數(shù)字地形模型

數(shù)字地形模型用數(shù)字表達(dá)地面起伏形態(tài)的方式01模型介紹DTM和DEM表示模型行業(yè)介紹表示方法模型應(yīng)用目錄0305020406基本信息數(shù)字地形模型是測繪工作中，又稱數(shù)字高程模型。即在一個區(qū)域內(nèi)，以密集的地形模型點的坐標(biāo)X、Y、Z表達(dá)地面形態(tài)。這樣的地形模型點，就其平面位置來說，可以是隨機(jī)分布的（包括像片上取規(guī)則格網(wǎng)的情況在內(nèi)）；也可以是規(guī)則分布的。規(guī)則分布時，只須記錄和存貯點的高程，應(yīng)用比較方便。模型介紹作用應(yīng)用場景模型介紹應(yīng)用場景數(shù)字地形模型DEM和DTM主要用于描述地面起伏狀況，可以用于提取各種地形參數(shù)，如坡度、坡向、粗糙度等，并進(jìn)行通視分析、流域結(jié)構(gòu)生成等應(yīng)用分析。因此，DEM在各個領(lǐng)域中被廣泛使用。DEM可以有多種表達(dá)方法，包括網(wǎng)格、等高線、三角網(wǎng)等。作用數(shù)字地形模型數(shù)字地形模型（DTM,DigitalTerrainModel）最初是為了高速公路的自動設(shè)計提出來的（Miller，1956）。此后，它被用于各種線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設(shè)計以及各種工程的面積、體積、坡度計算，任意兩點間的通視判斷及任意斷面圖繪制。在測繪中被用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖以及地圖的修測。在遙感應(yīng)用中可作為分類的輔助數(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)劃及洪水險情預(yù)報等。在軍事上可用于導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo)、作戰(zhàn)電子沙盤等。對DTM的研究包括DTM的精度問題、地形分類、數(shù)據(jù)采集、DTM的粗差探測、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)壓縮、DTM應(yīng)用以及不規(guī)則三角網(wǎng)DTM的建立與應(yīng)用等。行業(yè)介紹行業(yè)介紹供求關(guān)系是一個行業(yè)能否快速發(fā)展的前提。目前來看，市場需求是很大的，而供應(yīng)方面卻略顯不足，尤其是擁有核心知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)過硬的企業(yè)并不多，行業(yè)整體缺乏品牌效應(yīng)。傲唯刃道呼吁業(yè)內(nèi)企業(yè)共同努力，尤其發(fā)揮吹毛求疵的研發(fā)精神，進(jìn)一步提高研發(fā)能力，降低成本，真正解決客戶的實際困難，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，提供最可靠的產(chǎn)品和技術(shù)。DTM和DEMDTM和DEM數(shù)學(xué)的角度，高程模型是高程Z關(guān)于平面坐標(biāo)X，Y兩個自變量的連續(xù)函數(shù)，數(shù)字高程模型（DEM）只是它的一個有限的離散表示。高程模型最常見的表達(dá)是相對于海平面的海拔高度，或某個參考平面的相對高度，所以高程模型又叫地形模型。實際上地形模型不僅包含高程屬性，還包含其它的地表形態(tài)屬性，如坡度、坡向等。數(shù)字地形模型數(shù)字地形模型是地形表面形態(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。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（DigitalElevationModel，簡稱DEM）。高程是地理空間中的第三維坐標(biāo)。由于傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是二維的，數(shù)字高程模型的建立是一個必要的補(bǔ)充。DEM通常用地表規(guī)則網(wǎng)格單元構(gòu)成的高程矩陣表示，廣義的DEM還包括等高線、三角網(wǎng)等所有表達(dá)地面高程的數(shù)字表示。在地理信息系統(tǒng)中，DEM是建立DTM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其它的地形要素可由DEM直接或間接導(dǎo)出，稱為“派生數(shù)據(jù)”，如坡度、坡向。表示方法圖形方法數(shù)學(xué)方法表示方法數(shù)學(xué)方法數(shù)字地形模型用數(shù)學(xué)方法來表達(dá)，可以采用整體擬合方法，即根據(jù)區(qū)域所有的高程點數(shù)據(jù)，用傅立葉級數(shù)和高次多項式擬合統(tǒng)一的地面高程曲面。