数字高程模型第五讲：DEM可视化表达
测绘技术中的数字高程模型的可视化方法
测绘技术中的数字高程模型的可视化方法在测绘领域中，数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）被广泛应用于地形分析、地理信息系统和工程规划等方面。
随着计算机技术的发展和大数据时代的到来，如何准确、高效地进行数字高程模型的可视化成为了一个重要的课题。
数字高程模型是地球表面上各点的海拔高度数据在某个地理坐标系统下的数值表示。
简单来说，它可以将地形特征以数字的形式呈现出来。
数字高程模型的可视化是通过将这些数字数据转化为图像或模型的方式展示出来，使人们更直观地理解地球表面的形貌。
在数字高程模型的可视化过程中，有几种常用的方法。
首先，最简单的方式是使用等高线图。
等高线图将地形特征以等高线的形式呈现，可以通过线条的密集程度来表示地形的陡峭程度，从而提供给用户一个直观的感受。
然而，等高线图的缺点是信息密度相对较低，不适合展示大范围的地形。
为了更好地显示地形的细节，数字高程模型的可视化方法逐渐发展出了其他的方式。
其中之一是灰度着色。
通过将数字高程模型中每个像素的数值转化为灰度值，可以生成一幅灰度图像，从而将地形表面的高度信息直观地展示出来。
这种方法在地形分析和工程规划中被广泛应用。
然而，灰度着色方式只能提供一个维度的信息，无法反映地形的多样性。
为了克服灰度着色方式的局限，彩色着色成为了一种新的数字高程模型的可视化方法。
通过将不同高度区域用不同颜色进行填充，可以更直观地显示地形的多样性和细节。
彩色着色方式通常采用蓝色表示低海拔区域，红色表示高海拔区域，中间的过渡区域则使用绿色或其他颜色来表示。
这种可视化方法适合展示山脉、峡谷等地形特征。
近年来，随着虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术的发展，数字高程模型的可视化方式也得到了革命性的进步。
通过将数字高程模型与虚拟现实技术相结合，可以实现用户身临其境的体验。
用户可以通过佩戴VR头盔和手柄，自由地在虚拟地球表面中进行探索。
如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化
如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是通过对地球表面进行测量和数据处理而生成的三维地形模型。
它提供了地形地貌的详细描述，为地质学、地理学、城市规划等学科的研究和实践提供了重要且丰富的数据来源。
本文将介绍如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化。
一、数字高程模型的获取与处理数字高程模型可以通过多种方法获取，包括激光雷达测量、航空测绘、卫星遥感等技术手段。
获取到的原始DEM数据需要进行处理和加工，以便更好地应用于地形分析和可视化。
常见的DEM处理方法包括数据插值、滤波、剖面分析等。
1.数据插值数据插值是将不连续的离散高程数据拟合成连续的地形表面。
常用的插值方法有反距离加权插值（IDW）、克里金插值等。
插值结果将提供高程数据的连续性和平滑度，为地形分析提供了基础。
2.滤波滤波是用来去除DEM数据中的噪声和异常值，以提高地形数据的准确性和可靠性。
常用的滤波方法有中值滤波、高斯滤波等。
滤波后的DEM数据更加真实和可靠，减少了误差和不确定性。
3.剖面分析剖面分析是通过选择不同的地理剖面线，提取DEM数据的高程数值，以便更好地了解地形地貌的特征和变化趋势。
剖面分析可以帮助我们理解地质构造、水文河流等地理现象，提供更深入的地形信息。
二、地形分析与可视化方法使用数字高程模型进行地形分析和可视化的方法有很多，以下将介绍几种常见的方法。
1.坡度与坡向分析坡度与坡向分析可以帮助我们了解地表的倾斜程度和朝向。
通过计算每个像元（栅格单元）的坡度和坡向数值，可以构建坡度和坡向分布图，进而分析地形地貌的起伏和走向。
这对于地质勘探、土地利用规划等方面具有重要意义。
2.流域分析与水系提取流域分析是指根据数字高程模型的数据，确定地表上的集水区和河流网络。
通过提取DEM中的河流网络，可以了解地表水文过程的分布与特征。
流域分析对于洪水预警、水资源管理等方面具有重要意义。
ArcGIS之数字高程模型(DEM)分析
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4 等高（值）线创建与编辑
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控制等值质量：
