第八章-數(shù)字地形模(DTM)與地形分析PPT課件

1、1第八章：數(shù)字地形模（第八章：數(shù)字地形模（DTMDTM）與地形分析與地形分析 w1 1概述概述w2 2DEMDEM的主要表示模型的主要表示模型w3 3DEMDEM模型之間的相互轉(zhuǎn)換模型之間的相互轉(zhuǎn)換w4 4DEMDEM的建立的建立w5 5DEMDEM的分析和應用的分析和應用2第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 DEM和DTM主要用于描述地面起伏狀況，可以用于提取各種地形參數(shù)，如坡度、坡向、粗糙度等，并進行通視分析、流域結構生成等應用分析。因此，DEM在各個領域中被廣泛使用。 DEM可以有多種表達方法，包括網(wǎng)格、等高線、三角網(wǎng)等，本章同時介紹了這些表達方法之間的相互轉(zhuǎn)換算法，如由三角網(wǎng)生成等高線，網(wǎng)格 DE

2、M生成三角網(wǎng)等等。3第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、數(shù)字地形模型（一、數(shù)字地形模型（DTM, Digital Terrain ModelDTM, Digital Terrain Model）的提出及應用的提出及應用 數(shù)字地形模型最初是為了高速公路的自動設計提出來的（Miller，1956）。此后，它被用于各種線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設計以及各種工程的面積、體積、坡度計算，任意兩點間的通視判斷及任意斷面圖繪制。在測繪中被用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖以及地圖的修測。在遙感應用中可作為分類的輔助數(shù)據(jù)。它還是地理信息系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)，可用于土地利用現(xiàn)狀的分析、合理規(guī)劃及洪水

3、險情預報等。在軍事上可用于導航及導彈制導、作戰(zhàn)電子沙盤等。對DTM的研究包括DTM的精度問題、地形分類、數(shù)據(jù)采集、DTM的粗差探測、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)壓縮、DTM應用以及不規(guī)則三角網(wǎng)DTM的建立與應用等。4第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 二、二、DTMDTM和和DEMDEM 1 1、數(shù)字地形模型（、數(shù)字地形模型（DTM, Digital Terrain ModelDTM, Digital Terrain Model ） DTM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 。 2 2、數(shù)字高程模型（、數(shù)字高程模型（DEMDEM， Digital Elevation Digit

4、al Elevation ModelModel） DTM模型中地形屬性為高程時稱為數(shù)字高程模型(DEM)。 DEM通常用地表規(guī)則網(wǎng)格單元構成的高程矩陣表示，廣義的DEM還包括等高線、三角網(wǎng)等所有表達地面高程的數(shù)字表示。 在地理信息系統(tǒng)中，DEM是建立DTM的基礎數(shù)據(jù)，其它的地形要素可由DEM直接或間接導出，稱為“派生數(shù)據(jù)”，如坡度、坡向。 5第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 三、三、DEMDEM的表示法的表示法 1、數(shù)學方法數(shù)學方法 用數(shù)學方法來表達，可以采用整體擬合方法，也可用局部擬合方法。 2、圖形方法圖形方法 （1）線模式 等高線是表示地形最常見的形式。其它的地形特征線也是表達地面高程的重要信息源

5、，如山脊線、谷底線、海岸線及坡度變換線等。（2）點模式 用離散采樣數(shù)據(jù)點建立DEM是DEM建立常用的方法之一。數(shù)據(jù)采樣可以按規(guī)則格網(wǎng)采樣，可以是密度一致的或不一致的；可以是不規(guī)則采樣，如不規(guī)則三角網(wǎng)、鄰近網(wǎng)模型等；也可以有選擇性地采樣，采集山峰、洼坑、隘口、邊界等重要特征點。點。 6圖8-1：DEM的表示方法 7第二節(jié)第二節(jié) DEMDEM的主要表示模型的主要表示模型 一、一、規(guī)則格網(wǎng)模型規(guī)則格網(wǎng)模型 1 1、表示方法：、表示方法： 規(guī)則網(wǎng)格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)則網(wǎng)格。規(guī)則網(wǎng)格將區(qū)域空間切分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個格網(wǎng)單元對應一個數(shù)值。數(shù)學上可以表示為一個矩陣，在計算機實現(xiàn)中則

