DEM與可視化第章2

第二章數(shù)字地形模型概述

江文萍武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院2015.9§2.1數(shù)字地形模型一、數(shù)字地面模型數(shù)字地面模型（DigitalTerrainModel,DTM）是由美國麻省理工學(xué)院的Miller教授針對高速公路的自動設(shè)計于1956年提出來的。Miller和Laflamme在1958年給出DTM如下的定義 數(shù)字地面模型是利用一個任意坐標(biāo)場中大量選擇的已知x、y、z的坐標(biāo)點對連續(xù)地面的一個簡單的統(tǒng)計表示，或者說，DTM就是地形表面簡單的數(shù)字表示?！?.1數(shù)字地形模型數(shù)字地面模型更通用的定義：

描述地球表面形態(tài)多種信息空間分布的有序數(shù)值陣列，從數(shù)學(xué)的角度，可以用下述二維函數(shù)系列取值的有序集合來概括地表示數(shù)字地面模型的豐富內(nèi)容和多樣形式：

上式記為(1-2-1)形如Kp為第p號地面點(可以是單一的點，但一般是某點及其微小鄰域所劃定的一個地表面元)上的第k類地面特性情息的取值；up,vp為第p號地面點的二維坐標(biāo)，可以是采用任一地圖投影的平面坐標(biāo)，或者是經(jīng)緯度和矩陣的行列號等；m(m大于等于1)為地面特性信息類型的數(shù)目；n為地面點的個數(shù)。當(dāng)上述函數(shù)的定義城為二維地理空間上的面域、線段或網(wǎng)絡(luò)時，n趨于正無窮大；當(dāng)定義域為離散點集時，n一般為有限正整數(shù)。§2.1數(shù)字地形模型例如，假定將土壤類型編作第i類地面特性信息。則數(shù)字地面模型的第i個組成部分為：

(1-2-2)數(shù)字地面模型是對某一種或多種地面特性空間分布的數(shù)字描述，是疊加在二維地理空間上的一維或多維地面特性向量空間，是地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫的某類實體或所有這些實體的總和。數(shù)字地面模型的本質(zhì)共性是二維地理空間定位和數(shù)字描述?！?.1數(shù)字地形模型數(shù)字地形模型

測繪學(xué)從地形測繪的角度來研究數(shù)字地面模型，一般僅把基本地形圖中的地形要素，特別是高程信息，作為數(shù)字地面模型的內(nèi)容。測繪學(xué)家心目中的數(shù)字地面模型是新一代的地形圖，地貌和地物不再用直觀的等高線和圖例符號在紙上表達(dá)，而是通過儲存在磁性介質(zhì)中的大量密集的(一般是規(guī)則的)地面點的空間坐標(biāo)和地形屬性編碼，以數(shù)字的形式描述。正因為如此，很多測繪學(xué)學(xué)家把“Terrain”一詞理解為地形，稱DTM為數(shù)字地形模型。其他非測繪應(yīng)用的課題，通常都根據(jù)各自的具體褐要，將某些非地形的特性信息與地形信息結(jié)合在一起，構(gòu)成數(shù)字地面模型。§2.1數(shù)字地形模型二、數(shù)字高程模型在上式中，當(dāng)m＝1且f1為對地面高程的映射，(up，vp)為矩陣行列號時，該式表達(dá)的數(shù)字地面模型即所謂的數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel，簡稱DEM)。顯然，DEM是DTM的一個子集。實際上，DEM是DTM中最基本的部分，它是對地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表達(dá)。數(shù)字高程模型DEM是表示區(qū)域D上的三維向量有限序列，用函數(shù)的形式描述為：

(1-2-3)

Xi，Yi---平面坐標(biāo)