所创建等值线的轮廓可能会呈方形或不均匀，看起来犹如沿着栅格像元的 边界。出现这种情况可能是因为各栅格的值为整数且恰好落在等值线上。 这并不是个问题，该等值线不过是原样呈现数据而已。 如果希望等值线更平滑，可行的方法包括对源数据进行平滑处理或调整起 始等值线。1000 1000.001 等值线注记：
2 高程内插（栅格插值）
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样条函数法和趋势面法插值分别使用多项式法和最小二乘法将最佳拟合表 面插值为采样点。样条函数插值法将通过用于最小化锐弯的点来拟合数学 表面；此方法适用于平滑变化的表面（例如，地下水位高度）。
从概念上讲，采样点拉伸到它们数量上的高度。样条函数折弯一个橡皮页， 该橡皮页在最小化表面总曲率的同时穿过这些输入点。在穿过采样点时， 它将一个数学函数与指定数量的最近输入点进行拟合。此方法最适合生成 平缓变化的表面，例如高程、地下水位高度或污染程度
介绍DEM数据的来源与下载，介绍网上常用两种格式的区别，以及分享几个DEM数据 的下载网站。最后通过实际操作演示如何在地理空间数据云上下载DEM数据及遥感影像。
介绍几种常用使用插值算法，反距离权重插值（IDW），自然领域法插值，样条函数插 值、克里金插值，介绍理论以及实际操作，并对各种模型的实际适用条件及用途做说明。 比较在特定案例中，通过较为简单的方式检验模型插值结果的精度。 TIN介绍，通过点、线、面的结合来创建TIN（一步建TIN），介绍创建TIN时的软硬隔 断线，介绍创建TIN时多边形的四个参数剪切、擦除、替换、值填充的应用及实现效果。 介绍等高线创建的几种不同方法，以及如何使用ArcGIS只能标注实现等高线注记，以及 怎么控制等高线质量，平滑等高线等。 介绍DEM、TIN、等高线之间两两转换，6个工具分别对应，一步到位，无须间接步骤。 介绍DEM可视化的维度，以及一维可视化中如何提取地形断面（剖面图）。 介绍DEM二维可视化中分层设色、明暗等高线、山体阴影晕渲地貌的制作，通过不同方 法来展示。综合应用：将DEM晕渲地貌与扫描图进行叠加成图。 介绍等高线三维展示、DEM三维展示、要素拉伸突出显示。以及多例地形景观图的制作。 通过介绍场景图片抓取以及时时记录飞行路径来生成场景漫游动画，导出视频
DEM可视化
DEM可视化
数字地⾯模型DEM可视化专业实训实习报告
实训实习内容：
DEM可视化
1. DEM地形渲染
1.1 DEM⾼程分层设⾊
右击“Properties”----选择“符号系统”---设置“⾊带”
1.2DEM地形晕渲
1.打开“dem-grid”;
2.打开⼯具箱----选择空间分析⼯具---表⾯---⼭体阴影。
1.3 DEM地形组合晕渲
右击“属性”---“显⽰Display”----“透明度Transparency”设置为50%-----确定
2. DEM 3D可视化
2.1 DEM地形明暗等⾼线可视化
(1)由DEM数据⽣成等⾼线
将“dem-grid”—等⾼线，间距20m;
(2) 由DEM数据⽣成坡向数据
将“dem-grid”---“Aspect”;
(3) 将“坡向数据”重分类
在重分类⼯具对话框中将坡向为0-45,225-360的栅格数据重分类为第⼀类，45-225的部分重分类为第⼆类
(4) 将“重分类图”转化成⽮量数据；
(5) 将“重分类后的坡向⽮量数据”与“等⾼线数据”进⾏“叠加中的相交处理Intersect”
(6) 将叠加后数据，右击“属性”利⽤“唯⼀值”显⽰⽅式显⽰。
2.2DEM 3D可视化
在ArcScene中打开数据，右击属性—基本⾼度—在⾃定义表⾯上浮动。
从⽽设置基本⾼度
3.可视性分析
可视分析包括视线分析和可视区域分析。
视线分析是分析观测点和⽬标点连线上哪些部分是可见的，哪些部分是不可见的。
可见部分通常⽤绿⾊表⽰，不可见部分通常⽤红⾊显⽰。
3. 1 ⼀维可视性分析
⾃我评价:。
数字高程模型试题集
《数字高程模型》第1讲概论一、名词解释1、数字高程模型（DEM）：通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟，或者说，地形表面的数字化表示。
Digital Elevation Model，缩写DEM.。
二、填空（选择、判断）1、地形表达的历史演进过程，经历了象形绘图法、写景法、等高线地形图、地貌晕渲图、航空摄影图像、遥感图像、数字地形表达等7个阶段。
2、DEM按结构分类包括：基于面元的DEM、基于线单元的DEM、基于点的DEM；按连续性分类，包括：不连续DEM、连续但不光滑DEM(逐点内插的格网DEM、TIN)、光滑DEM（样条函数内差的格网DEM）;按范围分类，局部DEM、区域DEM、全局DEM。
