DEM數(shù)據(jù)獲取方法

數(shù)字地面模型張菊清長安大學(xué)地測學(xué)院2/4/20231長安大學(xué)數(shù)字地面模型第三章DEM數(shù)據(jù)獲取方法§3.1DEM數(shù)據(jù)源1、地形圖2、攝影測量/遙感影像數(shù)據(jù)3、地面測量數(shù)據(jù)4、既有DEM數(shù)據(jù)2/4/20232長安大學(xué)數(shù)字地面模型地形圖地形圖的缺點：地形圖現(xiàn)勢性地形圖存儲介質(zhì)地形圖精度1:10,0001:25,0001:50,0002/4/20233長安大學(xué)數(shù)字地面模型攝影測量與遙感影像遙感影像存在的問題：遙感影像的幾何畸變遙感數(shù)據(jù)的增強(qiáng)處理遙感影像數(shù)據(jù)的空間分辨率遙感影像數(shù)據(jù)的解譯和判讀數(shù)字?jǐn)z影測量工作站2/4/20234長安大學(xué)數(shù)字地面模型地面測量數(shù)據(jù)用GPS、全站儀、電子平板儀等一起可以實測目標(biāo)點的三維坐標(biāo)，作為DEM的數(shù)據(jù)源。一般來講以地面測量方式獲取的數(shù)據(jù)精度高，但其工作量大，周期長、更新困難，費(fèi)用較高，一般不適合大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集。2/4/20235長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.2DEM數(shù)據(jù)采樣理論基礎(chǔ)地表是由無數(shù)個點構(gòu)成的，獲取地表的全部信息是不可能，也沒有必要的。在大多數(shù)情況下，僅需獲取有限的點，它能夠以一定的精度和可信度來表達(dá)地形表面即可。2/4/20236長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.2DEM數(shù)據(jù)采樣理論基礎(chǔ)基本采樣理論：如果對某一函數(shù)g（x）以間隔D（X）進(jìn)行抽樣，則函數(shù)高于1/（2DX）的頻率部分將不能通過對采樣數(shù)據(jù)的重建而恢復(fù)。2/4/20237長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.2DEM數(shù)據(jù)采樣理論基礎(chǔ)（1）、地形曲面幾何特征

地形表面千變?nèi)f化，但這些變化可通過具有特征意義的點和線劃分成一系列單一的地貌形態(tài)，復(fù)雜的地形表面即是由這些單一形態(tài)的幾何表面組合而成。2/4/20238長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.2DEM數(shù)據(jù)采樣理論基礎(chǔ)（2）、地形的復(fù)雜程度

地形曲面的復(fù)雜程度是地形數(shù)據(jù)采樣必需考慮的又一個因素。一般來講地形越破碎，應(yīng)設(shè)的采樣點越多。（3）、地貌單元類型2/4/20239地形曲面幾何特征特征要素非特征要素特征點特征線地形曲面幾何特征2/4/202310長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法1、采樣數(shù)據(jù)的三大屬性數(shù)據(jù)分布采樣數(shù)據(jù)的分布通常由數(shù)據(jù)位置和結(jié)構(gòu)來確定。位置：由地理坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度或格網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)中的東北向坐標(biāo)決定。

