L數(shù)字地形高程模型

1、L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型科技論文（報告）組成 題目 姓名 作者通訊地址 摘要：簡要說明本文內(nèi)容，不超過300字 關(guān)鍵詞：3-5個 前言：說明為什么要寫本文 正文：可分成幾個部分專門說明 結(jié)語：對全文進行總結(jié) 參考文獻：文中引用的文獻均要編號并在文中注明L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型水信息學導論第三講數(shù)字地形高程模型（DEM）與流域空間分析L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地面模型數(shù)字地面模型 數(shù)字地面模型(DigitalTerrainModel，DTM) 是用數(shù)字形式表示地表事物空間位置和性質(zhì)的地理信息模型。地面(Terrain

2、)在空間信息中的含義指空間點位(X、Y、Z)，其中Z值具有廣泛的含義，可以指具有數(shù)量特征的地理事物和地理現(xiàn)象如地形、氣溫、降水量，也可以指相關(guān)的定性特征如土壤類別、地貌類型。在空間數(shù)據(jù)庫中，一般用屬性字段表達空間事物第三維特征，由于屬性表可有多個字段，表述地物的不同性質(zhì)，因此Z值還具有多維性。因為Z值不具有完全的三維空間坐標性質(zhì)，因此把DTM看作25維模型。按照這個觀點，遙感影像、數(shù)字地圖、數(shù)學方程式組解析形式表達的地面事物，都可視為DTM。地理信息是具有空間維、時間維和屬性維的多維信息。從這個觀點看，DTM是地理信息的一種表達思想和方法，并且與信息具體的處理技術(shù)建立了聯(lián)系。L數(shù)字地形高程模型

3、數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字高程模型數(shù)字高程模型什么是數(shù)字高程模型： Digital Elevation Model 描述地面高程空間分布的數(shù)學模型。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字高程模型數(shù)字高程模型 數(shù)字高程模型用來表達地形起伏。 地形作為基本的地理要素，影響和制約著其他地理要素的空間結(jié)構(gòu)、空間分布和發(fā)展演化，因此地理空間分析對地形十分重要。 DEM可以為其他地理要素提供地形信息。 地面植被空間信息從DEM獲得點位高程數(shù)據(jù)，可以進行植被的地形分布規(guī)律研究； 用DEM進行遙感圖像正射校正，不但可以糾偏，而且可以使平面圖像像元具有地形高程信息。 用DEM，可以對流

4、域進行三維空間分析L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的表示法 一個地區(qū)的地表高程的變化可以采用多種方法表達，用數(shù)學定義的表面或點、線、影像都可用來表示DEM。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的表示法 數(shù)學方法 用數(shù)學方法來表達，可以采用整體擬合方法，即根據(jù)區(qū)域所有的高程點數(shù)據(jù)，用傅立葉級數(shù)和高次多項式擬合統(tǒng)一的地面高程曲面。也可用局部擬合方法，將地表復雜表面分成正方形規(guī)則區(qū)域或面積大致相等的不規(guī)則區(qū)域進行分塊擬合，根據(jù)有限個點進行擬合形成高程曲面。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的表示法 圖形方法 線模式:等高線是表示地

5、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，如山脊線、谷底線、海岸線及坡度變換線等。 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； 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。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的表示法 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 由于地型變化復雜，沒有明顯規(guī)律，難以用連續(xù)的數(shù)學方程表達，一般將地面按一定的方法劃分成若干個多邊形，從而形成一個離散網(wǎng)絡(luò)，并用

6、這個離散網(wǎng)絡(luò)描述地面高程的空間變化。 每一個網(wǎng)絡(luò)單元，即單元網(wǎng)格的高程用該多邊形的平均高程或代表點的高程表示。DEM最主要的三種表示模型是：規(guī)則格網(wǎng)模型，等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 規(guī)則格網(wǎng)模型 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)域空間劃分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個格網(wǎng)單元對應(yīng)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(yīng)一個高程值。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型 高程矩陣（規(guī)則矩形格網(wǎng)）高程矩陣（規(guī)則矩形格網(wǎng)）:D