三、问答题1、DEM的特点。
（1）容易用多种形式显示地形信息。
地形数据经计算机处理后能产生不同比例尺的纵横断面图与立体图，而常规地图一旦制作形成，比例尺不容易改变，绘制其他的地形图需要人工处理；（2）精度不会损失，没有载体变形的问题；（3）容易实现自动化、实时化。
将修改信息直接输入计算机，软件处理后生成各种地形图。
（4）快速计算、获取DEM分辨率范围内的高程数据。
2、在ArcGIS中，如何通过纸质等高线地形图生成不同形式的DEM。
（1）纸质等高线地形图扫描；（2）在ArcMap中配准（选取投影和坐标系）；（3）等高线地形图矢量化并给每条等高线赋以属性值（高程）；（4）运用Arctoolbox—Convertiontools—features to raster工具将矢量线转化为栅格线（每个栅格的值为高程）；（5）在ArcScence中，运用convert—raster to feature将栅格线转化为矢量点数据文件；（6）在ArcScence中，运用3Danalyst—inpolate to raster—Idw进行差值；3）高分辨率遥感影像（1m分辨率IKONOS）、合成孔径雷达干涉测量、激光扫描仪等新型传感器数据，是高精度、高分辨率DEM最有希望的数据，但价格昂贵。
dem的表示方法
dem的表示方法
dem呢，在不同的领域可有不同的表示方法哦。
在地理信息系统（GIS）里，数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）那可是很重要的存在。
它通常可以用栅格数据来表示呢。
就像一个个小格子，每个格子里都有对应的高程值。
你可以想象成是一个超级大的棋盘，每个格子的高度都不一样，这样就把地形的高低起伏给表示出来啦。
还有一种呢，是用等高线来表示dem的相关信息。
等高线就像是地形的“轮廓线”，相同高度的点连接在一起就成了等高线。
等高线密集的地方呀，那就是地形比较陡峭的地方，就像山峰啦；等高线稀疏的地方呢，地形就比较平缓，像小山坡或者平原之类的。
另外呀，在一些软件里，dem还可以用三维模型来表示。
哇，那看起来可直观啦。
就像是把真实的地形缩小了放到电脑里一样。
你可以从各个角度去看这个地形，看看哪里有山谷，哪里有山脊。
这种表示方法在做地形分析或者给别人展示地形地貌的时候可有用啦。
在数据存储方面呢，dem的数据可以用各种格式来保存。
比如说ASCII码格式，这种格式比较简单，就是用一些数字和字符来表示高程值等信息。
还有一些专门的GIS软件格式，像ArcGIS的GRID格式之类的。
不同的格式有不同的优缺点，就看在什么情况下使用啦。
DEM建模及可视化表达
演示结束
—School Of Civil Engineering—
测绘121 吴旭祥
—School Of Civil Engineering—
测绘121 吴旭祥
ENVI中的灰度图
由ENVI提取的DEM本身就是含有 高程信息的栅格影像图，本身就具有良 好的可视化能力。
—School Of Civil Engineering—
测绘121 吴旭祥
ENVI中的三维可视化表达
首先，载入DEM并打开 在Topographic模块中有 3D Surface View，点击 它并选中相应的DEM文 件。 在接着的对话框中作如 下设置。点击OK。 其中Vertical Exaggeration为高程的 夸张倍数，数值越大， 高程相对越明显。
图像如图所示。
—School Of Civil Engineering— 测绘121 吴旭祥
ENVI中的三维可视化表达
首先载入并打开影像。 依次打开Topographic模 块中的3D Surface 当然，也可以在DEM 点击它并选中该影像。 上叠加影像，使其更加直观。 载入相应的DEM。 在接着的对话框中作如 下设置。点击OK。 生成！
DEM建模及可视化表达
—School Of Civil Engineering—
测绘121 吴旭祥
DEM建模概述
DEM建立过程就是一个模型建立过程。
从模型论角度来说，数字高程模型就是将源域 表现在另一个域（目标域或DEM）中的一种结构。 建模的目的是对复杂的客体的简化和抽象，并 把对客体的研究转移到模型上来。
—School Of Civil Engineering—
测绘121 吴旭祥
ENVI操作中遇到的问题
如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化
如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是一种以数字格式表示地表或地球表面高程的模型。