結(jié)構(gòu)：規(guī)則與不規(guī)則

2/4/202311長安大學(xué)數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)分布二維規(guī)則格網(wǎng)正方形格網(wǎng)一維分布剖面等高線特殊規(guī)則結(jié)構(gòu)三角形六邊形鏈表結(jié)構(gòu)隨機(jī)分布斷裂線隨機(jī)點矩形格網(wǎng)§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法2/4/202312長安大學(xué)數(shù)字地面模型采樣密度指采樣數(shù)據(jù)的密集程度，它與研究區(qū)域的地貌類型和地形復(fù)雜程度有關(guān)?？捎蓭追N方式指定：如相鄰兩點之間的距離、單元面積內(nèi)的點數(shù)、截止頻率等?！?.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法2/4/202313長安大學(xué)數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)精度采樣數(shù)據(jù)精度與數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)的采集方法和數(shù)據(jù)采集的儀器密切相關(guān)。一般來講，各種數(shù)據(jù)源的精度從高到低是野外測量、影像、地形圖掃描?！?.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法2/4/202314長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法2、采樣的布點原則沿等高線采樣規(guī)則格網(wǎng)采樣剖面法漸進(jìn)采樣選擇性采樣混合采樣2/4/202315長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法3、DEM數(shù)據(jù)采集方法（1）地形圖數(shù)據(jù)采集方法手扶跟蹤數(shù)字化掃描數(shù)字化2/4/202316長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法（2）、攝影測量數(shù)據(jù)采集方法數(shù)字?jǐn)z影測量工作站2/4/202317長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法（3）、野外測量數(shù)據(jù)采集方法野外測量：大平板、全站儀、GPS、移動測繪系統(tǒng)特點：精度高、效率較低適合范圍：小范圍GIS數(shù)據(jù)采集或局部數(shù)據(jù)更新2/4/202318長安大學(xué)數(shù)字地面模型（4）、DEM數(shù)據(jù)采集的新方法合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)采集§3.3DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法2/4/202319長安大學(xué)數(shù)字地面模型獲取方式DEM的精度速度成本更新程度應(yīng)用范圍地面測量非常高（cm）耗時很高很困難小范圍區(qū)域，特別的工程項目攝影測量比較高（cm~m）比較快比較高周期性大的工程項目，國家范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集立體遙感低很快低很容易國家范圍乃至全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集GPS比較高（cm~m）很快比較高容易小范圍，特別的項目地形圖手扶跟蹤數(shù)字化比較低（圖上精度0.2~0.4mm）比較耗時低周期性國家范圍內(nèi)以及軍事上的數(shù)據(jù)采集，中小比例尺地形圖的數(shù)據(jù)獲取地形圖屏幕數(shù)字化比較低（圖上精度0.1~0.3mm）非?？毂容^低激光掃描、干涉雷達(dá)非常高（cm）很快非常高容易高分辨率、各種范圍各種數(shù)據(jù)源的比較2/4/202320長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.4DEM數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制Eklundh、Martensson（1995) DEM用戶應(yīng)把重點放在數(shù)據(jù)來源和輸入質(zhì)量控制上，而不是學(xué)習(xí)復(fù)雜的內(nèi)插方法。 2/4/2023211、原始數(shù)據(jù)粗差檢測與剔除（1）基于趨勢面的粗差檢測與處理基本思想：地形表面變化符合一定的自然趨勢，表現(xiàn)為連續(xù)空間的漸變模型，可用光滑的曲面來描述。趨勢面表達(dá)了地形的宏觀變化趨勢，當(dāng)某一采樣點的觀測值和趨勢面計算值相差較大時，該點可能含有粗差。因此趨勢面分析的一個典型應(yīng)用是揭示區(qū)域中不同于總趨勢的最大偏離部分。2/4/202322（2）、三維可視化粗差檢測1、原始數(shù)據(jù)粗差檢測與剔除2/4/202323長安大學(xué)數(shù)字地面模型在局部連續(xù)空間的漸變模型上，坡度變化也是連續(xù)的，因此可采用采樣點與周圍點的坡度變化是否一致來檢測采樣點是否含有粗差。1、原始數(shù)據(jù)粗差檢測與剔除（3）、基于坡度信息的規(guī)則格網(wǎng)分布數(shù)據(jù)粗差探測技術(shù)2/4/202324長安大學(xué)數(shù)字地面模型（i，j）（i-1，j）（i-1，j-1）（i-1，j+1）（i，j+1）（i+1，j+1）（i+1，j）（i，j-1）（i+1，j-1）p（3）、基于坡度信息的規(guī)則格網(wǎng)分布數(shù)據(jù)粗差探測技術(shù)2/4/202325長安大學(xué)數(shù)字地面模型J方向的坡度：坡度變化值：坡度變化差值（3）、基于坡度信息的規(guī)則格網(wǎng)分布數(shù)據(jù)粗差探測技術(shù)2/4/202326（3）、基于坡度信息的規(guī)則格網(wǎng)分布數(shù)據(jù)粗差探測技術(shù)基本步驟：（1）坡度差計算（2）通過相鄰兩格網(wǎng)之間的坡度差確定衡量坡度是否變化一致的閥值。（3）懷疑一點（4）粗差剔除與數(shù)據(jù)點改正2/4/202327長安大學(xué)數(shù)字地面模型（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測方法全局法：基本思想：使用所有的數(shù)據(jù)點擬合一高次多項式函數(shù)，然后計算每一數(shù)據(jù)點對所建表面的粗差。若某點的偏差大于閾值，則認(rèn)為此點可能含有粗差。

2/4/202328長安大學(xué)數(shù)字地面模型（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測方法存在的問題：