7、EMDEM來源于直接規(guī)則矩形格網(wǎng)采來源于直接規(guī)則矩形格網(wǎng)采樣點或由規(guī)則或不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點內(nèi)插產(chǎn)生。由于計算機對矩樣點或由規(guī)則或不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點內(nèi)插產(chǎn)生。由于計算機對矩陣的處理比較方便，特別是以柵格為基礎(chǔ)的陣的處理比較方便，特別是以柵格為基礎(chǔ)的GISGIS系統(tǒng)中高程矩陣系統(tǒng)中高程矩陣已成為已成為DEMDEM最通用的形式。最通用的形式。 規(guī)則格網(wǎng)模型L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型規(guī)則網(wǎng)格模型規(guī)則網(wǎng)格模型將區(qū)域空間分為規(guī)則將區(qū)域空間分為規(guī)則的網(wǎng)格單元（可以是的網(wǎng)格單元（可以是正方形或三角形），正方形或三角形），每個單元對應(yīng)一個數(shù)每個單元對應(yīng)一個數(shù)值。值。XYL數(shù)字地形高程模型數(shù)字

8、地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 對于每個格網(wǎng)的數(shù)值有兩種不同的解釋。第一種是格網(wǎng)柵格觀點，認為該格網(wǎng)單元的數(shù)值是其中所有點的高程值，即格網(wǎng)單元對應(yīng)的地面面積內(nèi)高程是均一的高度，這種數(shù)字高程模型是一個不連續(xù)的函數(shù)。 第二種是點柵格觀點，認為該網(wǎng)格單元的數(shù)值是網(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方法來計算每個點的高程。計算任何不是網(wǎng)格中心的數(shù)據(jù)點的高程值，使用周圍4個中心點的高程值，采用距離加權(quán)平均方法進行計算，當然也可使用樣條函數(shù)和克里金插值方法。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，可以很容易地用

9、計算機進行處理，特別是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)。它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，目前許多國家提供的DEM數(shù)據(jù)都是以規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)矩陣形式提供的。 格網(wǎng)DEM的缺點是不能準確表示地形的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 格網(wǎng)DEM的另一個缺點是數(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。DEM數(shù)據(jù)的無損壓縮可以采用普通的柵格數(shù)據(jù)壓縮方式，如游程編碼、塊碼等，但是由于DEM 數(shù)

10、據(jù)反映了地形的連續(xù)起伏變化，通常比較“破碎”，普通壓縮方式難以達到很好的效果；因此對于網(wǎng)格DEM數(shù)據(jù)，可以采用哈夫曼編碼進行無損壓縮；有時，在犧牲細節(jié)信息的前提下，可以對網(wǎng)格DEM進行有損壓縮，通常的有損壓縮大都是基于離散余弦變換（Discrete Cosine Transformation，DCT）或小波變換（Wavelet Transformation）的，由于小波變換具有較好的保持細節(jié)的特性，近年來將小波變換應(yīng)用于DEM數(shù)據(jù)處理的研究較多。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 等高線模型 等高線模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一條等高線對應(yīng)一個已知

11、的高程值，這樣一系列等高線集合和它們的高程值一起就構(gòu)成了一種地面高程模型。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 等高線通常被存成一個有序的坐標點對序列，可以認為是一條帶有高程值屬性的簡單多邊形或多邊形弧段。由于等高線模型只表達了區(qū)域的部分高程值，往往需要一種插值方法來計算落在等高線外的其它點的高程，又因為這些點是落在兩條等高線包圍的區(qū)域內(nèi)，所以，通常只使用外包的兩條等高線的高程進行插值。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型 規(guī)則格網(wǎng)DEM在計算和應(yīng)用方面有許多優(yōu)點，但也存在許多難以克服的缺陷 在地

12、形平坦的地方，存在大量的數(shù)據(jù)冗余； 在不改變格網(wǎng)大小的情況下，難以表達復雜地形的突變現(xiàn)象； 在某些計算，如通視問題，過分強調(diào)網(wǎng)格的軸方向。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一種表示數(shù)字高程模型的方法，它既減少規(guī)則格網(wǎng)方法帶來的數(shù)據(jù)冗余，同時在計算（如坡度）效率方面又優(yōu)于純粹基于等高線的方法。 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(luò)，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

