《地理信息系統(tǒng)應(yīng)用》ppt-數(shù)字地形模型分析

1、負(fù)責(zé)院校: 山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字地形模型分析 一. DEM 概述 二. DEM建立 三. DEM 的應(yīng)用一. DEM概述1.概述DTM:數(shù)字地形(面)模型 （Digital Terrain Model）,是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。屬性特征如氣壓/溫度。 DEM:數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時稱為數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model）。高程是地理空間中的第三維坐標(biāo)。DTM 、DEM關(guān)系：數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時稱為數(shù)字高程模型。 DEM可以用于各種地形信息提取，如坡度、坡向、三維正射影像、剖面分析、可視域分析和

2、填挖方分析等。DEM在土木工程設(shè)計(jì)、軍事指揮等眾多領(lǐng)域被廣泛使用。2.DEM表示法2.DEM表示法 地形曲面數(shù)學(xué)方法表示：z = f（x，y）： z為二維表面上連續(xù)變化的地理特征。 在地理信息系統(tǒng)中，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， 不規(guī)則三角網(wǎng)模型。 三種表示模型是地形分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。DEM三種表示模型等高線DEM規(guī)則格網(wǎng)DEM三角網(wǎng)DEM-TIN規(guī)則格網(wǎng)模型規(guī)則網(wǎng)格法將區(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(yīng)一個數(shù)值。數(shù)學(xué)上可以表示為一個矩陣，在計(jì)算機(jī)實(shí)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。DEM來源于直接規(guī)則矩形格網(wǎng)采樣點(diǎn)或

3、由不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)插產(chǎn)生。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)則格網(wǎng)模型 在高程模型中，三維信息是以一個矩陣的形式存儲高程數(shù)據(jù)，而該高程點(diǎn)的平面坐標(biāo)值（X,Y）隱含在一個矩陣的行列值（i,j）中，可以通過下面的公式計(jì)算得到： DEM=Zi,j,i=1,2,3,n;j=1,2,3,.,n Xi=X0+I*dx Yj=Y0+j*dy 其中I,J（0，1，n-1）；n為行,列數(shù)規(guī)則網(wǎng)格模型規(guī)則網(wǎng)格模型 對于每個網(wǎng)格的數(shù)值有兩種不同的解釋。 第一種認(rèn)為該格網(wǎng)單元的數(shù)值是其中所有點(diǎn)的高程，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)，一般用來表示

4、離散空間。 第二種認(rèn)為該格網(wǎng)單元的數(shù)值是網(wǎng)格中心點(diǎn)的高程或該網(wǎng)格單元的平均高程值，這樣則需要用一種插值方法來計(jì)算每個點(diǎn)的高程。 在Arc View 中，每個網(wǎng)格的值被認(rèn)為是柵格中心點(diǎn)的值. 規(guī)則格網(wǎng)模型 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算機(jī)對矩陣的處理比較方便，成為DEM最通用的形式。 缺點(diǎn)： a) 地形簡單的地區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)； b) 如不改變格網(wǎng)大小,則無法適用于起伏程度不同的 地區(qū)； c) 對于某些特殊計(jì)算如視線計(jì)算時，格網(wǎng)的軸線方向 被夸大； d) 由于柵格過于粗略，不能精確表示地形的關(guān)鍵特征, 如山峰、洼坑、山脊等；等高線模型 等高線是一條帶有高程值屬性的簡單多邊形或多邊形弧段。 需要用插值方法

5、來計(jì)算落在等高線以外的其他點(diǎn)的高程。美國USGS DEM 數(shù)據(jù) 我國1:1萬、 1:5萬、 1:25萬、 1:50萬、 1:100萬 DEM 數(shù)據(jù)等高線模型矢量等高線矢量等高線柵格等高線柵格等高線TIN模型 TIN（Triangulated Irregular Network) 利用所有采樣點(diǎn)取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點(diǎn)連接成相互連續(xù)的三角面。 連接原則：盡可能地確保每個三角形都是銳角三角形或是三邊的長度近似相等-Delaunay。 不規(guī)則三角網(wǎng)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(jì)算（如坡度）效率方面又優(yōu)于純粹基于等高線的方法。 T

