x y 52 雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插只能保證相鄰區(qū)域接邊處的連續(xù) 不能保證光滑 但因其計(jì)算量較小 是最常用的方法 基于矩形格網(wǎng)的DEM多項(xiàng)式內(nèi)插 53 雙三次多項(xiàng)式 三次曲面 內(nèi)插 已知點(diǎn)的一階偏導(dǎo)數(shù)與二階混合導(dǎo)數(shù) 其值可按下式計(jì)算 54 保證相鄰曲面之間的連續(xù)與光滑 雙三次多項(xiàng)式 三次曲面 內(nèi)插 55 等高線的繪制 基于矩形格網(wǎng)DEM自動(dòng)繪制等高線 等高線的跟蹤 等高線的光滑 確定等高線高程 56 計(jì)算狀態(tài)矩陣 表示等高線穿過DEM格網(wǎng)水平邊與豎直邊的狀態(tài) 57 1 代表格網(wǎng)豎直邊或水平邊有高程為zk的等高線通過 0 代表格網(wǎng)豎直邊或水平邊沒有高程為zk的等高線通過 計(jì)算狀態(tài)矩陣 58 內(nèi)插等高線點(diǎn) 等高線的起點(diǎn)和終點(diǎn)的處理 與邊界相交的等高線為開曲線 不與邊界相交的等高線為閉曲線 59 搜索下一個(gè)等高線點(diǎn) 當(dāng)時(shí) OUT 2 并令 下一格網(wǎng)為