數(shù)字高程模型.ppt

第七章DEM與數(shù)字地形分析 表面分析 第一節(jié)概述 地表形態(tài)的表達 從模擬到數(shù)字 早期由于測繪知識的缺乏 對地形表面形態(tài)的描述主要采用象形繪圖方法進行 例如山體用巖石堆符號表示 山體范圍用一系列的 魚鱗 符號或類似錐形的符號表示 17世紀以后 人們逐步意識到地面起伏變化對氣溫 植被 環(huán)境等的深刻影響 對地面形態(tài)的表達成為人們愈來愈關心的問題 因此以寫景方式進行地形刻畫成為這一時期的主流 如先后出現(xiàn)的透視寫真圖 暈渲法 斜視區(qū)域圖 地貌寫景圖 地貌形態(tài)圖等等 18世紀 隨著測繪技術的發(fā)展 高程數(shù)據(jù)和平面位置數(shù)據(jù)的獲取成為可能 對地形的表達也由寫景式的定性表達逐步過渡到以等高線為主的量化表達 用等高線進行地表形態(tài)描述具有直觀 方便 可測量等特性 是制圖學史上的一項最重要的發(fā)明 19世紀初期 平版印刷技術的發(fā)展使得用連續(xù)色調變化和陰影變化模擬不規(guī)則的地表形態(tài)成為可能 但直到19世紀后期 才將地貌暈渲作為一種區(qū)域符號廣泛地應用于地形表達之中 陰影變化具有顯示斜坡的能力 由于等高線地形圖的可測量性和地貌暈渲表示地形結構所具有的三維可視化效果 使這兩種方法稱為20世紀以來地形圖主要的表示方法和手段 20世紀40年代計算機技術的出現(xiàn)和隨后的蓬勃發(fā)展 以及相關技術 如計算機圖形學 計算機輔助制圖 現(xiàn)代數(shù)學理論等的完善和實用 各種數(shù)字地形的表達方式得到迅速發(fā)展 1958年 美國麻省理工學院攝影測量實驗室主任Miller教授對計算機和攝影測量技術的結合在計算機輔助道路設計方面機進行了實驗 他在立體測圖儀所建立的光學立體模型上 量取了設計道路兩側大量地形點的三維空間坐標 并將其輸入計算機 由計算機取代人進行土方計算 方案遴選等繁重的手工作業(yè) Miller在成功解決道路工程計算機輔助設計問題的同時 也證明了用計算機進行地形表達的可行性以及巨大的應用潛力和經(jīng)濟效益 隨后Miller和LaFamme在PhotogrammetricEngineering雜志上發(fā)表題為 Thedigitalterrainmodel theoryandapplication 的論文 首次提出了數(shù)字地面模型的概念 DTM的概念 數(shù)字地面模型 DigitalTerrainModel DTM DTM就是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達 是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述 地形表面形態(tài)的屬性信息一般包括高程 坡度 坡向等 而廣義的DTM還包含地物 自然資源 環(huán)境 社會經(jīng)濟等信息 DTM的發(fā)展歷程 50年代末形成概念 最早由Miller 1956年 提出 用于解決高速公路的自動設計 60 70年代主要進行插值問題的研究 即研究如何精確地表達地面模型 70年代中后期主要進行采樣問題的研究 即研究多途徑 包括等高線 規(guī)則格網(wǎng) 解析儀等 的數(shù)據(jù)獲取問題 80 90年代對DTM的研究涉及很多方面 包括其精度 地形分類 質量控制 數(shù)據(jù)壓縮 DTM應用等 90年代以后主要著重于DTM的地形特征提取及分析研究 DEM的概念 數(shù)字高程模型 DigitalElevationModel DEM 是表示區(qū)域D上地形三維向量的有限序列 Vi Xi Yi Zi 其中 Xi Yi D 是平面坐標 Zi是 Xi Yi 對應的高程 DHM DigitalHeightModel 是一個與DEM等價的概念 4D產(chǎn)品 4D產(chǎn)品 數(shù)字高程模型 DEM 數(shù)字正射影像圖 DigitalOrthoimageMap DOM 數(shù)字線劃圖 DigitalLineGraphic DLG 和數(shù)字柵格地圖 DigitalRasterGraphic DRG 前3D為國家空間數(shù)據(jù)基礎設施 NSDI 的框架數(shù)據(jù) 現(xiàn)代數(shù)字地圖主要由DOM 數(shù)字正射影像圖 DEM 數(shù)字高程模型 DRG 數(shù)字柵格地圖 DLG 數(shù)字線劃地圖 以及復合模式組成 數(shù)字柵格地圖 DRG 