由于地面起伏狀況極少相似，因此使用相同方式對地面進(jìn)行處理的全局法在起伏不平但數(shù)據(jù)不包含粗差的地區(qū)可能認(rèn)為很多點含有粗差，而在相對光滑的地區(qū)又不能有效地將粗差檢測出來。2/4/202329區(qū)域法與全局法相似，只是擬合時所采用的數(shù)據(jù)點不是全部而是某一區(qū)域范圍。（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測方法2/4/202330點位法

基本思想：將待檢查點的高程值與鄰域點高程值的統(tǒng)計值如平均值進(jìn)行求差，如果差值超過一特定閾值，則認(rèn)為此點含有粗差。（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測方法2/4/202331長安大學(xué)數(shù)字地面模型關(guān)鍵問題：a）統(tǒng)計值如何計算；

b）閾值=？鄰域點范圍的確定待測點P周圍的鄰域點范圍可根據(jù)以P為中心的窗口來指定?？刹捎脙煞N方式：一種是定義窗口的尺寸，另一種是定義窗口覆蓋區(qū)域內(nèi)高程點的數(shù)量。（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測方法2/4/202332長安大學(xué)數(shù)字地面模型代表值的計算可將待測點的平均高程作為此點的代表值。有兩種方法：一種是計算簡單的算術(shù)平均值

；另一種是對每個鄰域點賦以不同的權(quán)值。

（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測方法2/4/202333長安大學(xué)數(shù)字地面模型計算閾值和粗差的檢測

設(shè)是以第i個點為中心的鄰域點的算術(shù)平均值，為與第i個點的高程值的差值，即若區(qū)域中共有N個點，則用這N個點的V值來計算其統(tǒng)計值，如平均值，取K倍的統(tǒng)計值作為閾值。（4）、基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測方法2/4/202334長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.4DEM數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制（5）、基于等高線采樣數(shù)據(jù)的粗差探測方法常用的方法有：將所有等高線上的點作為離散點，用上述任何一種方法進(jìn)行粗差探測；按等高線的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行粗差探測與剔除；可視化檢查（6）、等高線回放檢查2/4/202335長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.4DEM數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制2、原始數(shù)據(jù)的濾波處理若數(shù)據(jù)點中含有隨機(jī)噪聲，則DEM生成的等高線不光滑，呈鋸齒狀。因此為了提高ＤＥＭ對地形的表達(dá)精度，有必要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。原始數(shù)據(jù)的濾波處理主要是去掉原始數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和DEM地形表達(dá)精度。數(shù)據(jù)濾波的方式很多，如最鄰近重采樣、基于局部移動窗口的中值濾波、平均值濾波以及基于頻率域的低通濾波等。2/4/202336長安大學(xué)數(shù)字地面模型§3.5DEM數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用國家級的DEM雖然以柵格形式存儲，但不宜直接采用TIFF和BMP文件。所以需定義DEM的數(shù)據(jù)交換格式。數(shù)據(jù)文件包含兩部分：文件頭和數(shù)據(jù)體。數(shù)據(jù)體主要是點的高程數(shù)據(jù)，采取從北到南，從西到東的順序，并以ASCII碼方式存儲。文件頭分兩類數(shù)據(jù)：一類是基本的必須數(shù)據(jù)，一類是擴(kuò)充的附加信息。附加部分可省略。文件頭的基本組成單元是項目，格式為“項目名：項目值”，每個項目單獨占一行。2/4/202337項目名對項目值的說明DataMark中國地球空間數(shù)據(jù)交換格式—DEMs數(shù)據(jù)交換格式（CNSDTF—DEM）的標(biāo)志?；静糠郑豢扇笔?。Version該空間數(shù)據(jù)交換格式的版本號?；静糠郑豢扇笔?。Unit坐標(biāo)單位，K表示公里，M表示米，D表示以度為單位的經(jīng)緯度，S表示以度分秒表示的經(jīng)緯度?；静糠?，不可缺省。Alpha方向角?；静糠?，不可缺省Compress壓縮方法。0表示不壓縮，1表示游程編碼?；静糠郑豢扇笔0左上角原點X坐標(biāo)?；静糠?，不可缺省Y0左上角原點Y坐標(biāo)?；静糠?，不可缺省DXX方向的間距?；静糠?，不可缺省DYY方向的間距。據(jù)本部分，不可缺省Row行數(shù)。基本部分，不可缺省Col列數(shù)?；静糠郑豢扇笔alueType高程值的類型。基本部分，不可缺省HZoom