DEMs广泛应用于地形分析与可视化领域，为研究人员和决策者提供了有关地形特征和地表变化的重要信息。
本文将探讨如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化，以及相关的应用领域和工具。
一、数字高程模型简介数字高程模型是根据地形测量数据和遥感数据创建的数字化地表模型。
它以矩阵形式存储高程数据，每个单元格代表一个特定地点的高程值。
DEM的制作可以通过多种技术手段实现，如激光雷达测量、航空摄影测量和卫星测量等。
数字高程模型是地形分析与可视化的基础数据，可以用于生成三维地形模型、计算坡度和坡向、提取水流网络和流域边界等。
此外，DEM还可结合其他数据，如遥感影像和地质地球化学数据，实现更精确的地表分析和模拟。
二、地形分析地形分析是通过数字高程模型对地形特征进行定量描述和解释的过程。
它可以帮助人们了解地形的变化、揭示地质构造和地貌形成机制，并为环境保护、城市规划和资源管理等领域提供科学依据。
以下是常见的地形分析方法：1. 坡度和坡向坡度是指地表在水平方向上的倾斜程度，通过计算相邻格点之间的高程差得到。
坡度的大小可以反映地表的陡缓情况，对于土地利用、水文模拟等有重要影响。
坡向是指地表在水平方向上的朝向，可以用于制作景观图和风向分析。
2. 流域分析流域是在地貌上具有一定独立性的地理单元，它由一系列相互联系的水流组成。
通过分析数字高程模型，可以提取出流域的边界、水流路径和集水区的范围。
这对于水资源管理、洪水预测和水文模型的建立非常重要。
3. 剖面分析剖面分析是通过选择两个地点在数字高程模型上绘制高程剖面图，以了解地表的起伏和变化情况。
这对于道路设计、地震研究和地形变形监测具有重要意义。
三、地形可视化地形可视化是将数字高程模型中的高程数据转化为可视化效果的过程。
通过地形可视化，人们可以更直观地观察地形特征和地貌变化。
第五章 DEM的可视化表达
Beijing University of Civil Engineering and Architecture
5.3 地形二维可视化表达
明暗等高线法 明暗等高线法：又称为波乌林法，由波乌林于1895年提 出，基本理论为： 根据斜坡所对的光线方向确定等高线的明暗程度 （阴坡面和阳坡面）； 将受光部分的等高线饰为白色，背光部分的等高 线饰为黑色； 地图的底色为灰色。 这种等高线地图利用受光面和背光面的白黑明暗对比， 产生阶梯状的三维视觉效果
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5.3 地形二维可视化表达
等高线法 格网DEM和TIN提取等高线基本步骤： ① 内插等高点：线性内插－在所有格网边或三
角形边内插判断出所有的等值点（指定等高线的 高程）。
② 追踪等高线：也称为等值点追踪：是指按一
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5.3 地形二维可视化表达
明暗等高线法
明暗等高线的两个关键问题： ① 利用明暗等高线法表示地貌，坡向是决定明暗变化的唯一因素； ② 明暗等高线地图以灰色为底色,以黑、白二色为等高线的着色。
四、地形三维可视化表达
五、地形三维景观模型
六、 地形场景漫游与动画
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5.1概述
地形可视化概念 地形可视化主要研究基于DEM的地形显示、简化、仿真 等内容，是计算机图形学的一个分支，属于科学计算可视 化的范畴。
数字高程模型 第5章 DEM的可视化表达
明暗等高线法
明暗等高线法
分层设色法
分层设色法
地形晕渲法
综合方法
综合方法
4. 地形三维可视化表达
z DEM的三角形分割（TIN不需此步）； z 透视投影变换。即建立地面点（DEM结点）与三维图象 点之间的透视关系，由视点、视角、三维图形大小等参数 确定； z 光照模型。建立一种能逼真反映地形表面明暗、彩色变 化的数学模型，逐个计算每像素的灰度和颜色； z 消隐和裁剪。消去三维图形不可见部分，裁剪掉三维图 形范围之外的部分； z 图形绘制和存储。依据各种相应的算法绘制并显示各种 类型的三维地形图，若需要则按标准的图形图像文件存 储； z 地物叠加。在三维地形图上，叠加各种地物符号、注 记，并进行颜色、亮度、对比度等处理。
基于纹理映射算法的地形三维景观
基于遥感、航空影像的地形三维景观
（航空）正射影像+DEM
基于遥感、航空影像的地形三维景观
（遥感）正射影像+DEM
基于地物叠加的DEM可视化
道路及其附属物与DEM的叠加
基于地物叠加的DEM可视化
建筑物与DEM叠加
基于虚拟现实的地形三维可视化
6. 地形场景漫游与动画
LOD细节层次