是紙質地圖的柵格數(shù)字化產(chǎn)品 每幅圖經(jīng)掃描 幾何糾正 圖幅處理與數(shù)據(jù)的壓縮處理 形成在內容 精度和色彩上與地圖保持一致的柵格文件 彩色地形圖還應經(jīng)色彩校正 使每幅圖像的色彩基本一致 數(shù)字柵格地圖在內容上 幾何精度和色彩上與國家基本比例尺地形圖保持一致 應用領域 基礎測繪 城市規(guī)劃 國土資源調查 鐵路 公路 水利 電力 能源 環(huán)保 農(nóng)業(yè) 林業(yè) 海洋 電信等 DRG DLG 數(shù)字線劃地圖 DigitalLineGraphic 縮寫DLG 是地形圖基礎要素信息的矢量數(shù)據(jù)集 其中保存著要素間的空間關系和相關的屬性信息 能較全面的描述地表目標 DLG按不同的地圖要素分為若干數(shù)據(jù)層 如 交通 水系 植被 行政區(qū)劃等 可以根據(jù)不同的需要實現(xiàn)地圖要素的分層提取或相互疊加 滿足GIS的空間檢索和空間分析 因此它被視為帶有智能的數(shù)據(jù) 它還可以和DOM疊加成復合產(chǎn)品 制作各種專題地圖或電子地圖 滿足各專業(yè)部門的需要 可用于建設規(guī)劃 資源管理 投資環(huán)境分析等各個方面以及作為人口 資源 環(huán)境 交通 治安等各專業(yè)信息系統(tǒng)的空間定位基礎 DOM 數(shù)字正射影像圖 DigitalOrthophotoMap 縮寫DOM 是利用數(shù)字高程模型對掃描處理的數(shù)字化的航空像片 遙感影像 單色 彩色 經(jīng)逐象元進行糾正 再按影像鑲嵌 根據(jù)圖幅范圍剪裁生成的影像數(shù)據(jù) 一般帶有公里格網(wǎng) 圖廓內 外整飾和注記的平面圖 DOM同時具有地圖幾何精度和影像特征 精度高 信息豐富 直觀真實 制作周期短 它可作為背景控制信息 評價其它數(shù)據(jù)的精度 現(xiàn)實性和完整性 也可從中提取自然資源和社會經(jīng)濟發(fā)展信息 為防災治害和公共設施建設規(guī)劃等應用提供可靠依據(jù) DEM與DLG疊加 DLG與DRG疊加 DOM與DEM疊加 以DEM DOM DLG為數(shù)據(jù)結構的電子地圖服務正悄悄成為是市場主流 如 DOM DLG 交通要素 數(shù)字影像交通圖DEM DOM DLG 部分要素 十地名 移動通信數(shù)字地圖DEM DOM十城市建筑物高度數(shù)據(jù)十地名 城市數(shù)字景觀模型圖DOM DLG核心要素 數(shù)字影像圖DOM DEM DLG 部分要素 十地名 立體景觀模型圖 高程是地球表面起伏形態(tài)最基本的幾何量 除高程外 地形表面形態(tài)還可通過坡度 坡向 曲率等進行地貌因子描述 這些地貌因子是高程直接或間接的函數(shù) 通過DEM可以提取這些地貌因子 對DEM的格網(wǎng)單元 在保持平面位置不變的情況下 用相應位置上的地貌因子取代高程 就可以得到該地貌因子的數(shù)字模型 如 用坡度取代高程 則形成數(shù)字坡度模型 用來描述地形結構的地貌因子有多種 不同地貌因子從不同角度反映地形特征 所有地貌因子 坡度 坡向 平面曲率 剖面曲率 地形起伏度 切割深度等 的數(shù)字模型的集合形成數(shù)字地貌模型 DegitalGeomorphologyModel DGM 數(shù)字高程模型是數(shù)字地貌模型的基礎 從數(shù)字高程模型到數(shù)字地貌模型是對DEM高程數(shù)據(jù)進行推導 派生和組合的過程 數(shù)字地貌模型 DegitalGeomorphologyModel DGM 第二節(jié)DEM的主要表示模型 規(guī)則格網(wǎng)模型等高線模型不規(guī)則格網(wǎng)模型 2 1規(guī)則格網(wǎng)模型 基于規(guī)則格網(wǎng)模型的DEM在應用時要注意對格網(wǎng)單元數(shù)值的理解 一般有兩種觀點 第一種認為該格網(wǎng)單元的數(shù)值是其中所有點的高程 即格網(wǎng)單元內部是同質的 這種數(shù)字高程模型是一種不連續(xù)的函數(shù)另外一種是點柵格觀點 認為該網(wǎng)格單元的數(shù)值時網(wǎng)格中心點的高程或該網(wǎng)格單元的平均高程值 這樣就需要用一種插值的方法來計算每個點的高程 此時的DEM是連續(xù)的 規(guī)則格網(wǎng)模型DEM 可以很容易地用計算機進行處理 特別是柵格數(shù)據(jù)結構的地理信息系統(tǒng) 它可以很容易地計算等高線 