也可用局部擬合方法，將地表復(fù)雜表面分成正方形規(guī)則區(qū)域或面積大致相等的不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行分塊搜索，根據(jù)有限個點進(jìn)行擬合形成高程曲面。數(shù)字地形模型這是實景航片與DEM數(shù)據(jù)的組合圖,可以全方位旋轉(zhuǎn)，是一種曲面微分化的一種表示方法,無需擬合,因而速度較快。圖形方法（2．1）線模式等高線是表示地形最常見的形式。其它的地形特征線也是表達(dá)地面高程的重要信息源，如山脊線、谷底線、海岸線及坡度變換線等。（2．2）點模式用離散采樣數(shù)據(jù)點建立DEM是DEM建立常用的方法之一。數(shù)據(jù)采樣可以按規(guī)則格網(wǎng)采樣，可以是密度一致的或不一致的；可以是不規(guī)則采樣，如不規(guī)則三角網(wǎng)、鄰近網(wǎng)模型等；也可以有選擇性地采樣，采集山峰、洼坑、隘口、邊界等重要特征點。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，等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型。表示模型規(guī)則格網(wǎng)等高線不規(guī)則三角網(wǎng)模型層次表示模型規(guī)則格網(wǎng)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)則網(wǎng)格將區(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，在計算機(jī)實現(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。數(shù)字地形模型對于每個格網(wǎng)的數(shù)值有兩種不同的解釋。第一種是格網(wǎng)柵格觀點，認(rèn)為該格網(wǎng)單元的數(shù)值是其中所有點的高程值，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)。第二種是點柵格觀點，認(rèn)為該網(wǎng)格單元的數(shù)值是網(wǎng)格中心點的高程或該網(wǎng)格單元的平均高程值，這樣就需要用一種插值方法來計算每個點的高程。計算任何不是網(wǎng)格中心的數(shù)據(jù)點的高程值，使用周圍4個中心點的高程值，采用距離加權(quán)平均方法進(jìn)行計算，當(dāng)然也可使用樣條函數(shù)和克里金插值方法。規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，可以很容易地用計算機(jī)進(jìn)行處理，特別是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)。它還可以很容易地計算等高線、坡度坡向、山坡陰影和自動提取流域地形，使得它成為DEM最廣泛使用的格式，目前許多國家提供的DEM數(shù)據(jù)都是以規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)矩陣形式提供的。格網(wǎng)DEM的缺點是不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)和細(xì)部，為避免這些問題，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點、山脊線、谷底線、斷裂線，以描述地形結(jié)構(gòu)。格網(wǎng)DEM的另一個缺點是數(shù)據(jù)量過大，給數(shù)據(jù)管理帶來了不方便，通常要進(jìn)行壓縮存儲。等高線等高線模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一條等高線對應(yīng)一個已知的高程值，這樣一系列等高線集合和它們的高程值一起就構(gòu)成了一種地面高程模型。數(shù)字地形模型等高線通常被存成一個有序的坐標(biāo)點對序列，可以認(rèn)為是一條帶有高程值屬性的簡單多邊形或多邊形弧段。由于等高線模型只表達(dá)了區(qū)域的部分高程值，往往需要一種插值方法來計算落在等高線外的其它點的高程，又因為這些點是落在兩條等高線包圍的區(qū)域內(nèi)，所以，通常只使用外包的兩條等高線的高程進(jìn)行插值。等高線通?？梢杂枚S的鏈表來存儲。另外的一種方法是用圖來表示等高線的拓?fù)潢P(guān)系，將等高線之間的區(qū)域表示成圖的節(jié)點，用邊表示等高線本身。此方法滿足等高線閉合或與邊界閉合、等高線互不相交兩條拓?fù)浼s束。這類圖可以改造成一種無圈的自由樹。不規(guī)則三角網(wǎng)盡管規(guī)則格網(wǎng)DEM在計算和應(yīng)用方面有許多優(yōu)點，但也存在許多難以克服的缺陷：1）在地形平坦的地方，存在大量的數(shù)據(jù)冗余；2）在不改變格網(wǎng)大小的情況下，難以表達(dá)復(fù)雜地形的突變現(xiàn)象；3）在某些計算，如通視問題，過分強(qiáng)調(diào)網(wǎng)格的軸方向。