數(shù)字高程模型 第一章 概論

數(shù)字高程模型第一章概論第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三1、地表形態(tài)表達1.1地形的表達

●早期由于測量知識的缺乏，對地形表面形態(tài)的描述主要采用象形繪圖方法進行，例如山體用巖石堆符號表達，山體范圍用一系列的“魚鱗”符號或類似的錐形符號?！袷呤兰o以后，人們逐步意識到地面起伏變化對氣溫、植被、環(huán)境等的深刻影響，先后出現(xiàn)了透視寫景圖、暈滃法、斜視區(qū)域圖、地貌寫景圖、地貌形態(tài)圖、地貌單元圖等。第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三

●十八世紀，測繪技術的發(fā)展使高程數(shù)據(jù)和平面位置數(shù)據(jù)的獲取成為現(xiàn)實，對地形的表達也由寫景式的定性表達逐步過渡到以等高線為主的量化表達。在等高線地形圖上，地形起伏、地物等的描述不再是象形符號、色彩或明暗的變化，而是正交地投影在水平面上，相鄰高程相等的點連接而成的閉合曲線表示地形起伏特征和形態(tài)結構，線劃符號表示按比例縮小的地物。第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三●與各種線劃圖形相比，用影像記錄景觀現(xiàn)象無疑具有更大的優(yōu)點，如地形特征表達細節(jié)豐富、直觀逼真、圖形獲取快速等，因此攝影技術一經出現(xiàn)就被廣泛的用來記錄豐富多彩、千姿百態(tài)的自然景觀現(xiàn)象。航空攝影測量技術的出現(xiàn)，使得影像數(shù)據(jù)獲取在周期、覆蓋面、應用范圍等方面大幅度提高。第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三

1.2數(shù)字地形的表達。

●二十世紀六十年代以后，空間技術、通訊技術等的迅速發(fā)展，在航空攝影測量、航空地質探礦、航空像片判讀應用發(fā)展的基礎上誕生了遙感科學技術。伴隨著70年代美國地球資源衛(wèi)星（LandSat）的升空，攝影測量從航空發(fā)展到航天，遙感技術獲得極為廣泛的應用。

●20世紀四十年代計算機技術的出現(xiàn)以及相關技術如計算機圖形學、計算機輔助制圖、現(xiàn)代數(shù)學理論等的完善和實用，使得各種數(shù)字地形的表達方式得到迅速發(fā)展。借助于地形的數(shù)字化表達，現(xiàn)實世界的三維特征以及可量測性能夠得到充分而真實地再現(xiàn)。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三

●1958年麻省理工學院攝影測量實驗室Miller教授對計算機和攝影測量技術的結合在計算機輔助道路設計方面進行了試驗，量取了設計道路兩側大量的地形點三位空間坐標，由計算機取代人進行土方計算、方案比選等，成功地解決了道路工程計算機輔助設計問題。證明了用計算機進行地形表達的可行性、巨大應用潛力和經濟效益。提出了Digitalterrainmodel—DTM，數(shù)字地面模型，隨后在測繪、遙感、農林、土木工程、軍事、地學分析等領域得到廣泛深入地研究。地形表達從模擬時代走向數(shù)字時代！第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三2、數(shù)字高程模型