本章结束！
立体等高线模型
平面等高线
立体等高线
三维线框透视模型
地形三维表面模型
5. 地形三维景观模型
z 纹理映射
z 用纹理映射技术将复杂物体的图像粘贴到简单几何体 的表面，置于场景中，在实时显示场景时，还可利用 3D图形的平移、旋转等实现复杂物体随观察方向的改 变而转动的效果。
DEM地形三维场景中的纹理资源
z 从专业摄影图片中获取。现在已有大量的关于风景名胜、地理人物等方面的 电子光盘出版发行，从中获取有关图片的素材，再经过编辑加工可生成各类 地貌的纹理图像； z 实地摄影获取纹理图像。可采用数码相机直接获取实地的地形照片，或采用 普通相机摄影，将像片扫描，经过处理编辑成相应的纹理图像； z 从航天、航空遥感图像中获取纹理。目前的遥感影像又分为可见光、多光 谱、伪彩色、真彩色等多种形式，最理想的影像是实地区域的真彩色航空摄 影像片； z 直接以该地区的地形图或其它专题图经扫描得到的数字图像（像素图）作为 纹理图像； z 将该地区的矢量数据与地貌纹理图像复合，生成纹理图像； z 通过分形产生纹理。
DEM数字高程模型
DEM+DOM+DLG
交通行业：数字公路
（交通部公路勘测设计院）
DEM的土石方计算
立体计算线路挖土、石方量
坡度的计算
Z11
Z10 Z11 Z 00 Z 01 2 2 tan X X Z 01 Z11 Z 00 Z10 2 2 tan Y Y
F ( X , Y ) F ( X 3 , Y3 ) 0
p3
p2
重复与交叉的检测：任意一边最多只能是两个三 角形的公共边。
立体像对法
资料来源于张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘
曲面拟合法
根据有限个离散点的高程，采用多项式或样条函数求得拟合公式， 再逐个计算各点的高程，得到拟合的DEM。可反映总的地势，但局部误 差较大。可分为： ●整体拟合：根据研究区域内所有采样点的观测值建立趋势面模型。特 点是不能反映内插区域内的局部特征。 ●局部拟合：利用邻近的数据点估计未知点的值，能反映局部特征。
数字高程模型
一、DEM概述 二、DEM建立
1、DEM的数据获取 2、DEM的建立方法
三、DEM应用
一、概述：DEM定义
DEM，(Digital Elevation Models)，是国家基 础空间数据的重要组成部分，它表示地表区域 上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上 高程的集合，数学表达为：z=f(x，y)。 DTM：当z为其它二维表面上连续变化的地理特 征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土 地利用、土壤类型等其他地面诸特征，此时的 DEM成为DTM(Digital Terrain Models)。
等高线插值法
三、DEM的应用
概述应用： 1、三维景观 2、数码城市和虚拟现实
数字高程模型DEM
数字高程模型DEM一DEM的基本概念（一）地形表达的方法地球表面高低起伏、呈现一种连续变化的曲面。
那如何描述地球的表面形态呢？⑴绘图。
人们一直在探索并希望用一种既方便又准确的方法来表达实际地表现象，最早的是绘画，它能粗略地反映所见到的地形景观，反映的是形态特征和色彩特征，但定量的描述有限；⑵地图。
地图也使古老而有效的表达地表现象的方式，它是记录和传达关于自然世界、社会和人文的位置与空间特性信息的工具，等高线地形图是用来描述地貌形态，地图有数学法则性、制图综合性、内容符号性，现代地图的最大优点是具有可量测性；⑶摄影，与各种线划图形相比，影像无疑具有更大的优点，细节丰富、成像快速、直观逼真，1849年开始出现了利用地面摄影相片进行地形图的编绘。
航空摄影由于周期短、覆盖面广、现势性强，利用多张具有一定重叠度的相片还能够重建世纪地形的立体模型，并可以进行精确的三维量测。
⑷摄像。
20世纪60年代初，遥感技术的兴起，遥感技术除了是用黑白摄像机，彩色或才红外摄影机、全景摄影机、红外扫描一、多光谱扫描仪、雷达、ccd推扫式行扫描仪和矩阵数字摄影机等，能提供更丰富的影像信息。
⑸三维图。
由于客观世界的丰富多彩，千姿百态，用二位空间的表达寓所表示的三维现实世界之间，有着不可逾越的鸿沟，因此学者们一直致力于地形图的立体表示，试图寻求到一种既能符合人们的视觉生理习惯，又能恢复真是地形世界的方法。
曾先后出现过写景法、地貌晕渲法、分层设色法等，但这些缺乏严密的数学理论以及复制复杂而使其应用受到很大局限。
⑹DEM与三维表达。
20世纪中叶，计算机、现代数学与计算机图形学的发展，各种数字的地形表达方式得到迅猛发展。
借助于数字地形表达，现实世界的三维特征能够得到充分而真实地再现。