不規(guī)則三角網(wǎng)（TriangulatedIrregularNetwork,TIN）是另外一種表示數(shù)字高程模型的方法[Peuker等，1978]，它既減少規(guī)則格網(wǎng)方法帶來的數(shù)據(jù)冗余，同時在計算（如坡度）效率方面又優(yōu)于純粹基于等高線的方法。TIN模型根據(jù)區(qū)域有限個點集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內(nèi)。如果點不在頂點上，該點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的高程，在三角形內(nèi)則用三個頂點的高程）。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的數(shù)據(jù)存儲方式比格網(wǎng)DEM復(fù)雜，它不僅要存儲每個點的高程，還要存儲其平面坐標(biāo)、節(jié)點連接的拓?fù)潢P(guān)系，三角形及鄰接三角形等關(guān)系。TIN模型在概念上類似于多邊形網(wǎng)絡(luò)的矢量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是TIN模型不需要定義“島”和“洞”的拓?fù)潢P(guān)系。模型層次層次地形模型（LayerofDetails，LOD）是一種表達(dá)多種不同精度水平的數(shù)字高程模型。大多數(shù)層次模型是基于不規(guī)則三角網(wǎng)模型的，通常不規(guī)則三角網(wǎng)的數(shù)據(jù)點越多精度越高，數(shù)據(jù)點越少精度越低，但數(shù)據(jù)點多則要求更多的計算資源。所以如果在精度滿足要求的情況下，最好使用盡可能少的數(shù)據(jù)點。層次地形模型允許根據(jù)不同的任務(wù)要求選擇不同精度的地形模型。層次模型的思想很理想，但在實際運用中必須注意幾個重要的問題：1）層次模型的存儲問題，很顯然，與直接存儲不同，層次的數(shù)據(jù)必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余。2）自動搜索的效率問題，例如搜索一個點可能先在最粗的層次上搜索，再在更細(xì)的層次上搜索，直到找到該點。3）三角網(wǎng)形狀的優(yōu)化問題，例如可以使用Delaunay三角剖分。4）模型可能允許根據(jù)地形的復(fù)雜程度采用不同詳細(xì)層次的混合模型，例如，對于飛行模擬，近處時必須顯示比遠(yuǎn)處更為詳細(xì)的地形特征。5）在表達(dá)地貌特征方面應(yīng)該一致，例如，如果在某個層次的地形模型上有一個明顯的山峰，在更細(xì)層次的地形模型上也應(yīng)該有這個山峰。這些問題還沒有一個公認(rèn)的最好的解決方案，仍需進(jìn)一步深入研究。模型應(yīng)用模型應(yīng)用數(shù)字地形模型在工程建設(shè)方面（如公路、鐵路、高壓線路等工程的選線、定線和計算工程量）應(yīng)用甚廣，并為實現(xiàn)設(shè)計工作的自動化提供了條件。在地圖測繪中可根據(jù)數(shù)字地形模型曬印正射影像地圖和自動繪制地形圖。此外，在近景攝影測量中，當(dāng)觀測的對象是某些表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體時，也可以引用這種原理進(jìn)行測繪。數(shù)字地形模型建立數(shù)字地形模型所需的原始數(shù)據(jù)點，可以來源于攝影測量的立體模型、地面測量成果或已有的地形圖。使用立體測圖儀測取數(shù)據(jù)點是比較普遍應(yīng)用的一種方法對數(shù)據(jù)點的記錄和存貯，可以有規(guī)律地進(jìn)行或任意選擇（如選用地貌特征點）。其中很重要的一種測取數(shù)據(jù)點的方法是在進(jìn)行正射像片斷面掃描曬像（見正射影像技術(shù)）的同時，取得數(shù)字地形模型所需要的數(shù)據(jù)。為了提高質(zhì)量,也可以在按斷面方式測得的地形點的基礎(chǔ)上,補(bǔ)充額外測得的地貌特征線，或代表地貌特征的一些獨立高程點。這樣做可以提高內(nèi)插求點的精度。另一種方式是在立體測圖儀上記錄用數(shù)字表示的等高線，然后通過計算取得數(shù)據(jù)點規(guī)則分布的數(shù)字地形模型。實測的數(shù)據(jù)點，即使已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)?shù)拿芏?，一般也還不足以表示復(fù)雜的地面形態(tài)。所以，在具備了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點以后，往往還需要通過內(nèi)插方法增補(bǔ)數(shù)字地形模型所需要的點