坡度 坡向 山坡陰影和自動提取流域地形 使它成為DEM最為廣泛的使用格式 目前許多國家提供的DEM數(shù)據(jù)都是以規(guī)則格網(wǎng)模型形式提供的 以至于一提到DEM 人們往往認為就是規(guī)則格網(wǎng)DEM 從目前的發(fā)展趨勢看 DEM已經(jīng)成為規(guī)則格網(wǎng)DEM的代稱 而事實上二者并不一致 同時人們也將基于不規(guī)則三角網(wǎng)的DEM簡記為TIN 規(guī)則格網(wǎng)模型 等高線模型 TIN模型 不規(guī)則格網(wǎng)模型 第三節(jié)DEM的建立 3 1不規(guī)則點生成TIN3 2格網(wǎng)DEM轉成TIN保留重要點法啟發(fā)丟棄法3 3等高線轉換成格網(wǎng)DEM3 4利用格網(wǎng)DEM提取等高線3 5TIN轉換格網(wǎng)DEM Delaunay三角網(wǎng)具有以下特性 1 其Delaunay三角網(wǎng)是唯一的 2 三角網(wǎng)的外邊界構成了點集P的凸多邊形 外殼 3 沒有任何點在三角形的外接圓內部 反之 如果一個三角網(wǎng)滿足此條件 那么它就是Delaunay三角網(wǎng) 4 如果將三角網(wǎng)中的每個三角形的最小角進行升序排列 則Delaunay三角網(wǎng)的排列得到的數(shù)值最大 從這個意義上講 Delaunay三角網(wǎng)是 最接近規(guī)則化 的三角網(wǎng) 參考鄔倫地理信息系統(tǒng) 原理 方法和應用 3 1不規(guī)則點生成TIN Delaunay三角形網(wǎng)的通用算法 逐點插入算法 構造初始三角形 將點集中的其它散點依次插入 如插入點P 在三角形鏈表中找出其外接圓包含插入點P的三角形 稱為該點的影響三角形 刪除影響三角形的公共邊 將插入點同影響三角形的全部頂點連接起來 從而完成一個點在Delaunay三角形鏈表中的插入 根據(jù)優(yōu)化準則對局部新形成的三角形進行優(yōu)化 如互換對角線等 將形成的三角形放入Delaunay三角形鏈表 循環(huán)執(zhí)行上述第2步 直到所有散點插入完畢 a 插入新點P b 找出影響三角形 c 修改后的Delaunay三角形 3 2格網(wǎng)DEM轉換成TIN 格網(wǎng)DEM轉換成TIN可以看作是一種規(guī)則分布的采樣點生成TIN的特例 其目的是盡量減少TIN的頂點數(shù)目 同時盡可能多地保留地形信息 如山峰 山脊 谷底和坡度突變處 格網(wǎng)DEM轉換為TIN的算法主要有 保留重要點法啟發(fā)丟棄法 1保留重要性法該方法是一種保留規(guī)則格網(wǎng)DEM中的重要點構造TIN的一種方法 它是通過比較計算格網(wǎng)點的重要性 保留重要的格網(wǎng)點 重要點是通過3 3模板來確定 通過它的高程值與8個鄰點的高程值的內插進行比較 當差分超過某個闕值則視其為重要點 1啟發(fā)丟棄法該方法是將重要點的選擇作為一個優(yōu)化問題處理 算法是給定一個格網(wǎng)DEM和轉換后TIN中節(jié)點的數(shù)量限制 尋求一個TIN與規(guī)則格網(wǎng)DEM的最佳擬合 首先輸入整個格網(wǎng)DEM 迭代進行計算 逐漸將那些不太重要的點刪除 處理過程直到滿足數(shù)量限制條件或滿足精度要求為止 3 3等高線轉換成格網(wǎng)DEM由于現(xiàn)有地圖大多數(shù)都繪有等高線 這些地圖便是數(shù)字高程模型的現(xiàn)成數(shù)據(jù)源 可以通過數(shù)字化好的等高線數(shù)據(jù)插值得到格網(wǎng)DEM 一般有三種方法 等高線離散化法等高線內插法等高線構建TIN法 3 3 1等高線離散化法所謂的等高線離散化法 實際上就是用等高線上的高程點插值 并將這些高程點看作是不規(guī)則分布數(shù)據(jù) 并不考慮等高線特性 常用的插值方法有 距離倒數(shù)加權平均 克里金插值算法等缺點 等高線上的高程點具有相同的高程值 這就使得插值結果在每條等高線周圍的狹長區(qū)域具有相同的高程值 而出現(xiàn) 階梯 地形 等高線高程點采集的越密集 階梯地形越嚴重 3 3 2等高線內插法等高線內插法類似于地形圖等高線的手工內插點的高程 內插原理非常簡單 但由于計算機化的等高線數(shù)據(jù)遠沒有紙質地圖等高線直觀 實現(xiàn)起來比較麻煩 其基本步驟如下 過內插點作四條直線 分別為東西 AA 南北 BB 東北 西南 CC 西北 東南 DD 計算每條直線與最近等高線的交點計算每條直線上兩交點之間的距離和高差 