（二）数字高程模型的概念模型是对现实世界的一种抽象，用来表现其他事物的一个对象或概念，是按照比例所缩减转变到我们能够理解的形式的事物本体，模型分概念模型、物质模型、数学模型：概念模型是基于个人的经验与只是在大脑中形成的关于状况或对象的模型；物质模型通常是一个模拟的模型，如三维立体模型；数学模型一般实际与数字系统的定量模型，根据问题的确定性和随机性数学模型又有函数模型和随机模型之分。
DEM复习重点
DEM复习重点1.数字高程模型是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟或者说是地形表面形态的数字化表示。
2.数字地面模型DTM是定义在二维区域上地形特征空间分布及关联信息的一个有限n维向量系列Xi，数字高程模型DEM是DTM的一个子集，它表示地形空间分布的一个有限三维向量。
3.DEM:狭义角度是区域地表面海波高度的数字化表达。
广义角度是地理空间中地理对象表面海波的数字化表达。
4.基于规则格网的DEM和基于TIN的DEM是目前数字高程模型的两种主要结构。
5.数字高程模型的主要研究内容：1）地形数据采样2）地形建模与内插3）数据组织与管理4）地形分析与地学应用5）DEM可视化6）不确定性分析与表达6.数字高程模型的分类体系：范围（局部DEM、地区、全局）。
连续性（不连续DEM、连续、光滑）。
结构）面（规则结构：正方形格网结构、正六边形格网结构、其他格网结构）、（不规则结构：不规则三角网、四边形）线（等高线结构、断面结构）点（散点结构）。
7.数字高程模型的特点：1)精度恒定性2）表达多样性3）更新时实行4）尺度综合性8.DGM:除高程外，地形表面形态还可通过坡度。
坡向、曲率等地貌因子进行描述。
所有地貌银子的数字模型的集合形成数字地面模型DGM9.DTM:各种地物要素的数字模型，连同DEM本身，形成测绘人员心目中新一代地形图，数字定型模型DTM10.DSM：一般的，将DEM/DGM/DTM以及上述信息所形成的数字模型称为数字表面模型11.DEM(--DGM(--DSM层层包含关系DEM是最基本的数据12.数字高程模型的应用范畴：1）地学分析应用2）非地形特征应用3）产业化和社会化服务13.DEM主要用在一下几个领域：1)区域、全区气候变化研究2）水资源、野生动植物分布3）地质水文模型建立4）地理信息系统5）地形地貌分析6）土地分类、土地利用、土地覆盖变化检测等第二章DEM数据组织与管理14：目前GIS中的空间数据模型从认知角度讲有三类，即基于对象的模型、基于网络的模型、基于场的模型：从表达上讲有矢量数据模型、栅格数据模型和组合数据模型。
数字高程模型第五讲：DEM可视化表达讲解
• 科学计算可视化的核心是将三维数据转换为图像， 实现三维数据场的可视化，它涉及到标量、矢量 的可视化、流场的可视化、数值模拟及计算的交 互控制、海量数据的存储、处理及传输、图形及 图像处理的向量及并行算法等。 • 科学计算可视化的应用：医学医疗、地震勘探、 气象预报、分子结构、流体力学、有限元分析、 天体物理、海洋观察、地理信息、洪水预报、环 境保护等社会经济与自然的各个方面，并发挥着 重要的作用。
地形可视化 地形可视化主要研究基于DEM的地形显 示、简化、仿真等内容，是计算机图形学 的一个分支，属于科学计算可视化的范畴。
传统地形表达方式：等高线地形图、剖面线、 沙盘等---直观性差、制作费时 近代地形表达：以三维地形模拟和表达为基 本特征，伴随着计算机技术的发展而发展 --经历了三维地形图、实体图（模拟灰度 图）三维地形图、高度真实感三维地形图 三个阶段。
DEM 灰 度 表 达 高 程
4 地形晕渲法 又称为地貌晕渲法或阴影法，通过模拟太阳光 对地面照射所产生的明暗程度，并用灰度色 调或彩色输出，得到随光度仅以连续变化的 色调，达到地形的明暗对比，使地貌的分布、 起伏和形态显示具有一定的立体感，直观地 表达地面起伏变化。
利用DEM实现地貌晕渲的基本原理： 确定光源方向 计算DEM单元的坡度、坡向 将坡向与光源方向比较，面向光源的斜坡 得到浅色调灰度值，背光的斜坡得到深灰 度值，二者之间的灰度之进一步按坡度确 定。
5 从纹理角度，地形可视化分为 基于分形、基于遥感影像和基于纹理影像地 形可视化三类。三种方法的实现过程相似， 由于纹理来源不同，其纹理匹配和几何变 换过程不同。
5.2 地形一维可视化表达
基本形式：地形剖面（地形断面） 剖面线制作过程：
DEM_复习整理概要
DEM 复习整理1、DEM概念(1)狭义概念：DEM是区域地表面海拔高程的数字化表达。
(2)广义概念：DEM是地理空间中地理对象表面海拔高度的数字化表达。