6、是一個二維數(shù)組。每個格網(wǎng)單元或數(shù)組的一個元素，對應一個高程值，如圖8-2。 2 2、優(yōu)缺點：、優(yōu)缺點： 優(yōu)點是可以很容易地用計算機進行處理，還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，使得它成為DEM最廣泛使用的格式。 缺點是不能準確表示地形的結構和細部。為避免這些問題，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點、山脊線、谷底線、斷裂線，以描述地形結構。數(shù)據(jù)量過大，給數(shù)據(jù)管理帶來了不方便，通常要進行壓縮存儲。 。 8圖8-2：格網(wǎng)DEM 9第二節(jié)第二節(jié) DEMDEM的主要表示模型的主要表示模型 二、等高線模型二、等高線模型 圖8-3：等高線10第二節(jié)第二節(jié) DEMDEM的主要表示

7、模型的主要表示模型 三、不規(guī)則三角網(wǎng)（三、不規(guī)則三角網(wǎng)（TINTIN）模型）模型 TIN模型根據(jù)區(qū)域有限個點集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡，區(qū)域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內(nèi)。如果點不在頂點上，該點的高程值通常通過線性插值的方法得到（在邊上用邊的兩個頂點的高程，在三角形內(nèi)則用三個頂點的高程）。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型，三維空間的分段線性模型，在整個區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。 不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)字高程由連續(xù)的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測點，或節(jié)點的位置和密度。不規(guī)則三角網(wǎng)與高程矩陣方法不同之處是隨地形起伏變化的復雜性而改變采樣點的密度和決定采樣點的位置，因而它

8、能夠避免地形平坦時的數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點如山脊、山谷線、地形變化線等表示數(shù)字高程特征 11圖8-4：三角網(wǎng)的一種存儲方式 12第三節(jié)第三節(jié) DEMDEM模型之間的轉(zhuǎn)換模型之間的轉(zhuǎn)換 一、不規(guī)則點集成一、不規(guī)則點集成TINTIN 將該點集轉(zhuǎn)成TIN，最常用的方法是Delaunay三角剖分方法。生成TIN的關鍵是Delaunay三角網(wǎng)的產(chǎn)生算法，下面先對Delaunay三角網(wǎng)和它的偶圖Voronoi圖作簡要的描述。13 圖8-5：Delaunay三角網(wǎng)與Voronoi圖 14第三節(jié)第三節(jié) DEMDEM模型之間的轉(zhuǎn)換模型之間的轉(zhuǎn)換二二、格網(wǎng)格網(wǎng)DEMDEM轉(zhuǎn)成轉(zhuǎn)成TINTIN 格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成T

9、IN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。規(guī)則格網(wǎng)DEM可以簡單地生成一個精細的規(guī)則三角網(wǎng)，針對它有許多算法，絕大多數(shù)算法都有兩個重要的特征： （1）篩選要保留或丟棄的格網(wǎng)點； （2）判斷停止篩選的條件。 其中兩個代表性的方法,算法是保留重要點法和啟發(fā)丟棄法。15第三節(jié)第三節(jié) DEMDEM模型之間的轉(zhuǎn)換模型之間的轉(zhuǎn)換 三、等高線轉(zhuǎn)成格網(wǎng)三、等高線轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM DEM 表示地形的最常見的線模式是一系列描述高程曲線的等高線。 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

10、，可以將紙面等高線圖掃描后，自動獲取DEM數(shù)據(jù)。由于數(shù)字化的等高線不適合于計算坡度或制作地貌渲染圖等地形分析，因此，必須要把數(shù)字化等高線轉(zhuǎn)為格網(wǎng)高程矩陣。 使用局部插值算法，如距離倒數(shù)加權平均或克里金插值算法，可以將數(shù)字化等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為規(guī)則格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)，但插值的結果往往會出現(xiàn)一些許多不令人滿意的結果，而且數(shù)字化等高線時越小心，采樣點越多，問題越嚴重 16第三節(jié)第三節(jié) DEMDEM模型之間的轉(zhuǎn)換模型之間的轉(zhuǎn)換 四、四、利用格網(wǎng)利用格網(wǎng)DEMDEM提取等高線提取等高線 在利用格網(wǎng)DEM生成等高線時，需要將其中的每個點視為一個幾何點，而不是一個矩形區(qū)域，這樣可以根據(jù)格網(wǎng)DEM中相鄰四個點組成四邊