13、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，在整個區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 TIN的數(shù)據(jù)存儲方式比格網(wǎng)DEM復雜，它不僅要存儲每個點的高程，還要存儲其平面坐標、節(jié)點連接的拓撲關(guān)系，三角形及鄰接三角形等關(guān)系。TIN模型在概念上類似于多邊形網(wǎng)絡(luò)的矢量拓撲結(jié)構(gòu)，只是TIN模型不需要定義“島”和“洞”的拓撲關(guān)系。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的主要表示模型 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

14、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。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的建立 DEM數(shù)據(jù)采集方法 數(shù)字攝影測量方法:這是DEM數(shù)據(jù)采集最常用的方法之一。利用現(xiàn)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)，如航空測量。 地面測量: 利用自動記錄的測距經(jīng)緯儀（常用電子速測經(jīng)緯儀或全站經(jīng)緯儀）在野外實測。這種速

15、測經(jīng)緯儀一般都有微處理器，可以自動記錄和顯示有關(guān)數(shù)據(jù)，還能進行多種測站上的計算工作。其記錄的數(shù)據(jù)可以通過串行通訊，輸入計算機中進行處理。 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)字化的方法，目前常用的數(shù)字化儀有手扶跟蹤數(shù)字化儀和掃描數(shù)字化儀。 空間傳感器:利用全球定位系統(tǒng)GPS，結(jié)合雷達和激光測高儀，在空間（衛(wèi)星）進行數(shù)據(jù)采集。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型 DEMDEM的數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集u以航空或航天遙感圖以航空或航天遙感圖像為數(shù)據(jù)源像為數(shù)據(jù)源 :這種方法是這種方法是由航空或航天遙感立體由航空或航天遙感立體像對，用攝影測量的方像對，用攝影測量的

16、方法建立空間地形立體模法建立空間地形立體模型，量取密集數(shù)字高程型，量取密集數(shù)字高程數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)，建立DTMDTM。采集數(shù)。采集數(shù)據(jù)的攝影測量儀器包括據(jù)的攝影測量儀器包括各種解析的和數(shù)字的攝各種解析的和數(shù)字的攝影測量與遙感儀器。影測量與遙感儀器。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型 DEMDEM的數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集u以地形圖為數(shù)據(jù)源以地形圖為數(shù)據(jù)源 :主要以比例尺不大于主要以比例尺不大于1 1：1 1萬的國萬的國家近期地形圖為數(shù)據(jù)源，從中量取中等密度地面點集家近期地形圖為數(shù)據(jù)源，從中量取中等密度地面點集的高程數(shù)據(jù)，建立的高程數(shù)據(jù)，建立DEMDEM。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高

17、程模型數(shù)字地形高程模型 DEMDEM的數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集u以地面實測記錄為數(shù)據(jù)源以地面實測記錄為數(shù)據(jù)源 用電子速測儀用電子速測儀( (全站儀全站儀) )和電子手簿或測距經(jīng)緯儀配和電子手簿或測距經(jīng)緯儀配合合PC1500PC1500等袖珍計算機，在已知點位的測站上，觀測等袖珍計算機，在已知點位的測站上，觀測到目標點的方向、距離和高差三個要素。計算出目標到目標點的方向、距離和高差三個要素。計算出目標點的點的x x、y y、z z三維坐標，存儲于電子手簿或袖珍計算機三維坐標，存儲于電子手簿或袖珍計算機中，成為建立中，成為建立DEMDEM的原始數(shù)據(jù)。這種方法一般用于建立的原始數(shù)據(jù)。這種方法一般用于建立小

18、范圍大比例尺小范圍大比例尺( (比例尺大于比例尺大于1 1：5000)5000)區(qū)域的區(qū)域的DEMDEM，對，對高程的精度要求較高。高程的精度要求較高。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的建立 DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 數(shù)據(jù)采集是DEM的關(guān)鍵問題，研究結(jié)果表明，任何一種DEM內(nèi)插方法，均不能彌補取樣不當所造成的信息損失。數(shù)據(jù)點太稀會降低DEM的精度；數(shù)據(jù)點過密，又會增大數(shù)據(jù)量、處理的工作量和不必要的存儲量。這需要在DEM數(shù)據(jù)采集之前，按照所需的精度要求確定合理的取樣密度，或者在DEM數(shù)據(jù)采集過程中根據(jù)地形復雜程度動態(tài)調(diào)整采樣點密度。 由于很多DEM數(shù)據(jù)來源于地形圖，所以DEM