(3)数学意义：DEM是定义在二维空间上的连续函数H=f(x,y)2、数字高程模型的特点精度恒定性表达多样性更新实时性尺度综合性3、规则格网DEM和TIN的对比4、DEM数据模型从认知角度基于对象的模型、基于网络的模型、基于场的模型从表达角度矢量数据模型镶嵌数据模型组合数据模型5、DEM数据结构（1）、规则格网DEM数据结构a、简单矩阵结构b、行程编码结构c、块状编码结构d、四叉树数据结构（2）、不规则三角网DEM数据结构TIN数据结构：面结构、点结构、点面结构、边结构、边面结构、简单结构（3）、格网与不规则三角网结构混合结构6、DEM数据源特征地形图、航空、遥感影像、野外测量、既有DEM数据 可获得性（x，y，z）、DEM应用目的（分辨率、精度）、数据采集效率、数据量大小、技术熟练程度（1）数据源：地形图覆盖面广，可获取性强，是丰富、廉价的建立DEM的主要数据源。
特点：现势性（经济发达地区往往不满足现势性要求）、存储介质、精度：比例尺、等高线密度、成图方式有关（2）数据源：航空、遥感影像a、现势性好：获取速度快、更新速度快、更新面积大（大范围DEM数据的最有价值来源）b、缺点：受外界影响因素较大，对于精度要求高的DEM难以满足要求，高精度影像获取方法费用昂贵c、相对精度和绝对精度低的遥感影像：Landsat—MSS、TM传感器、SPOTd、高分辨率遥感图像：1米分辨率的IKONOS 0.61米QUICKBIRD（3）数据源：地面测量缺点：工作量大，周期长、更新十分困难，费用较高用途：公路铁路勘测设计、房屋建筑、矿山、水利等对工程精度要求较高的工程项目（4）数据源：既有DEM数据覆盖全国范围的1:100万、1:25万、1:5万数字高程模型7、数据采样方法对比（1）、地形图数据采集方法优点：a地形图易获取、作业设备简单、对操作人员技术要求较低，因而地形图是DEM获取最基本的方法。
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注记等高线：一般在计曲线上进行，在该条等 值线上寻找一个比较平缓的地区作为注记位置。 光滑等高线并输出：常用的光滑函数有张力样 条、分段三次多项式、斜轴抛物线、分段圆弧 等，具体选择那种光滑方法要根据制图要求、 等值点疏密程度和计算机的存储能力来确定。
• 一个重要的要求是在等值线密集的情况下， 必须保证等值线互不交叉和重叠。
数字高程模型
第五章 DEM可视化表达
5.1 DEM可视化表达概述
DEM实现了地形表面的数字化表达，但信息 隐含，地形可读性差---需要一种技术以增强 DEM的地形表达效果，即DEM地形可视化 技术---以DEM为基础实现对地形的直观表 达。
5.1.1 地形可视化概念
可视化 可视化（Visualization）是指运用计算机 图形图像处理技术，将复杂的科学现象、 自然景观以及十分抽象的概念图像化，以 便理解现象，观察其模拟和计算的过程和 结果，发现规律和传播知识。 可视化是信息的直观表达，其目的是为 了使人们更容易理解数据和信息的意义。
根据可视化技术的特点及其对象可视化可分 为： 科学计算可视化（visualization in science computing） 与信息可视化（visualization in imformation）
科学计算可视化： • 是指运用计算机图形学和计算机图像处理 技术将科学计算过程中的数据及其计算结 果的数据转换为图像，在屏幕上显示出来 并进行处理。 • 它涉及到三维数据场的可视化、计算过程 的交互控制与引导、图像生成与图像处理 的并行算法、面向图形的程序设计环境、 图像传输的宽带网络和协议以及虚拟现实 技术等。
ArcInfo进一步考虑了太阳光的高度角，计算每个DEM 格网单元的相对辐射值或入射值，进而转换成照明值 或灰度值： 相对辐射模型：IR=Gmax*(cos(Af-As)sinHfcosHs+cosHfsinHs) 入射辐射模型：IR=Gmax*(cosHf+cos(Af-As)sinHfcosHs) 其中Gmax是最大灰度级（255）；Af:三角形或格网单元 的坡向（0-360度）；As太阳方位角，即光源来向 （0-360度）；Hf三角形或格网单元的坡度（0-90 度）；Hs太阳高度角，即太阳光与地面的夹角（0-90 度）。IR的取值范围是0-255，0最黑，255最亮。
5 从纹理角度，地形可视化分为 基于分形、基于遥感影像和基于纹理影像地 形可视化三类。三种方法的实现过程相似， 由于纹理来源不同，其纹理匹配和几何变 换过程不同。
5.2 地形一维可视化表达
基本形式：地形剖面（地形断面） 剖面线制作过程：