2.1數(shù)字高程模型的概念

●高程用來描述地形表面的起伏形態(tài)，傳統(tǒng)的高程模型是等高線，其數(shù)學意義是定義在二維地理空間上的連續(xù)曲面函數(shù)，當此高程模型用計算機來表達時，稱為數(shù)字高程模型。計算機化的數(shù)字高程模型需要考慮三方面的因素：●計算機容量：建立完整的連續(xù)三維表面模型需要無數(shù)個點，需要無限的存儲容量，因此與傳統(tǒng)的地形測圖一樣連續(xù)曲面必須是離散的?！裰挥袑⒛M數(shù)據(jù)（地形圖等圖形數(shù)據(jù)和文字數(shù)據(jù)）轉化為數(shù)字數(shù)據(jù)，參能為計算機所接受。●模型化表達：用數(shù)字表達的有限的地形高程數(shù)據(jù)在計算機中按一定的規(guī)則進行組織，這樣才可以從建地形表面。第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字高程模型的定義為：數(shù)字高程模型是對二維地理空間上具有連續(xù)變化特征地理現(xiàn)象通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地形曲面的數(shù)字化模擬－－模型化表達和過程模擬，DigitalElevationModel，簡稱DEM。簡單地說，空間起伏連續(xù)變化現(xiàn)象的數(shù)字化表示和分析工具的集合。狹義DEM：是區(qū)域地表面海拔高程的數(shù)字化表達－－地表；廣義DEM：是地理空間中地理對象表面海拔高度的數(shù)字化表達----對象表面，具有更大的包容性，如海底DEM，大氣等壓面DEM等。第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三數(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任意坐標場中大量選擇的已知X、Y、Z的坐標點對連續(xù)地面的一個簡單的統(tǒng)計表示。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平面坐標系統(tǒng)來描述，也可通過經度和緯度進行描述海拔分布。，在新近文獻中，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可以是每三個三維坐標值為一組的散點結構，也可是由多項式或富里葉級數(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、土地權屬、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坐標的數(shù)字形式的一種表達。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聯(lián)信息的一個有限n維向量系列{Xi}，數(shù)字高程模型DEM是DTM的一個子集，它表示地形空間分布的一個有限三維向量系列{X,Y,Z}，其中X,Y表示地形點的平面位置，Z表示相應點的高程。第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三DEM和DTM的關系：DEM是DTM的子集，是DTM最基本的部分；20世紀60年代出現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)的概念，其含義包括了DTM，在概念上取代了DTM。DTM提出后，其實際發(fā)展和應用中的內涵還主要局限于DEM，故二者的名稱混淆使用，主要表示的都是DEM的概念。第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三

2.2數(shù)字高程模型的研究內容

●地形數(shù)據(jù)采樣。建立DEM的基礎是地形高程數(shù)據(jù)，因此地形數(shù)據(jù)獲取是數(shù)字高程模型的首要環(huán)節(jié)。地形數(shù)據(jù)的分布、密度和精度對數(shù)字高程模型的質量有著非常重要的影響。數(shù)據(jù)采樣策略、高精度快速數(shù)據(jù)采樣技術等一直是DEM數(shù)據(jù)采樣的主要研究議題之一。

●地形建模與內插。DEM是對地形表面的數(shù)字化表示，其建立過程實際上是一種數(shù)學建模過程，也就是說地形表面被一組相互組織在一起的地形采樣點所表達，如果需要該數(shù)學表面上其它位置處的高程值，可應用一種內插方法來進行處理。高度逼真、多尺度地形建模技術和快速高效的內插算法是數(shù)字高程模型永恒的主題。第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三●數(shù)據(jù)組織與管理。DEM是按一定結構組織在一起的地形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結構的好壞直接涉及DEM對地形的重建精度。對于大規(guī)模的地形數(shù)據(jù)，需要通過數(shù)據(jù)庫進行管理，數(shù)據(jù)庫管理技術和空間索引技術是高效的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)瀏覽、無縫漫游等的技術保證。地形表面具有多尺度特征，多尺度地形的表達與組織是DEM面臨的主要課題之一。

●地形分析與地學應用。DEM的應用主要包括兩個部分，即基本應用和地學分析應用。基本應用主要是在DEM上實現(xiàn)等高線地形圖上的地形分析功能，如高程內插、坡度坡向計算、土方計算、地形結構識別等；地學分析應用與具體學科相聯(lián)系，主要研究基于DEM的地學模型、地學過程模擬等內容。第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三●DEM可視化。實現(xiàn)以多種方式如等高線、暈渲圖、線框透視、動畫等在不同層面上對地形進行表達、觀察和瀏覽。

●不確定性分析和表達。數(shù)字高程模型的精度對DEM的生產者和使用者都具有十分重要的意義。DEM精度研究包括DEM數(shù)據(jù)源精度、數(shù)據(jù)內插精度、數(shù)據(jù)模型精度、各種誤差在DEM數(shù)據(jù)操作過程中的傳播問題以及DEM數(shù)據(jù)生產中的質量控制策略等。