6、IN模型 TIN模型根據(jù)區(qū)域有限個點(diǎn)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(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)。 如果點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，該點(diǎn)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(diǎn)的高程，在三角形內(nèi)則用三個頂點(diǎn)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。TIN模型TIN模型二.DEM的建立 建立DEM的方法(過程)： DEM數(shù)據(jù)采集 DEM數(shù)據(jù)處理 DEM數(shù)據(jù)生成DEM數(shù)據(jù)采集1）數(shù)據(jù)采集方法地形圖數(shù)字化采集航空相片采集地面測量采集機(jī)載測高儀采集選點(diǎn)采集隨機(jī)采集沿等高線采集沿?cái)嗝娌杉疍EM數(shù)據(jù)采集所遵循的原則 (1)、在DEM數(shù)據(jù)采集之前，根據(jù)DE

7、M的精度要求確定合理的采樣精度。 (2)、單調(diào)地形應(yīng)均勻采點(diǎn)，密度不必過大 。 變化明顯的地形應(yīng)密集采點(diǎn)，盡量采集地形轉(zhuǎn)折處的數(shù)據(jù)點(diǎn)。 (3)、不應(yīng)出現(xiàn)大的空白區(qū)。對于大片平坦的地區(qū)應(yīng)保證最低的采點(diǎn)密度（單位面積內(nèi)若干點(diǎn)）。DEM數(shù)據(jù)處理2)數(shù)據(jù)處理方法用各種方法采集的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過必要的處理才能提供應(yīng)用。DEM數(shù)據(jù)處理一般包括：格式轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系變換數(shù)據(jù)編輯數(shù)據(jù)分塊數(shù)據(jù)內(nèi)插DEM數(shù)據(jù)處理 1、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 將其它格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)DEM內(nèi)插軟件要求的格式。 2、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換 如像片坐標(biāo)大地坐標(biāo)，并且具有相同的投影和比例尺。 3、數(shù)據(jù)編輯 剔除錯誤的、系統(tǒng)誤差改正DEM數(shù)據(jù)處理 4、數(shù)據(jù)分塊 待定

8、點(diǎn)的高程常常與周圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)有關(guān)。為了能在大量的數(shù)據(jù)中迅速查找到所需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)，必須將其分塊。 如：等高線數(shù)據(jù)是按照各條等高線采集的先后順序排列的。 方法是先將整個區(qū)域劃分成等間隔的格網(wǎng)，然后將數(shù)據(jù)點(diǎn)按格網(wǎng)分成不同的類。通常有交換法、鏈指針法。 5、數(shù)據(jù)內(nèi)插(加密) 采集DEM數(shù)據(jù)點(diǎn)時，點(diǎn)位、點(diǎn)數(shù)選擇不一致，為保證內(nèi)插時避免太大的失真和所要求的精度，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行加密是必要的。加密之后的（黑色點(diǎn)）加密之后的（黑色點(diǎn)）原有的綠色采集點(diǎn)原有的綠色采集點(diǎn)DEM數(shù)據(jù)處理DEM數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)內(nèi)插方法： 距離加權(quán) 移動擬合 樣條函數(shù)內(nèi)插 最小二乘法 有限元法（1）人工網(wǎng)格法-地圖數(shù)字化 在地形圖上蒙上格網(wǎng)

9、，逐格讀取中心點(diǎn)或交點(diǎn)的高程值。DEM數(shù)據(jù)生成（2）立體像對法 數(shù)字?jǐn)z影測量方法：通過遙感立體像對，根據(jù)視差模型，自動選配左右影像的同命點(diǎn)，建立數(shù)字高程模型。（3）曲面擬合法 整體擬合：根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)所有采樣點(diǎn)的觀測值建立趨勢面模型。局部擬合：利用鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)估計(jì)未知點(diǎn)的值，能反映局部特征。（4）等值線插值法 距離加權(quán)法移動擬合法雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插法樣條函數(shù)內(nèi)插法最小二乘匹配法有限元法分形插值法三、DEM 的應(yīng)用 1.基于DEM的地形因子提取 2.基于DEM的地貌形態(tài)的自動分類 3.基于DEM的等高線的繪制 4.基于DEM的可視化分析 5.基于DEM的數(shù)字流域分析1.基于DEM的地形因子提取(1