Zi-對應(yīng)的高程§2.1數(shù)字地形模型一般可以認(rèn)為，DEM是以數(shù)字的形式按一定的結(jié)構(gòu)組織在一起，表示實際地形特征空間分布的數(shù)字模型，也是地形形態(tài)和地貌起伏的數(shù)字描述。DEM的核心是地形表面特征點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)和一套對地表提供連續(xù)描述的算法。最基本的DEM是由一系列地面點x,y位置及其相聯(lián)系的高程z所組成，用數(shù)學(xué)函數(shù)是的表達(dá)是：

z=f(x,y)x,y∈DEM所在的區(qū)域§2.1數(shù)字地形模型三、數(shù)字高程模型的特點

與傳統(tǒng)地形圖比較，DEM作為地形表面的一種數(shù)字表達(dá)形式有如下特點：

(1)容易以多種形式顯示地形信息。DEM:多種比例尺的地形圖、縱橫斷面圖和立體圖。常規(guī)地形圖:制作完成后，比例尺不容易改變，改變或者繪制其他形式的地形圖，則需要人工處理。

(2)精度不會損失。常規(guī)地圖:圖紙變形，失掉原有的精度。用人工的方法制作其他種類的地圖，精度會受到損失DEM:采用數(shù)字媒介，保持精度不變。由DEM直接輸出其他類型的地圖，精度可得到控制。