第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三2.3數(shù)字高程模型的類型(1)按結構分類（按其數(shù)據(jù)組織方式）●基于面單元的DEM：將采樣點按某種規(guī)則剖分成一系列的規(guī)則或不規(guī)則的格網(wǎng)單元，，并用這些格網(wǎng)單元組成的網(wǎng)絡逼近原始曲面。規(guī)則剖分如正方形格網(wǎng)DEM、六邊形格網(wǎng)DEM等。不規(guī)則單元如三角形DEM（TIN）、四邊形DEM?！窕诰€單元的DEM：將采樣點按線串組織在意的DEM。基于線單元的DEM與數(shù)據(jù)采樣方式聯(lián)系在一起，如沿等高線采樣的數(shù)據(jù)可組織成基于等高線的DEM，斷面DEM等。第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三●基于點的DEM：基于點的DEM實際上就是采樣點的集合，點與點之間沒有建立任何關系，稱之為散點DEM。該種結構由于點之間沒有任何關系而應用不多。第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三(2)按連續(xù)性分類（從數(shù)學角度考察DEM模型連續(xù)性、一階導數(shù)及高階導數(shù)等的連續(xù)情況）●不連續(xù)型DEM：用來模擬地形表面分布的不具備漸變特征的地理對象如土壤、植被、土地利用等。DEM單元內部是同質的，變化之發(fā)生在單元邊界。不連續(xù)DEM的典型特征是DEM模型呈階梯狀分布。●連續(xù)不光滑DEM：該種DEM認為DEM中的數(shù)據(jù)點僅僅袋便連續(xù)表面上的一個采樣值，整個曲面通過相互連接在一起的曲面片（格網(wǎng)單元）來逼近，格網(wǎng)單元在北部市連續(xù)光滑的，整體上呈連續(xù)分布但導數(shù)不連續(xù)，如基于點山歌的DEM和TIN模型。第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三●光滑DEM：光滑DEM是指一階導數(shù)或高階單數(shù)連續(xù)的表面，一般在區(qū)域或全局尺度上實現(xiàn)。光滑DEM可以使用數(shù)學函數(shù)表達的地形曲面，或是在整個區(qū)域上通過全局內插函數(shù)所形成的DEM，例如通過趨勢面擬合內插所建立的DEM，也可以通過分塊內插并建立各個塊之間的光滑條件形成的DEM。第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三(2)按范圍分類●局部DEM：對某一工程所建立的小范圍的DEM，或因為研究區(qū)域曲面變化比較復雜而將曲面劃分成具有單一結構的一個個曲面塊，并在該曲面塊上所建立的數(shù)字高程模型?！竦貐^(qū)DEM：介于局部和全局模型之間的DEM?！袢諨EM：全局性DEM一般包含大量的數(shù)據(jù)并覆蓋一個很大的區(qū)域。第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三2.4數(shù)字高程模型的特點與傳統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)如等高線地形圖相比，有如下特點：（1）精度的恒定性（2）表達的多樣性（3）更新的是實時性（4）尺度的綜合性第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三2.5數(shù)字高程模型的系統(tǒng)結構數(shù)字高程模型的理論和技術由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和應用三部分組成。這三部分根據(jù)功能又可劃分為五個功能模塊：（1）DEM的建立（2）DEM模型操作（3）DEM分析（4）DEM可視化（5）DEM應用各個功能模塊之間的數(shù)據(jù)流不是單向的，是相互流動的。第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三3、數(shù)字高程模型的應用3.1科學研究應用區(qū)域、全球氣候變化研究水資源、野生動植物分布地質、水文模型地理信息系統(tǒng)地形地貌分析土地分類、土地利用、土地覆蓋變化、監(jiān)測等第二十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三3.2商業(yè)應用數(shù)字高程模型的應用是面向用戶的，因此DEM的商業(yè)價值在于DEM產品與DEM派生產品的生產和分發(fā)。DEM的商業(yè)市場可分為兩類：直接提供DEM數(shù)據(jù)而不進行增值服務和用戶需要增值服務。主要行業(yè)有：電信交通管理與導航資源規(guī)劃管理與建設地質勘探水文和氣象服務遙感、測繪多媒體應用和電子游戲第二十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三

3.3工業(yè)、工程應用主要用于進行各種輔助決策和