10、)、坡度 定義：地表單元的法向與Z軸的夾角，即切平面與水平面的夾角。(2)、坡向 坡向：地表單元的法向量在水平面上的投影與正北y軸之間的夾角。(3)、地表粗造度（破碎度）定義：為地表單元的曲面面積與其水平面上的投影面積之比。(4)、高程變異分析包括平均高程、相對高程、高程標(biāo)準(zhǔn)差，高程變異。高程變異：為格網(wǎng)頂點(diǎn)的高程標(biāo)準(zhǔn)差與平均高程的比值。4.基于DEM的可視化分析 基于DEM的可視化分析剖面分析通視分析地形三維圖繪制地貌暈渲圖繪制地形三維可視化剖面分析 意義： 以線代面，研究區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢變化、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡特征、地表切割強(qiáng)度等。 如果在地形剖面上疊加其它地理變量，可以提供土地

11、利用規(guī)劃、工程選線和選址等的決策依據(jù)。剖面分析 繪制數(shù)據(jù) 格網(wǎng)DEM 三角網(wǎng)DEM通視分析 通視分析：是指以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析。 例：觀察哨所的設(shè)定，觀察哨的位置應(yīng)該設(shè)在能監(jiān)視某一感興趣的區(qū)域，視線不能被地形擋住。這就是通視分析中典型的點(diǎn)對區(qū)域的通視問題。 例：森林中火災(zāi)監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)定，無線發(fā)射塔的設(shè)定等。 例：有時還可能對不可見區(qū)域進(jìn)行分析，如低空偵察飛機(jī)在飛行時，要盡可能躲避敵方雷達(dá)的捕捉，飛行顯然要選擇雷達(dá)盲區(qū)飛行。通視分析 1）通視分析方法： a、以O(shè)為觀察點(diǎn)，對格網(wǎng)DEM或三角網(wǎng)DEM上的每個點(diǎn)判斷通視與否，通視賦值為1，不通視賦值為0。 b、以觀察點(diǎn)O為軸

12、，以一定的方位角間隔算出0360的所有方位線上的通視情況。 A A通視分析 2）關(guān)鍵算法： 判斷格網(wǎng)或三角網(wǎng)上的某一點(diǎn)是否通視 a）傾角法 觀察點(diǎn)與各交點(diǎn)的傾角為i (iA,B,C),則可繪出OP的剖面圖. 若tgmax(tgi , iA、B、C)，則OP通視 否則，不通視。A A通視分析A AB B通視分析 b) 剖面圖 兩點(diǎn)連線是否與剖面相交。通視分析示例觀察點(diǎn)觀察點(diǎn)不通視不通視通視通視雷雷達(dá)達(dá)盲盲區(qū)區(qū)飛飛行行 通視分析示例地形三維圖繪制 DEMDEM高程點(diǎn)高程點(diǎn)建立建立幾何幾何模型模型透視透視變換變換隱藏線、面隱藏線、面的消除的消除光照模型光照模型計(jì)算計(jì)算貼貼紋紋理理圖形輸出圖形輸出地貌

13、暈渲圖繪制 即陰影立體法，可增加丘陵和山區(qū)地區(qū)描述高差起伏的視覺效果。5.數(shù)字流域分析1 1、流向計(jì)算、流向計(jì)算2 2、流線追蹤：、流線追蹤：5.數(shù)字流域分析3、累積流水量：、累積流水量：流入每個柵流入每個柵格的所有的柵格的數(shù)目。格的所有的柵格的數(shù)目。 4 4、水系自動生成：、水系自動生成：累積流水累積流水量達(dá)到某值形成水系。量達(dá)到某值形成水系。5 5、地形結(jié)構(gòu)線自動提取、地形結(jié)構(gòu)線自動提取5.數(shù)字流域分析 6、匯流區(qū)分割與匯水量計(jì)算、匯流區(qū)分割與匯水量計(jì)算與地表植被、土壤滲透、降與地表植被、土壤滲透、降雨等數(shù)據(jù)結(jié)合分析，可以進(jìn)雨等數(shù)據(jù)結(jié)合分析，可以進(jìn)行區(qū)域洪水預(yù)報(bào)。行區(qū)域洪水預(yù)報(bào)。5.數(shù)字流