求出交點之間的坡度 在四條直線中選出坡度最大的直線在最大坡度線上 按線性內插法求取內插點高程 等高線內插雖然原理簡單 計算過程也不復雜 但實現(xiàn)起來仍存在一些問題 首先 等高線的數(shù)據(jù)組織問題 按最陡坡度內插需要找出內插點周圍的等高線 而等高線常常存在同高程異等高線的現(xiàn)象 解決這一問題的最好辦法是建立等高線之間的拓撲關系 如等高線樹 毋河海等 1997 但這比較麻煩 其次等高線內插完全是基于等高線信息的 這需要等高線必須完整 而等高線常常由于地物等存在而不連續(xù) 這樣可能導致所選直線與另外等高線相交 引起內插失真 第三是直線方向的選取問題 所選直線應與實際最陡坡度方向一致 但直線一般不可能過多 通過有限的直線選取的最陡坡度方向不一定與實際方向一致最后就是計算效率問題 當要計算大量的規(guī)則格網(wǎng)時 該方法的效率比較低 3 3 3等高線構建TIN 然后通過內插TIN形成DEM這種方法首先通過等高線構造TIN 然后通過內插TIN形成DEM 與等高線內插法 等高線離散化相比 等高線構建TIN無論在效率還是內插精度上都是最優(yōu)的 基于等高線數(shù)據(jù)TIN的建立 最簡單的方法就是將其看作無約束的散點而直接按照構造TIN的法則建立TIN模型 但是等高線是一類特殊的特征線 若不考慮等高線之間的約束關系 所模擬的地形就會失真 具體表現(xiàn)為三角形穿越等高線和存在平三角形 三角形穿越等高線是指滿足DT三角剖分準則的三角形與等高線相交 而平三角形式指三角形的三個頂點位于同一條等高線上 即三角形的三個頂點具有相同的高程值 這兩種情況都會導致TIN所模擬的地形在高處被消掉 而低洼處被填平引起地形的扭曲 三角形穿越等高線 克服這類情況的辦法是將等高線作為TIN的特征約束條件 從而形成約束TIN 平三角形 平三角形的出現(xiàn)通常是由于不合理的采樣點分布所引起的 一般有兩種情況 一 在數(shù)字化 解析攝影測量或數(shù)字攝影測量數(shù)據(jù)采集過程中 沿等高線采集的數(shù)據(jù)一般比較密集 導致采樣點之間的平均距離遠遠小于等高線之間的平均距離 而在DT三角剖分法則下 相距較近的點通常形成三角形 在這種情況下 平三角形出現(xiàn)的機會比較大 二 不合理的采樣策略還包括采樣過程中沒有考慮山脊線 山谷線 鞍部 山頂?shù)鹊匦翁卣鼽c和線 目前對TIN中平三角形的處理一般有三種方法 一 預防措施 預防措施之一就是在建立TIN之前先對采樣數(shù)據(jù)進行概化 即通過減少等高線上的采樣點數(shù)量而增加采樣點之間的距離 從而使采樣點之間的平均距離與等高線之間的平均距離相一致 最大限度的減少平三角形出現(xiàn)的概率 等高線概化雖可減少平三角形出現(xiàn)的機會 但卻以損失采樣點信息量為代價 極端的情況下 還可能導致等高線相交 另一種方案則是盡量顧及各種地形結構信息 但有時地形結構信息無法獲取 所以這種方法不能完全消除平三角形 二自動修正方法由于預防性措施并不能完全消除平三角形 需要利用一定的算法檢測并改正TIN中的平三角形 按檢測和改正的過程可分為交互式修正和自動修正方法兩類 交互式修正是在檢測出平三角形后 通過人機交互的方式進行平三角形處理 這種方式比較低效 特別是數(shù)據(jù)量比較大時 自動修正方式是通過一定的算法 實現(xiàn)平三角形的自動檢測和消除 一般有基于邊交換算法 插入輔助點算法和交換邊與插入輔助點相結合的算法三種 實際工作中常常采用交換邊與插入輔助點相結合的算法 TIN中平三角形的處理方法 續(xù) 由于平三角形處理過程中 并不是對每一個平三角形進行單獨處理 二是分批與分區(qū)域處理 因此先引入平坦區(qū)域概念 平坦區(qū)域是指相鄰等高線間相毗鄰的平三角形集合所構成的多邊形區(qū)域 它通常以兩個或兩個以上同一等高線的邊作為邊界 平坦三角形的處理第一步是構造平坦區(qū)域 可按下述方法進行 首先 從三角形鏈表中搜索出一個平三角形 以此三角形作為初始平坦多邊形區(qū)域 然后從此三角形開始 向相鄰的三角形擴張 要利用鄰接三角形信息 如果遇到平三角形則把它加入到平坦多邊形中 在處理平坦多邊形區(qū)時 先嘗試是否可簡單地通過交換邊的方法改正平三角形 如果不成功則須插入附加點 具體過程如下 在處理平坦多邊形區(qū)時 先嘗試是否可簡單地通過邊交換的方法改正平三角形 如果不成功則須插入附加點 找到相鄰接的平坦三角形和非平坦三角形 如果兩個三角形所構造的四邊形區(qū)域是凸四邊形 則交換公共邊 如果所構成的四邊形是非凸四邊形 