數(shù)字高程模型1

DEM及其地學(xué)分析的原理與方法

第一講緒論基本概念DEM的數(shù)據(jù)獲取DEM表面建模DEM精度的數(shù)學(xué)模型DEM生產(chǎn)的質(zhì)量控制DEM數(shù)據(jù)組織DEM內(nèi)插數(shù)字地形分析DEM的可視化DEM的地學(xué)應(yīng)用內(nèi)容提要理論課一、基本概念地形表達(dá)方法數(shù)字高程模型（DEM：DigitalElevationModels)數(shù)字地形模型（DTM：DigitalTerrainModels)涉及的相關(guān)學(xué)科和技術(shù)應(yīng)用范圍1、地形表達(dá)方法等高線是最早用于描述地表形態(tài)的圖示方法（約始于18世紀(jì)），被認(rèn)為是制圖學(xué)史上的最重要發(fā)明；為了增強(qiáng)等高線的可視性，有很多方法被用于地形立體感表示如：寫景法、地貌暈渲法、分層設(shè)色法等；但數(shù)字地形表達(dá)（包括DEM）及其三維可視化方法真正使地形表達(dá)能重現(xiàn)真實(shí)的現(xiàn)實(shí)世界；

1.1地形表達(dá)方法數(shù)字地形的表達(dá)可分為兩類，即數(shù)學(xué)描述與圖形描述；如何進(jìn)行地形的數(shù)字表達(dá)則是DEM主要研究?jī)?nèi)容一、基本概念地形表達(dá)方法數(shù)字高程模型（DEM：DigitalElevationModels)數(shù)字地形模型（DTM：DigitalTerrainModels)涉及的相關(guān)學(xué)科和技術(shù)應(yīng)用范圍2、數(shù)字高程模型(DEM)模型的層次概念模型是基于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)在大腦中形成的關(guān)于狀況或?qū)ο蟮哪Ｐ停拍钅Ｐ屯残纬闪四M的初級(jí)階段物質(zhì)模型通常是一個(gè)模擬的模型，如用橡膠、塑料或泥土制成的地形模型等。在攝影測(cè)量中廣泛使用的基于光學(xué)或機(jī)械投影原理的三維立體模型也屬于這類。物質(zhì)模型的大小通常要比實(shí)際的小一些數(shù)學(xué)模型一般是基于數(shù)字系統(tǒng)的定量模型。根據(jù)問(wèn)題的確定性和隨機(jī)性數(shù)學(xué)模型又有函數(shù)模型和隨機(jī)模型之分2、數(shù)字高程模型(DEM)評(píng)價(jià)模型的標(biāo)準(zhǔn)-精確性：模型的輸出是正確的或非常接近正確；

-描述的現(xiàn)實(shí)性：基于正確的假設(shè)；

-準(zhǔn)確性：模型的預(yù)測(cè)是確定的數(shù)字、函數(shù)或幾何圖標(biāo)等；

-可靠性：對(duì)輸入數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤具有相對(duì)免疫力；-一般性：適合于大多數(shù)情況；

-成效性：結(jié)論有用并可以啟發(fā)或者指導(dǎo)其他好的模型數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel,DEM）是表示區(qū)域D上地形的三維向量有限序列{Vi=(Xi,Yi,Zi)}，其中（Xi,Yi∈D）是平面坐標(biāo)，Zi是（Xi,Yi）對(duì)應(yīng)的高程，對(duì)于規(guī)則格網(wǎng){Vi,=Zi}；DHM(DigitalHeightModel),DTEM,DSM,等是一個(gè)與DEM等價(jià)的概念數(shù)字高程模型(DEM)定義數(shù)字地面模型、數(shù)字高程模型定義