§2.1數(shù)字地形模型(3)容易實現(xiàn)自動化、實時化。常規(guī)地圖：增加和修改都必須重復(fù)相同的工序，勞動強(qiáng)度大而且周期長，不利于地圖的實時更新。DEM：增加或改變地形信息只需將修改信息直接輸入列計算機(jī)，經(jīng)軟件處理后立即可產(chǎn)生實時化的各種地形圖。數(shù)字高程模型具有以下顯著的特點：便于存儲、更新、傳播和計算機(jī)自動處理；具有多比例尺特性，如lm分辨串的DEM自動涵蓋了更小分辨串如10m和100m的DEM內(nèi)容；特別適合于各種定量分析與三維建模?！?.2數(shù)字地形模型的應(yīng)用范疇一、相關(guān)學(xué)科和技術(shù)1、基礎(chǔ)理論與技術(shù)支持計算機(jī)科學(xué)是數(shù)字高程模型產(chǎn)生和發(fā)展的最重要的基礎(chǔ)之一，計算機(jī)科學(xué)的技術(shù)突破必將對數(shù)字高程模型的技術(shù)理論體系產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。數(shù)值逼近、計算幾何、圖論和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等數(shù)學(xué)分支的有關(guān)理論和方法則奠定了數(shù)字地形模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。各種數(shù)字技術(shù)如編碼、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等則是組織數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的理論依據(jù)。地形的三維逼真顯示(仿真)技術(shù)，一直是計算機(jī)圖形學(xué)的重要研究內(nèi)容。數(shù)字高程模型的可視表現(xiàn)更是依托于計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展?！?.2數(shù)字地形模型的應(yīng)用范疇2、測繪學(xué)數(shù)字地形模型的原始數(shù)據(jù)采集主要依靠測繪學(xué)的支持。對于不同的數(shù)據(jù)源，可分別借助攝影測量與遙感(RS)、GPS、計算機(jī)地圖制圖的圖形數(shù)字化輸入和編輯以及野外數(shù)字測圖等技術(shù)，進(jìn)行數(shù)字地形模型原始數(shù)據(jù)的采集工作。特別是在攝影測量領(lǐng)域，DEM已經(jīng)成為主要的產(chǎn)品形式和正射影像生產(chǎn)的基礎(chǔ)。DEM輔助遙感影像的處理，則可提高影像分類及解譯的成功率。§2.2數(shù)字地形模型的應(yīng)用范疇3、地理信息系統(tǒng)(G1S)DEM作為地球空間框架數(shù)據(jù)的基本內(nèi)容和其他各種地理信息的載體，是各種地學(xué)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，自然也是GIS的基本內(nèi)容。特別是GIS中的三維可視化和虛擬現(xiàn)實更是離不開DEM。§2.2數(shù)字地形模型的應(yīng)用范疇二、應(yīng)用數(shù)字地形模型既然是地理空間定位的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集合，因此凡牽涉到地理空間定位，在研究過程中又依靠計算機(jī)系統(tǒng)支持的課題，一般都要建立數(shù)字地形模型。從這個角度看，建立數(shù)字地形模型是對地面特性進(jìn)行空間描述的一種數(shù)字方法途徑，數(shù)字地形模型的應(yīng)用可遍及整個地學(xué)領(lǐng)域。§2藝.2數(shù)字素地形竭模型泊的應(yīng)舟用范收疇1、可非將DT囑M的主論要應(yīng)泄用歸駛納為作為倆國家果地理惜信息諒的基季礎(chǔ)數(shù)傲據(jù)美國岸地質(zhì)湊測量辮局US臘GS鮮--也-國家督基礎(chǔ)血地理歐信息宣產(chǎn)品數(shù)字居線化值圖(D敏ig螺it汽al昆L偵in述e深Gr隔ap蒙hs脾,D逢LG工)數(shù)字?jǐn)栏叱酞M模型(D嬸ig竭it辦al腔E紫le悄va痕ti功on匹M紫od各el蓋,D沉EM舊)數(shù)字洲正射糊影像(D驅(qū)ig駝it蒼al消O傲rt撿ho餐ph表ot荒o抓Ma撥p,浩DO刺M)地理子名字(G當(dāng)eo朗gr側(cè)ap總hi孫c遠(yuǎn)Na滾me騙)數(shù)字留柵格岡圖(D晝ig濁it狀al板R你as毒te孩r妨Gr島ap棄hs，簡統(tǒng)稱DR聰G)我國4D產(chǎn)品DL饑G、DE凳M、DO諷M、DR題G的生奴產(chǎn)和拴管理國家怎空間鳳數(shù)據(jù)杜基礎(chǔ)破設(shè)施(N障SD扒I)的框材架數(shù)池?fù)?jù):3墳D,挨D盞LG、DE喜M、DO遵M?！?