則要插入一個新點P P通常取公共邊的中點 其高程可以按照三次插值或線性插值方法計算 然后按DT法則重新構建三角形 下面是邊交換法與插入新點算法相結合的實例 下面是邊交換法與插入新點算法相結合的實例 A 平坦區(qū)域 B 邊交換 B 邊交換 C 插入新點 C 插入新點 D 邊交換 D 邊交換 E 邊交換 E 邊交換 F 邊交換 三專用方法前述的兩種方法都是針對無約束 約束DT三角剖分法下平三角形的處理方法 由于等高線數(shù)據(jù)的特殊性 還存在一些專門用來對等高線數(shù)據(jù)進行三角剖分的算法 能夠在構建TIN的過程中對三角形與等高線的相交以及平三角形的問題進行處理 如Christensen于1987年針對等高線數(shù)據(jù)涉及的三角剖分算法 是從相鄰兩個等高線之間開始構建TIN 并通過中軸旋轉的方法避免平三角形的出現(xiàn) 另一種方法是在建立約束TIN時 規(guī)定三角形只有兩點位于同一條等高線上 以達到消除平三角形的目的 TIN中平三角形的處理方法 續(xù) 第四節(jié)DEM的數(shù)據(jù)來源和生成方法 目前 DEM的數(shù)據(jù)主要來源于地形圖 攝影測量與遙感影像數(shù)據(jù) 地面測量 既有的DEM數(shù)據(jù)等 DEM的數(shù)據(jù)來源 地圖數(shù)字化是DEM的主要數(shù)據(jù)源 目前世界上各個國家和地區(qū)都擁有不同比例尺的地形圖 紙質地圖可以通過手工數(shù)字化 半自動等高線跟蹤 掃描數(shù)字化等方式實現(xiàn)從模擬到數(shù)字的轉變 影像數(shù)據(jù) 包括航空攝影和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù) 是大范圍 高精度 高分辨率DEM建立的最有價值的數(shù)據(jù)源 近年來出現(xiàn)的高分辨率遙感影像如1m分辨率的IKONOS圖像 合成孔徑雷達干涉測量技術 機載激光掃描儀等新型傳感器數(shù)據(jù)認為是快速獲取高精度高分辨率DEM最有希望的數(shù)據(jù)源 DEM的數(shù)據(jù)來源 野外測量 野外測量可以獲得最精確的高程和平面數(shù)據(jù) 但野外測量工作量大 周期長 成本高 一般不適合大范圍的DEM數(shù)據(jù)采集 這種方法常常用在對高程數(shù)據(jù)精度要求比較高的場所 如大比例尺地形測繪 地形建模 場地平整 公 鐵 路勘測設計等工程項目中 另外 使用GPS 激光掃描 干涉雷達等新型技術進行DEM數(shù)據(jù)采集是很有發(fā)展前景的方法 第五節(jié)數(shù)字地形分析 1地形因子提取主要的地形因子包括 坡度 坡向 曲率 地形起伏度 地形粗糙度 地表切割深度等等 坡度 坡向與曲率 平面曲率 與最大坡度方向呈直角方向的估算值 X Y N 坡度 坡度 法線與垂直方向之夾角 坡向 法線在水以平面投影與正北方向之夾角 剖面曲率 沿最大坡度方向的估值 曲率 剖面曲率與平面曲率之差 坡度 坡向與曲率的數(shù)學表達式 Fx 為x方向高程變化率 fy是y方向高程變化率 1 坡度實際應用中坡度有兩種表達方式 坡度百分數(shù) percentofslope 垂直距離與水平距離之比率的100倍坡度 degreeofslope 垂直距離與水平距離之比率的反正切 2 坡向 通常用度來表達 從正北0 開始 順時針移動 回到正北以360 結束 在ArcView和ArcGIS軟件中 通常把坡向綜合成9中類型 見課本內容 坡度的應用非常廣泛 例如 坡度表明了該局部地表坡面的傾斜程度 坡度大小直接影響著地表物質流動與能量轉換的規(guī)模與強度 是制約生產(chǎn)力空間布局的重要因子 根據(jù)坡度起伏變化 確定崩塌 泥石流區(qū)域或嚴重的土壤侵蝕區(qū) 作為災害防治與水土保持工作的基礎 提取平坦區(qū)域 為大型商業(yè)中心或房屋建筑選址 坡度可在DEM或TIN的基礎上提取 坡度的應用 坡向應用 坡向是決定地表面局部地面接收陽光和重新分配太陽輻射量的重要因子之一 直接造成局部地區(qū)氣候特征的差異 同時 也直接影響到諸如土壤水分 地面無霜期以及作物生長適宜性程度等多項農(nóng)業(yè)指標 可以通過計算研究區(qū)域內的每一點的太陽光照量 從而測定每一點的生物量 另外在一個區(qū)域內提取所有朝南的坡面 可以為房地產(chǎn)建設選址提供最佳位置 示例 坡度 DEM 坡向 剖面曲率 平面曲率 3 曲率曲率是對地形表面一點扭曲變化程度的定量化度量因子 地面曲率在垂直和水平方向上的分量分別成為平面曲率和剖面曲率 