Miller（1958）數(shù)字地面模型是利用一個(gè)任意坐標(biāo)場(chǎng)中大量選擇的已知X、Y、Z的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)連續(xù)地面的一個(gè)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)表示。Doyle（1978）數(shù)字地面模型是描述地面諸特性空間分布的有序數(shù)值陣列，在一般情況下，所記錄的地面特性為高程值，它的空間分布由x、y平面坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)描述，也可通過(guò)經(jīng)度和緯度進(jìn)行描述海拔分布。，在新近文獻(xiàn)中，稱上述高程或海拔分布的數(shù)字地面模型為數(shù)字高程模型，以與描述其他地面特性的數(shù)字地面模型有所區(qū)別。DTM可以是每三個(gè)三維坐標(biāo)值為一組的散點(diǎn)結(jié)構(gòu)，也可是由多項(xiàng)式或富里葉級(jí)數(shù)確定的曲面方程。另外數(shù)字地面模型可以包含除高程外的其他地面特性，如地價(jià)、土地權(quán)屬、土壤類型、巖層深度等。王之卓（1979）數(shù)字地面模型是地形表面用x,y,z坐標(biāo)的數(shù)字形式的一種表達(dá)。Burrough(1986)ADigitalElevationModelisaquantitativemodelofapartoftheearth’ssurfaceindigitalform.Alsodigitalterrainmodel(DTM)Weibel(1991)ADTMisadigitalrepresentationofaportionoftheerath’ssurface龔健雅（1993）數(shù)字地面模型DTM是定義在二維區(qū)域上地形特征空間分布及關(guān)聯(lián)信息的一個(gè)有限n維向量系列{Xi}，數(shù)字高程模型DEM是DTM的一個(gè)子集，它表示地形空間分布的一個(gè)有限三維向量系列{X,Y,Z}，其中X,Y表示地形點(diǎn)的平面位置，Z表示相應(yīng)點(diǎn)的高程。DEM研究背景DEM最早由Miller(1956年)提出，用于解決高速公路的自動(dòng)設(shè)計(jì)；其研究可分為五個(gè)時(shí)期：50年代末形成概念；60-70年代主要進(jìn)行插值問(wèn)題的研究；（即研究如何精確地表達(dá)地面模型）70年代中后期主要進(jìn)行采樣問(wèn)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(wèn)題）；80-90年代對(duì)DTM的研究涉及到DTM的很多方面，包括其精度、地形分類、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)壓縮、DTM應(yīng)用等；90年代以后主要著重于DTM的特征提取及分析研究；DEM研究?jī)?nèi)容地形數(shù)據(jù)采樣地形建模與內(nèi)插數(shù)據(jù)組織與管理地形分析與地學(xué)應(yīng)用DEM可視化不確定性分析和表達(dá)DEM的分類據(jù)其數(shù)據(jù)組織方式分