11、形進行等高線跟蹤。其方法類似于后面描述的利用TIN提取等高線。實際上，也可以將每個矩形分割成為兩個三角形，并應用TIN提取等高線算法，但是由于矩形有兩種劃分三角形的方法，在某些情況下，會生成不同的等高線（圖6-11），這時需要根據(jù)周圍的情況進行判斷并決定取舍 17 DEM 數(shù)據(jù)18 由DEM轉(zhuǎn)為TIN 19 由DEM提取的等高線等高距100米 20 由DEM提取的等高線等高距200米21 由DEM生成的坡度圖22 由DEM生成的坡向圖23 由DEM生成的坡向圖及圖例24第四節(jié)第四節(jié) DEMDEM的建立的建立一、一、 DEMDEM數(shù)據(jù)采集方法數(shù)據(jù)采集方法 1 1、地面測量、地面測量 2 2、現(xiàn)有

12、地圖數(shù)字化、現(xiàn)有地圖數(shù)字化 利用數(shù)字化儀對已有地圖上的信息（如等高線）進行數(shù)字化，如：手扶跟蹤數(shù)字化儀和掃描數(shù)字化儀。 3 3、空間傳感器、空間傳感器 利用全球定位系統(tǒng)GPS，結合雷達和激光測高儀等進行數(shù)據(jù)采集 4 4、數(shù)字攝影測量方法、數(shù)字攝影測量方法 利用附有的自動記錄裝置（接口）的立體測圖儀或立體坐標儀、解析測圖儀及數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，進行人工、半自動或全自動的量測來獲取數(shù)據(jù)。 25第四節(jié)第四節(jié) DEMDEM的建立的建立二、二、 數(shù)字攝影測量獲取數(shù)字攝影測量獲取DEMDEM 1 1、沿等高線采樣、沿等高線采樣 在地形復雜即陡峭地區(qū)，可采用此方法。等距離間隔記錄數(shù)據(jù)或等時間間隔記錄數(shù)據(jù)。 2

13、 2、規(guī)則格網(wǎng)采樣、規(guī)則格網(wǎng)采樣 利用解析測圖儀在立體模型中按規(guī)則格網(wǎng)進行采樣，直接構成格網(wǎng)DEM。 3 3、漸進采樣、漸進采樣 平坦地區(qū)采樣點少，地形復雜區(qū)采樣點多。 方法：首先按照預定稀疏的間隔進行采樣，獲得較稀疏的格網(wǎng)，然后根據(jù)實際情況必要時加密。 26第四節(jié)第四節(jié) DEMDEM的建立的建立二、二、 數(shù)字攝影測量獲取數(shù)字攝影測量獲取DEMDEM 4 4、選擇采樣、選擇采樣 根據(jù)地形進行采樣：沿山脊線、山谷線、斷裂線進行采集以及離散碎部的采集。適合不規(guī)則三角網(wǎng)的建立。 5 5、混合采樣、混合采樣 規(guī)則采樣、漸進采樣和選擇性采樣相結合。即：在規(guī)則采樣的基礎上，再沿特征線、點采樣。 6 6、自

14、動化、自動化DEMDEM數(shù)據(jù)采樣數(shù)據(jù)采樣27第四節(jié)第四節(jié) DEMDEM的建立的建立三、三、DEMDEM數(shù)據(jù)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 28第五節(jié)第五節(jié) DEMDEM的分析與應用的分析與應用一、一、 格網(wǎng)格網(wǎng)DEMDEM的應用的應用 （一（一 DEM最基本的應用是求DEM范圍內(nèi)任意點的高程，在此基礎上進行地形屬性分析。方法：利用有限個格網(wǎng)點的高程，擬合一個地形曲面，推求區(qū)域內(nèi)任意點的高程。 算法：對已知規(guī)格格網(wǎng)數(shù)據(jù)進行空間插值。 插值方法：距離到數(shù)加權平均法、克里金插值方法、樣條函數(shù)插值方法 （二）立體透視圖（二）立體透視圖 局部放大、改變高程值z的放大倍數(shù)以夸大立體形態(tài)、改變視點位置從不同角度進行觀察、轉(zhuǎn)動立體圖 29第五節(jié)第五節(jié) DEMDEM的分析與應用的分析與應用一、一、 格網(wǎng)格網(wǎng)DEMDEM的應用的應用（三）通視分析（三）通視分析 點對區(qū)域的通視：視線不能被地形擋住。 應用：觀測哨所的設定、森林中火災監(jiān)測點的設定、無線發(fā)射塔的設定。 同視問題分五種情況：1、已知一個或一組觀察點，找出某一地形的可視區(qū)域；2、欲觀測到某一區(qū)域的全部地形表面，計算最少觀測點數(shù)量；3、在觀測點數(shù)量一定的前提下，計算能獲得最大觀測區(qū)域；4、以最小代價建造觀察塔，要求全部區(qū)域可視；5、在給定代價的前提下，求最大可見區(qū)。30第五節(jié)第五節(jié)