坡度變率在一定程度上可以很好反映剖面曲率信息 坡度變率表征了地表面高程相對于水平面變化的二階導數(shù) 又可稱為坡度之坡度 表現(xiàn)了地形的復雜程度 坡向變率則比較好的反映平面曲率信息 坡向變率又可稱為坡向之坡度 可以很好的反映等高線的彎曲程度 4 宏觀地形因子地形起伏度 地形表面粗糙度與地表切割深度等地形因子是描述和反應較大區(qū)域內地形的宏觀特征 在較小的區(qū)域內并不具備任何地理和應用意義 這些參數(shù)對于宏觀尺度上的水土保持 土壤侵蝕特征 地表發(fā)育 地貌分類等研究中有重要的理論意義 基于DEM計算宏觀地形因子時 關鍵是確定分析半徑的大小 不同地貌類型 不同分辨率的數(shù)據(jù) 計算宏觀因子所取的分析半徑大小是不一樣的 因此確定一個合適的分析窗口半徑或分析區(qū)域 使得求取的宏觀因子能夠準確的反應地面的起伏狀況和水土流失特征 是提取算法的核心步驟和決定信息提取效果和有效性的關鍵 2地形特征分析1 地形特征點的提取地形特征點包括山頂點 凹陷點 脊點 谷點 鞍點 平地點等 2 山脊線和山谷線提取 第六節(jié)DEM的應用范疇和前景 數(shù)字高程模型DEM實現(xiàn)了區(qū)域地形表面的數(shù)字化表達 是新一代的地形圖 因此 數(shù)字高程模型的應用領域遍及地形圖應用所涉及的行業(yè) 然而 從模擬的紙質地形圖到數(shù)字化的DEM 不僅僅是地形表達和存儲介質的改變 還是人類對地形認知的一次飛躍 實現(xiàn)了地形從二維表達向三維表達的轉變 DEM理論與技術的影像也不再局限于測繪學領域 而遍及與之相關的各個學科領域 因此對數(shù)字高程模型應用領域的分類與發(fā)展前景的認識應從以下三個方面考慮 首先 地學分析應用 數(shù)字高程模型作為等高線地形圖的替代產(chǎn)品 其應用范圍幾乎涵蓋了地形圖應用的所有領域 既是科學研究 經(jīng)濟建設和國防建設的規(guī)劃設計基礎數(shù)據(jù)和有力工具 又是地學分析 生物學等區(qū)域性科學基本參數(shù)的提供和和研究成果的表達形式 同時各種不同分辨率的數(shù)字高程模型又是數(shù)字制圖進行制圖和綜合的必備數(shù)據(jù) 而且DEM還能提供各種地形特征的量化分析形式以及對地形的三維 動畫漫游等可視化 這是常規(guī)地形圖所不可比擬的 其次 非地形特性應用 數(shù)字高程模型是在二維平面位置上疊加地形高程數(shù)據(jù) 亦即DEM是地理空間定位的數(shù)據(jù)集合 因此 用來進行數(shù)字高程模型建立的各種技術也可以移植到非高程數(shù)據(jù)的地學建模和分析上 也就是說 凡是在二維地理空間上連續(xù)分布并逐步變化的各種非高程屬性如重力 氣壓 磁場 降水 積溫 工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等 都可按照數(shù)字高程模型的構筑方法建立相應的數(shù)字模型 也可在各自的模型上進一步的分析和應用建模 以非高程數(shù)據(jù)取代數(shù)字高程模型中的高程數(shù)據(jù) 是數(shù)字高程模型理論與技術在非地形應用領域的推廣 延伸和升華 反過來也促進了數(shù)字高程模型理論與技術的更新和發(fā)展 第三 產(chǎn)業(yè)化和社會服務 隨著地理信息系統(tǒng) 數(shù)字地球等空間信息技術的發(fā)展 數(shù)字高程模型成為空間信息系統(tǒng)的重要組成部分 是各種地學分析應用的最為主要的基礎數(shù)據(jù) 目前 世界各國紛紛將DEM作為空間數(shù)據(jù)基礎設施的主要組成部分 并進行規(guī)?；a(chǎn) 到目前為止 我國已經(jīng)建成了覆蓋全國范圍的1 100萬 1 25萬 1 5萬數(shù)字高程模型 以及七大江河重點防洪區(qū)的1 1萬DEM 省級1 1萬數(shù)字高程模型的建庫工作也已經(jīng)全面展開 我國DEM產(chǎn)品的歸口單位是國家基礎地理信息中心 主要負責我國領土范圍的各種比例尺 分辨率DEM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和分發(fā) 有關我國各種比例尺DEM的詳細信息可通過國家基礎地理信息中心網(wǎng)站查閱 全球最大的DEM數(shù)據(jù)供應商是法國的ISTAR公司 其數(shù)據(jù)主要是法國高分辨率陸地衛(wèi)星SPOT衛(wèi)星的遙感影像數(shù)據(jù) 并結合歐洲遙感衛(wèi)星 