兩.2數(shù)字坡地形隊模型干的應(yīng)輕用范框疇土木忘工程謎、景恭觀建污筑與愚礦山抓工程燈的規(guī)惹劃與言設(shè)計為軍功事目黑的(軍事遠(yuǎn)模擬蔥等)而進(jìn)蚊行的揮地表皇三維單顯示景觀死設(shè)計炊與城洋市規(guī)氏劃流水潔線分擋析、男可視盼性分臟析交通汪路線奴的規(guī)輛劃與碼大壩狠的選轉(zhuǎn)址不同禿地表稅的統(tǒng)控計分功析與果比較生成掠坡度量圖、庸坡向榆圖、域剖面臺圖，另輔助灰地貌凍分析醋，估鮮計侵析蝕和問涇流揮等§2撤.2數(shù)字回地形扛模型偽的應(yīng)謝用范店疇作為錢背景微疊加省各種作專題噴信息拿如土吉壤、獅土地些利用億及植拌被覆傻蓋數(shù)意據(jù)等油，以籍進(jìn)行青顯示遇與分扎析為棉遙感咳、環(huán)扁境規(guī)岔劃中聽的處癥理提侮供數(shù)責(zé)據(jù)輔助瀉影像住解譯叔、遙保感分墓類將DE墳M概念完擴(kuò)充緣瑞到表片示與斑地表杰相關(guān)捆的各掏種屬焦性，疏如人包口、鋸交通維、旅賴行時我間等與GI惠S聯(lián)合列進(jìn)行皇空間撐分析虛擬嗎現(xiàn)實(V語ir例tu尖al延R尋ea渾li偵ty長)§2犯.2數(shù)字?jǐn)n地形沃模型瞎的應(yīng)換用范亞疇2、DE排M的派辰生產(chǎn)始品平面誼等高神線圖立體迷等高橋線固等坡虛度圖暈渲鞠圖通視小圖縱、降橫斷怨面團(tuán)三維傭立體機(jī)透視供圖三維舍立體鍋彩色沉圖景觀謎圖§2蔽.3數(shù)字樓地形瓶模型萍的數(shù)丈據(jù)結(jié)此構(gòu)DT作M的數(shù)聽據(jù)結(jié)說構(gòu)對勒其應(yīng)畢用有愛著重絮要影植響，醉不同扎的數(shù)默據(jù)結(jié)腫構(gòu)采慘用的話算法插不同蝴，占剩用的像存儲渴空間視大小準(zhǔn)不同遣，進(jìn)夠行計魄算時禮的效黎率也床不相捉同。DT羽M常用漲的數(shù)煤據(jù)結(jié)興構(gòu)主特要分冒為：仍規(guī)則漆網(wǎng)格歌結(jié)構(gòu)睡和不筒規(guī)則敘三角混網(wǎng)結(jié)龍構(gòu)?！?亂.3數(shù)字患地形嶺模型謝的數(shù)洪據(jù)結(jié)板構(gòu)一、非規(guī)則胞網(wǎng)格打結(jié)構(gòu)規(guī)則幕網(wǎng)格革，通榮常是虧正方誕形，洽也可尺以是慣矩形區(qū)、三覽角形理等規(guī)宰則網(wǎng)波格。結(jié)以正合方形昂格網(wǎng)爹（Gr抵id）為揪主。規(guī)則體網(wǎng)格幕將區(qū)役域空殲間切漂分為硬規(guī)則宇的格罪網(wǎng)單前元，傘每個仰格網(wǎng)茅單元爛對應(yīng)愿一個晝數(shù)值撿。數(shù)恨學(xué)上漂可以玻表示鉛為一索個矩劫陣，憐在計爸算機(jī)泉實現(xiàn)輸中則爹是一前個二善維數(shù)鞭組。迷每個壇格網(wǎng)么單元線或數(shù)次組的扮一個水元素兄，對旺應(yīng)一摩個高嫂程值援。H1汪1黑H1守2假…疊……摔……燙H師1n倚H陷21組H畜22全……括……頁…屢H2鎖n……濃……茅…土……纖……戶……………移……征…燒……壤……蛙……彼………摟……再…旬……喘……展……壇………蔑……葵…捧……撓……督……內(nèi)…Hm浸1答Hm沖2碗…本……萬……問H緣瑞mn§2頌.3數(shù)字收地形皺模型積的數(shù)避據(jù)結(jié)卵構(gòu)規(guī)則葛格網(wǎng)家的高撇程矩喊陣，揮可以痰很容糾易地鋸用計鍛算機(jī)慮進(jìn)行斧處理瞧，特雄別是魔柵格蟲數(shù)據(jù)鑼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)的地抗理信素息系參統(tǒng)。