19、的精度決不會高于原始的地形圖。例如U.S.G.S.用數(shù)字化的等高線圖，通過線性插值生產(chǎn)的最精確的DEM的最大均方誤差（RMSE）為等高線間距的一半，最大誤差不大于兩個等高線間距。通常用某種數(shù)學擬合曲面生產(chǎn)的DEM，往往存在未知的精度問題，即使是正式出版的地形圖同樣存在某種誤差，所以在生產(chǎn)和使用DEM時應(yīng)該注意到它的誤差類型。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型DEM的建立 DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 DEM的數(shù)據(jù)質(zhì)量可以參考美國U.S.G.S.的分級標準，共分為三級：第一級，最大絕對垂直誤差50米、最大相對垂直誤差21米，絕大多數(shù)7.5分幅產(chǎn)品屬于第一級；第二級DEM數(shù)據(jù)對誤差進行了平滑

20、和修改處理，數(shù)字化等高線插值生產(chǎn)的DEM屬于第二級，最大誤差為兩個等間距，最大均方誤差為半個等間距；第三級DEM數(shù)據(jù)最大誤差為一個等間距，最大均方誤差為三分之一個等間距。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型國內(nèi)外現(xiàn)有的DEM產(chǎn)品 中國 國家基礎(chǔ)地理信息中心 各省測繪局 美國 USGSL數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型

21、基于DEM的流域?qū)嵸|(zhì)空間分析 流向流向 累積流累積流 坡度坡度 流長流長 河流線河流線 子流域及邊界子流域及邊界 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型流向 流向，即水流從一個單元網(wǎng)格向其相鄰網(wǎng)格流動的方向，在規(guī)則網(wǎng)格模型中，水流有8種不同方向（D8法），分別用8個不同的整數(shù)表示：流向 表示整數(shù) 東 1東南 2南 4 西南 8西 16 西北 32北 64東北 128 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型流向 流向根據(jù)數(shù)字地型高程確定。原則是水流向其8個相鄰網(wǎng)格中高程最低的網(wǎng)格中流去，圖3是一個計算流向及其它參數(shù)的示意圖。圖3(a)中各網(wǎng)格數(shù)字為地型高程值。圖3(b)為

22、根據(jù)DEM計算得到的流向。流向確定后。即可根據(jù)流向標出水流運動的線性流網(wǎng)(匯流網(wǎng)絡(luò), Routing Network), 如圖3(d)。流網(wǎng)唯一確定了各網(wǎng)格之水流向流域出口運動的路徑, 是研究水流運動的重要參數(shù)。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型400382358338281 4222436038432929827621124369355332318275222243583503122742701112437438436435023512812812812L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型累積流累積流(Flow

23、Accumulation) 累積流又可稱為累積流入網(wǎng)格數(shù)，即水流流入某一網(wǎng)格的上游網(wǎng)格總數(shù)，根據(jù)流向計算。累積流是計算流域面積的依據(jù)。某一單元網(wǎng)格以上流域面積即是單元網(wǎng)格面積乘以該網(wǎng)格的累積流，流域出口單元網(wǎng)格的累積流應(yīng)等于整個流域單元網(wǎng)格總和。L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型坡度坡度(Slope ) 坡度為單元網(wǎng)格與其相鄰8個單元網(wǎng)格中地型變化最大的網(wǎng)格之坡度，即沿流向的坡度，用090之間的整數(shù)表示。坡度在研究水流運動時是一個很重要的參數(shù)，不僅影響水流運動的速度，也影響水流運動的長度。坡度計算公式如下： tan(i)=(Hi-Hj)/D 當FDi=1，4，16，64時 tan(i)=(Hi-Hj)/1.414D 當FDi=2，8，32，128時 i為i單元的坡度。Hi為i單元地形高程。Hj為沿FDi方向與i單元相鄰的單元地形高程。 L數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型數(shù)字地形高程模型單元匯流長度單元匯流長度 為單元中心點匯流至下一相鄰單元中心點的距離，假定匯流路徑為由兩單元中心點高程連接而成的三角形邊坡，則單元匯流長度計算公式為： Li =L/cosi 當FDi=1，4，16，64時 L