ERS 和加拿大衛(wèi)星數(shù)據(jù) RADARSAT 加工而成 另外也采用機載合成孔徑雷達 SAR 數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM 其次是美國的大西洋科學研究所 下面從科學研究領域 工業(yè)部門應用 管理和軍事等方面對數(shù)字高程模型進行簡要的分析回顧和展望 科學研究領域 在科學研究中 DEM主要用在以下幾個主要領域 區(qū)域 全球氣候變化研究 如天氣預報和氣候建模 水資源 野生動植物分布地質 水文模型的建立地形地貌分析 坡度 坡向 剖面曲率 土地分類 土地利用 土地覆蓋變化檢測等 主要是輔助遙感影像進行幾何糾正 工業(yè) 工程應用領域 對于工業(yè) 工程領域而言 數(shù)字高程模型主要用于進行輔助決策和設計 以提高服務 設計質量 提高設計自動化水平 以獲取更大的經(jīng)濟效益 這類部門主要包括電信 導航 航空 采礦業(yè) 旅游業(yè)以及各種工程建設如公路 鐵路 水利等部門 如 地形因素 建筑物 植被特征 天氣狀況是影響通訊信號的關鍵因素 在其他信息如植被 建筑物等的配合下 DEM常常用來進行各種通訊設施如電臺 電視臺發(fā)射機等的輔助選址 通訊網(wǎng)絡的規(guī)劃設計 移動通訊傳播模型校正等 據(jù)不完全統(tǒng)計 歐洲60 的DEM數(shù)據(jù)是銷往電信部門的 在航空工業(yè)中 DEM數(shù)據(jù) 地物數(shù)據(jù)是建立飛機防撞熊 地面接近警告系統(tǒng) 飛行管理調度系統(tǒng) 地形輔助導航系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)源 通過DEM可更真實的模擬飛行環(huán)境 并在實時GPS的配合下 使空中交通更加安全 在地質 礦山 石油等行業(yè)中 利用遙感影像和DEM復合可提供綜合 全面 實時 動態(tài)的礦山地面變化信息 在數(shù)字圖像處理技術 GIS技術等的支持下可用于解決礦山勘探的實際問題 旅游產(chǎn)業(yè)中 在旅游信息數(shù)據(jù)的基礎上 利用數(shù)字高程模型 遙感影像數(shù)據(jù) 即可實現(xiàn)傳統(tǒng)旅游地圖的功能 又可以通過DEM強大的三維景觀模擬能力 讓游客預體驗游覽感受 公路 鐵路等的勘探設計 道路規(guī)劃等 水利工程中的選址 水庫建設移民分析 自然資源管理 區(qū)域規(guī)劃 環(huán)境保護 減災防災 災害評估等領域都需要DEM的支持 比如將洪水期遙感圖像上解譯的信息與DEM數(shù)據(jù)進行復合 可以估算淹沒面積和淹沒深度 根據(jù)DEM數(shù)據(jù)中的高程 容積關系 可以求出洪水期的總水量 根據(jù)區(qū)域排澇能力及時估算出的淹水總量可計算該地區(qū)的淹水歷時 根據(jù)作物種植區(qū)的高程 淹沒深度及淹沒歷時可以估算受災面積 受災程度 同時可以根據(jù)災區(qū)的社會 自然要素分布以及各種計算結果 結算該地區(qū)的受災極限 管理應用 地形圖向來有 工程師和指揮員的眼睛 之美譽 地形圖對于軍事的重要性可見一斑 在數(shù)字化的今天 DEM作為地形圖的替代品 在作戰(zhàn)指揮 戰(zhàn)場規(guī)劃 定位 導航 目標采集和瞄準 搜尋 救援乃至維和行動 指導外交談判等方面 都發(fā)揮了重要的作用 成為數(shù)字化戰(zhàn)場不可或缺的組成部分 總的來說DEM在軍事上的應用主要在以下幾個方面 軍事應用 總的來說DEM在軍事上的應用主要在以下幾個方面 1 虛擬戰(zhàn)場 例如 由TEC開發(fā)的軍事三維地形可視化軟件 drawland 就可利用虛擬戰(zhàn)場環(huán)境 輔助戰(zhàn)術決策 它在波黑維和行動中發(fā)揮了重要的作用 2 戰(zhàn)場地形環(huán)境模擬 如英國國家遙感中心應用法國的SPOT圖像與DEM 軍事地理信息系統(tǒng)結合 模擬敵方的三維地形 對軍方的飛行員進行模擬訓練 取得了良好效果 軍事應用 3 為作戰(zhàn)部隊提供作戰(zhàn)地圖 海灣戰(zhàn)爭期間 美國國防制圖局利用自動影像匹配和自動目標識別技術處理衛(wèi)星和高低空偵察機實時獲得的數(shù)字影像 全天24h處于生產(chǎn)狀態(tài) 共生產(chǎn)了12000套新的地圖產(chǎn)品 其中包括600套數(shù)字產(chǎn)品以及100幅戰(zhàn)地地圖 