14、域分析5.數(shù)字流域分析 應(yīng)用領(lǐng)域 1）土木工程：各種線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設(shè)計(jì)以及各種工程的面積、體積、坡度計(jì)算，任意兩點(diǎn)間的通視判斷及任意斷面圖繪制； 2）測繪：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； 3）遙感：作為分類的輔助數(shù)據(jù)。它還是地理信息系統(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)劃等； 4）軍事：可用于導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo)、作戰(zhàn)電子沙盤等。 5）數(shù)字水文分析：水系自動提取、流域劃分、洪水險情預(yù)報(bào)等。根據(jù)問題輸出維數(shù)的不同，通視可分為：根據(jù)問題輸出維數(shù)的不同，通視可分為：兩點(diǎn)的通視兩點(diǎn)的通視 指計(jì)算視點(diǎn)與待判定點(diǎn)之間的可見性問題；指計(jì)算視點(diǎn)與待

15、判定點(diǎn)之間的可見性問題； 基于格網(wǎng)基于格網(wǎng)DEMDEM的通視問題，為了簡化問題，可以將格網(wǎng)點(diǎn)的通視問題，為了簡化問題，可以將格網(wǎng)點(diǎn)作為計(jì)算單位。這樣點(diǎn)對點(diǎn)的通視問題簡化為離散空間直線與作為計(jì)算單位。這樣點(diǎn)對點(diǎn)的通視問題簡化為離散空間直線與某一地形剖面線的相交問題。某一地形剖面線的相交問題。算法：已知視點(diǎn)V的坐標(biāo)為（x0,y0,z0），以及P點(diǎn)的坐標(biāo)（x1,y1,z1）。DEM為二維數(shù)組ZMN，則V為（m0,n0,Zm0,n0），P為（m1,n1,Zm1,n1）。計(jì)算過程如下： （11）使用Bresenham直線算法，生成V到P的投影直線點(diǎn)集x , y，K=|x , y|, 并得到直線點(diǎn)集x ,

16、 y對應(yīng)的高程數(shù)據(jù)Zk, ( k=1,.K-1 )，這樣形成V到P的DEM剖面曲線。 （12）以V到P的投影直線為X軸，V的投影點(diǎn)為原點(diǎn)，求出視線在X-Z坐標(biāo)系的直線方程（13）比較數(shù)組Hk與數(shù)組Zk中對應(yīng)元素的值，如果 存在ZkHk，則V與P不可見，否則可見。 線的通視線的通視 線的通視是指已知視點(diǎn)，計(jì)算視點(diǎn)的視野問題； （21）設(shè)P點(diǎn)為一沿著DEM數(shù)據(jù)邊緣順時針移動的點(diǎn)，與計(jì)算點(diǎn)對點(diǎn)的通視相仿，求出視點(diǎn)到P點(diǎn)投影直線上點(diǎn)集x, y，并求出相應(yīng)的地形剖面x, y, Z(x, y)。 （22）計(jì)算視點(diǎn)至每個交點(diǎn)與Z軸的夾角k： （23）求得角度最小所對應(yīng)的點(diǎn)就為視點(diǎn)視野線的一個點(diǎn)。 （24）移動P點(diǎn)，重復(fù)以上過程，直至P點(diǎn)回到初始位置，算法結(jié)束。面的通視面的通視 區(qū)域的通視是指已知視點(diǎn)，計(jì)算視點(diǎn)能可視的地形表面區(qū)域區(qū)域的通視是指已知視點(diǎn)，計(jì)算視點(diǎn)能可視的地形表面區(qū)域集合的問題。集合的問題。 點(diǎn)對區(qū)域的通視算法是點(diǎn)對點(diǎn)算法的擴(kuò)展。與點(diǎn)到線通視點(diǎn)對區(qū)域的通視算法是點(diǎn)對點(diǎn)算法的擴(kuò)展。與點(diǎn)到線通視問題相同，問題相同，P點(diǎn)沿?cái)?shù)據(jù)邊緣順時針移動。逐點(diǎn)檢查視點(diǎn)至點(diǎn)沿?cái)?shù)據(jù)邊緣順時針移動。逐點(diǎn)檢查視點(diǎn)至P點(diǎn)的點(diǎn)的直線上的點(diǎn)是否通視。直線上的點(diǎn)是否通視。 一個改進(jìn)的算法思想是，視點(diǎn)到一個改進(jìn)的算法思想是，視點(diǎn)到P點(diǎn)的視線遮擋點(diǎn)，最有點(diǎn)的視線遮擋點(diǎn)，最有可能是地形剖