斗它還緩可以傭很容季易地甘計算夫等高狐線、裝坡度缺坡向狹、山玻坡陰聾影和比自動月提取專流域和地形沙，使渴得它舟成為DE笑M最廣潮泛使添用的它格式蓋，目橋前許碑多國有家的DE循M數(shù)據(jù)紡都是悄以規(guī)絹則格取網(wǎng)的排數(shù)據(jù)懂矩陣似形式罩提供鋪的。規(guī)則逮格網(wǎng)追結(jié)構(gòu)DE建M的缺竊點：在地商形簡泡單、挎平坦如的地公區(qū)存辟在大謎量冗泡余數(shù)爬據(jù)；如不屢改變草格網(wǎng)吸大小全，則例無法短適用洋于起炒伏程吸度不中同的抖地區(qū)聰；由于磚柵格靜過于踩粗略材，不診能精練確表先達(dá)某響些重齒要的輛地形川特征桌，如俊山峰缺、洼席坑、饞山脊邪、山痛谷等竭。用于扯非矩今形的斧不規(guī)垂則區(qū)騾域時饞，邊游界要慶做特顧殊處真理?！?唐.3數(shù)字撕地形潔模型參的數(shù)挑據(jù)結(jié)稍構(gòu)二、魚不規(guī)傲則三頂角網(wǎng)瓜（TI客N）模棍型1、概艙念不規(guī)毀則三揭角網(wǎng)(T怕ri秀an雙gu稻la川te險d格Ir四re分gu限la岔r叫Ne斃tw難or桐k，TI匆N)是另用外一雅種表釣示數(shù)種字高旨程模黃型的惹方法購，是替由Pe訊uk釘er和他甜的同已事19脾78年設(shè)唐計的由一個處系統(tǒng)種。它是筆由不曬規(guī)則教分布笑的離刑散數(shù)誕據(jù)點冤構(gòu)造坊出鄰驅(qū)接的閥三角真形（竟三角許面）心而組盤成的溝格網(wǎng)鳴結(jié)構(gòu)牧。它既洞減少朋規(guī)則媽格網(wǎng)哀方法扒帶來速的數(shù)炕據(jù)冗德余，霞同時品在計卸算（炕如坡姨度）耐效率固方面五又優(yōu)摩于純?nèi)岽饣诘揉嵏呔€罪的方蝦法。§2較.3數(shù)字壤地形壘模型覽的數(shù)哲據(jù)結(jié)打構(gòu)TI役N是一械個三峰維空河間的耗分段頂線性租模型砌，在劈燕整個啊區(qū)域價內(nèi)連谷續(xù)但票不可驢微。不則緊三角拖網(wǎng)數(shù)冶字高請程由抗連續(xù)擔(dān)的三臂角面慕組成音，三跳角面逃的形拳狀和羅大小慢取決晉于不闊規(guī)則侵分布烏的測岔點或播節(jié)點巴的位菌置和機(jī)密度銀。TI撈N表示志法利駛用所救有采瓣樣點貢取得枝的離消散數(shù)霞據(jù)，牽按照塞優(yōu)化江組合述的原尾則，腳把這稈些離葛散點(各三冊角形草的頂桿點)連接饒成相府互連療續(xù)的爪三角障面(在連陸接時腐，盡批可能唇地確泥保每肅個三崇角形芽都是帖銳角爽三角脾形或勻是三媽邊的格長度毛近似殿相等)§2利.3數(shù)字社地形劇模型蹲的數(shù)云據(jù)結(jié)懼構(gòu)2、基嘴于TI扣N的DE反M特點TI葛N是不填規(guī)則灘格網(wǎng)牢中最真簡單晉的形靈態(tài)，訴在等蠟高線描追蹤首、三湖維顯慨示及燥其他殃方面厲也是鏈最常毅用、濃最簡毫單的結(jié)結(jié)構(gòu)去?；∮赥I衫N建立放的DE霞M的特穿點：TI霉N能隨慮地形漿起伏鍋變化量的復(fù)梁雜性勒而靈恒活地頌改變桑采樣蓮點的陡密度及和確術(shù)定離患散采惱樣點富的位盟置因川而它即克服將了因凳地形胳起伏莊不大宗而產(chǎn)建生的虹高程宅矩陣別中冗對余數(shù)雪據(jù)的梯問題堤；能按裹地形未特征攀點和王線，襲如山避脊線貪、溝歡谷線診、地滑形變偶換線負(fù)和其房誠它能礙按精肉度要奇求進(jìn)撇行數(shù)敘字化讀的重佳要地質(zhì)形特樓征來行獲取DE術(shù)M數(shù)據(jù)股，不讓改變茄原始伍數(shù)據(jù)艙及其麗精度瓣，保議持原援有的倆關(guān)鍵意地形全特征縱；能較涉好地占處理渴不規(guī)指則形遵狀的枯區(qū)域教邊界牙；有足印夠離劫散點稱的情厭況下結(jié)效果翻較好葉?！?腦.3數(shù)字陷地形品模型圍的數(shù)幣據(jù)結(jié)鄙構(gòu)3、TI即N的存君儲結(jié)循構(gòu)TI倚N的數(shù)蕩據(jù)存丘儲方車式比奴格網(wǎng)DE廉M復(fù)雜島，它絨不僅日要存擠儲每緩個點敏的高階程，粉還要伍存儲頑其平鳥面坐趕標(biāo)、寸節(jié)點填連接熱的拓蜓撲關(guān)霧系，衰三角全形及居鄰接鄉(xiāng)豐三角骨形等泥關(guān)系顏。在矮概念柏上，TI扒N模型惠類似捷于多襲邊形撓網(wǎng)絡(luò)伙中的掉矢量淡拓?fù)淦Y(jié)構(gòu)憑，只易是T1粱N中不批必要坑規(guī)定“島嶼”或“洞”的拓庫撲關(guān)廊系。有許及多種暮表達(dá)TI序N拓?fù)涮澖Y(jié)構(gòu)中的存孝儲方土式，絹一個