覆蓋了海灣地區(qū)的大多數(shù)國家和地區(qū) 及時地為軍事決策提供24h的實時服務 4 軍事工程 如對飛行器飛行的各種模擬 讓飛行員對飛行計劃進行模擬演習 5 基于地形匹配的導引技術 如導彈的飛行模擬 陸基雷達的選址 以及炮兵的互視性規(guī)劃等方面 DEM應用三維景觀表現(xiàn) 三維地形顯示 剖面視覺分析 GIS軟件地形分析功能 通視分析 是對地形進行最優(yōu)化處理 如設置雷達站 電視臺的發(fā)射站 道路選擇 航海導航等 軍事上如布設陣地 設置觀察哨所 鋪架通信線路等 包括兩類通視線分析 兩點之間的可視性可視域 viewshed 分析 即對于給定的觀察點所覆蓋的范圍結果為二值地圖 可視區(qū)和不可視區(qū) 通視分析 通視線分析 可視域分析 使用DEM數(shù)據(jù)派生其它水文特征 提取河流網(wǎng)絡 計算流水累積量 流向 根據(jù)指定的流域面積大小自動劃分流域 這些是描述某一地區(qū)水文特征的重要因素 水文分析 水文分析 水文網(wǎng) DrainageNetwork ARCGIS下的水文分析 通過Arctoolbox SpatialAnalystTools Hydrology 基于DEM流域分析流程 DEM 無洼地DEM生成 水流方向確定 水流累計矩陣計算 流域特征分析 特征地貌分析 山脊線 山谷線提取 流域網(wǎng)絡提取 流域分割 流域參數(shù)統(tǒng)計計算 一提取河網(wǎng) 數(shù)據(jù)基礎 無洼地的DEM關鍵步驟 流向分析 提取河網(wǎng) 提取河網(wǎng)首先要有柵格DEM 可以利用等高線數(shù)據(jù)轉換獲得 在此基礎上 要經(jīng)過洼地填平 水流方向計算 水流積聚計算和河網(wǎng)矢量轉化這幾個步驟 1數(shù)據(jù)基礎 無洼地的DEM 被較高高程區(qū)域圍繞的洼地是進行水文分析的一大障礙 因此在確定水流方向以前 必須先將洼地填充 洼地填平的主要作用是避免DEM的精度不夠高所產(chǎn)生的 假的 水流積聚地 有些洼地是在DEM生成過程中帶來的數(shù)據(jù)錯誤 但另外一些卻表示了真實的地形如采石場或巖洞等 通過填充洼地 FillSinks 得到無洼地的DEM 在經(jīng)過填充洼地后的DEM FilledDem 流水可以暢通無阻地流至區(qū)域地形的邊緣 在經(jīng)過填充洼地后的DEM是流向分析的基礎 1 洼地填平ArctoolBox SpatialAnalysisTools Hydrology Fill工具 2 關鍵步驟 流向分析 水流方向指水流離開此格網(wǎng)時的方向 流向分析原理水流的流向是通過計算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權落差來確定的 距離權落差是指中心柵格與鄰域柵格的高程差除以兩柵格間的距離 流向的確定 假設每一個均按8方向搜索 最陡坡向為其網(wǎng)格的流向 分別將8個流動方向賦不同的代碼 不同軟件中所附的代碼不同 如從1到8 分別代表 上 右上 右 右下 下 左下 左 左上 水最終向流域內最低的格網(wǎng)匯集 如果某個格網(wǎng)值為整個網(wǎng)格范圍的最小值 表明該點為最底點 將被賦值為0 其他則根據(jù)流向編號賦值 DEM 流向圖 1 2 3 4 5 6 7 8 流向與編號 水流方向計算就可以使用上一步所生成的DEM為源數(shù)據(jù)了 如果使用未經(jīng)洼地填平處理的數(shù)據(jù) 可能會造成精度下降 這里主要使用ArctoolBox SpatialAnalysisTools FlowDirection工具 ARCGIS下的流向分析 3水流積聚計算 匯流累計量數(shù)值矩陣表示區(qū)域地形的流水累積量 在地表徑流模擬過程中 匯流累計量是基于水流方向數(shù)據(jù)計算得到的 基本思想是 以規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字地面高程模型每點處有一個單位的水量 按照自然水流從高處流向地處的自然規(guī)律 根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)據(jù)計算每點處所流過的水量數(shù)值 便得到了該區(qū)域的匯流累計量 水流積聚計算主要使用ArctoolBox SpatialAnalysisTools FlowAccumulation工具 FlowDir fill1 可以看到 生成的水流積聚柵格已經(jīng)可以看到所產(chǎn)生的河網(wǎng)了