-基于面單元的DEM-基于線的DEM-基于點(diǎn)的DEM(a)規(guī)則格網(wǎng)DEM

(b)正六邊形DEM

(c)TIN

(d)四邊形DEM

(e)等高線DEM

(f)斷面DEM

(g)散點(diǎn)DEM

據(jù)大小和覆蓋范圍分類：局部DEM；全局DEM；地區(qū)的DEM；

據(jù)模型的連續(xù)性分類：不連續(xù)的DEM：用一系列局部的表達(dá)表示整個(gè)地形，有正方形分布與等邊三角形分布等形式；DEM的分類

DEM的分類連續(xù)DEM：用相互連接的一系列局部表面或面片構(gòu)成整個(gè)地形的連續(xù)表面；光滑DEM：在局部范圍，通常是幾個(gè)面片范圍利用高一階導(dǎo)數(shù)或高階導(dǎo)數(shù)生成平滑連續(xù)地形表面；DEM的特點(diǎn)精度的恒定性；表達(dá)的多樣性；更新的實(shí)時(shí)性；尺度的綜合性DEM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能地形表面DEM建立DEM分析DEM可視化DEM應(yīng)用DEM操作DEM數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理應(yīng)用一、基本概念地形表達(dá)方法數(shù)字高程模型（DEM：DigitalElevationModels)數(shù)字地形模型（DTM：DigitalTerrainModels)涉及的相關(guān)學(xué)科和技術(shù)應(yīng)用范圍數(shù)字地形模型（DigitalTerrainModel,DTM）是地形表面形態(tài)等多種信息的一個(gè)數(shù)字表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)為定義在某一區(qū)域D上的m維向量有限序列：{Vi,i=1,2,3,…，n}，其中Vi分別為地形（x,y,z）、地貌、地物、自然資源、環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等等信息的定量或定性描述；DTM是GIS中一種非常重要的產(chǎn)品；3、數(shù)字地形模型（DTM）DTM建模遵循的原則包含的任何一個(gè)可轉(zhuǎn)換為數(shù)字的地面特性數(shù)據(jù)，都與特定的二維地理坐標(biāo)數(shù)值相結(jié)合(空間性）；數(shù)字地形模擬也是一個(gè)數(shù)學(xué)模擬的過(guò)程，在此過(guò)程中形成地形表面的大量采樣點(diǎn)將按一定精度進(jìn)行觀測(cè)，這時(shí)地形表面被一組數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)所表達(dá)（數(shù)字表達(dá)性）如果需要該數(shù)字表面上其他位置處的屬性，則應(yīng)用一種內(nèi)插方法來(lái)處理該組觀測(cè)數(shù)據(jù)。在內(nèi)插過(guò)程中，數(shù)學(xué)模型被用來(lái)建立基于數(shù)字觀測(cè)數(shù)據(jù)的地形表面模型即DTM，從DTM便可以得到任何位置處的屬性值（可模擬性）相關(guān)概念數(shù)字表面模型（DigitalSurfaceModel,DSM）;數(shù)字對(duì)象模型（DigitalObjectModel,DOM）;4D產(chǎn)品指數(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)等－前3D為國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（NSDI）的框架數(shù)據(jù)一、基本概念地形表達(dá)方法數(shù)字高程模型（DEM：DigitalElevationModels)數(shù)字地形模型（DTM：DigitalTerrainModels)涉及的相關(guān)學(xué)科和技術(shù)應(yīng)用范圍4、相關(guān)學(xué)科與技術(shù)基礎(chǔ)理論與技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)；

數(shù)學(xué)理論與方法：數(shù)值分析、計(jì)算幾何、圖論、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等；

數(shù)字技術(shù)：編碼、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)等；測(cè)繪學(xué)（包括攝影測(cè)量與遙感、GPS、地形測(cè)量）－DEM原始數(shù)據(jù)采集的主要支持；4、相關(guān)學(xué)科與技術(shù)地理學(xué)及地學(xué)領(lǐng)域研究各種地形分析

地形因子的提取可視度分析匯水面積的分析地貌特性分析4、相關(guān)學(xué)科與技術(shù)DEM是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)DEM是地理信息系統(tǒng)在概念和方法上的萌芽，

是一種地理信息數(shù)據(jù)處理的技術(shù)和方法

數(shù)據(jù)采集方法空間數(shù)據(jù)內(nèi)插方法空間分析技術(shù)與方法一、基本概念地形表達(dá)方法數(shù)字高程模型（DEM：DigitalElevationModels)數(shù)字地形模型（DTM：DigitalTerrainModels)涉及的相關(guān)學(xué)科和技術(shù)應(yīng)用范圍5、DEM應(yīng)用一般DEM基本應(yīng)用功能運(yùn)算函數(shù)應(yīng)包括如下主要內(nèi)容：

高程內(nèi)插，即給定一點(diǎn)的平面位置（x,y），內(nèi)插計(jì)算該點(diǎn)的高程H；擬合曲面內(nèi)插，即對(duì)于一組已知點(diǎn)（x,y,z），通過(guò)曲面擬合，推求給定位置的高程；剖面線計(jì)算；等高線內(nèi)插；可視區(qū)域分析；面積、體積計(jì)算；坡度、坡向、曲率計(jì)算；暈渲圖；測(cè)繪領(lǐng)域：用于繪制等高線、坡向圖、坡度圖、立體透視圖、立體景觀圖；也用于制作正射影像圖、立體匹配、三維地形模型及地圖的修測(cè)；是國(guó)家基礎(chǔ)地理信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一；工程建設(shè)領(lǐng)域：用于體積、面積計(jì)算（如挖方量計(jì)算）；各種剖面圖及線路圖的設(shè)計(jì)（如交通線路規(guī)劃及大壩選址）；軍事領(lǐng)域：用于地形導(dǎo)航、通訊及任務(wù)計(jì)劃（如電子沙盤）；在遙感領(lǐng)域：用于地物分類的輔助數(shù)據(jù)；環(huán)境與規(guī)劃領(lǐng)域：用于土地現(xiàn)狀的分析、各種規(guī)劃及洪水險(xiǎn)情預(yù)報(bào)等；另外一個(gè)重要的功能是用于地表空間分析；虛擬仿真領(lǐng)域：用作虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)；