在等高线图（格网DEM或TIN）上画一条线，指 定一个端点为起点－剖面线 标记等高线与剖面线的交叉点，记录其高程 以高程为纵轴，交叉点沿剖面线到起点的距离为 横轴，作剖面图。 一般情况下，距离变化比高程变化大得多，为反映 地形起伏，常常要放大高程比例。 将相邻一定间距的地形剖面相互连接，还可生成地 形表面的立体模型。
Байду номын сангаас
3 分层设色法 1）基于高程的分带设色：根据等高线划 分出地形的高程带，逐层设置不同的颜 色，用以表示地势起伏的一种方法。 高程带的选择主要根据用途及制图区域的 地势起伏特征。
设色基本要求是： 各色层颜色既要有区别又要渐变过渡，以保证地 势起伏的连续性； 应用色彩的立体效应建立色层表，使设色具有立 体感； 具体选色应适当考虑地理景观色及人们的习惯， 如蓝色表示海底地势、绿色表示平原、白色表示 雪山、冰川等。 分层设色法常与等高线、晕渲等配和使用。
DEM 灰 度 表 达 高 程
4 地形晕渲法 又称为地貌晕渲法或阴影法，通过模拟太阳光 对地面照射所产生的明暗程度，并用灰度色 调或彩色输出，得到随光度仅以连续变化的 色调，达到地形的明暗对比，使地貌的分布、 起伏和形态显示具有一定的立体感，直观地 表达地面起伏变化。
利用DEM实现地貌晕渲的基本原理： 确定光源方向 计算DEM单元的坡度、坡向 将坡向与光源方向比较，面向光源的斜坡 得到浅色调灰度值，背光的斜坡得到深灰 度值，二者之间的灰度之进一步按坡度确 定。
应用GIS软件实现明暗等高线地图的技术路线：
生成研究区域的DEM； 从DEM中按给定的等高距提取等高线，将生成的矢 量等高线栅格化； 从DEM上提取坡向，获得研究区的坡向图；根据入 射光方向将坡向图划分为背光面和受光面两个部分；， 例如，假定光源位于地面西北方向，则可将坡向为0° ~ 45° 、225° ~ 360° 的部分划为受光面，坡向为45° ~ 225° 的部分划分为背光面； 将栅格化等高线图与划分背光受光的二值坡向图进行 融合，实现栅格化等高线二值分布，得到明暗等高线 地图。
三维地形可视化的基础 高质量的DEM：影响可视化的精度 高逼真度三维显示技术：影响地形可视 化效果和速度，如：即投影变换、消隐 与裁剪处理、光照模拟、图形描绘、纹 理映射等相关技术 为增强地形可视化的信息量和实用性， 一般还要在可视化地形上叠加各类地面 上的信息要素如道路、河流、植被、建 筑物等，以反映实际的地表情况。
明暗等高线的两个关键问题： （1）利用明暗等高线法表示地貌，坡向是决定明暗变化的 唯一因素。由于坡向的变化，使地面产生亮暗的反差，进 而形成了立体感。明暗等高线地图中根据坡向仅划分阳坡 面与阴坡面，不受侧面的影响。 同时，明暗等高线法表示地貌时用色不涉及坡度变化的影响。 但在实际绘图中，由于地表坡度陡缓的变化，使得相同面 积区域内等高线密集程度发生变化，从而形成了在阳坡面 地面越陡白色等高线越集中，在阴坡面地面越陡黑色等高 线越集中的表现结果。由此造成阳坡面上随坡度变陡而渐 趋明亮，阴坡面上随坡度变陡而渐趋阴暗的视觉效果，使 得整体效果增强。
• 信息可视化是一种帮助人们表现数据或挖 掘数据隐含信息的手段，目的是辅助人们 得出某种结论性的观点。 • 科学计算可视化是指空间数据场的可视化， 而信息可视化则是指非空间数据的可视化。
信息可视化的研究内容： • 包括层次信息结构可视化、多维数据结构 可视化、时空数据结构可视化、网络运行 状态可视化、分布环境算法可视化、网络 浏览历史可视化等。 • 其应用领域现已延伸至超级计算机性能评 价、网络运行状态监控、海量数据存储结 构监控、地理、人口、矿产和市场等方面。
• 科学计算可视化的核心是将三维数据转换为图像， 实现三维数据场的可视化，它涉及到标量、矢量 的可视化、流场的可视化、数值模拟及计算的交 互控制、海量数据的存储、处理及传输、图形及 图像处理的向量及并行算法等。 • 科学计算可视化的应用：医学医疗、地震勘探、 气象预报、分子结构、流体力学、有限元分析、 天体物理、海洋观察、地理信息、洪水预报、环 境保护等社会经济与自然的各个方面，并发挥着 重要的作用。
地形可视化方法
2 地形可视化从数据源角度可分为: 基于等高线DEM、格网DEM和不规则三角网 DEM。不同类型可分别实现上述的一维、 二维、三维可视化内容，但各自的应用范 围和实现方式不同。 TIN能较好地反映地形结构线等地形基本特征， 但数据结构复杂，适用于小区域地形可视 化和地形特征计算。 格网DEM数据结构简单、易于与遥感影像集 成，适用于大区域宏观地形特征。
从DEM和TIN上提取等高线的步骤及其原理相似， 并且与常规地形测绘中勾绘等高线原理一致： 内插等高点：线性内插－在所有格网边或三角形 边内插判断出所有的等值点（指定等高线的高 程）。 追踪等高线，也称为等值点追踪：是指按一定的 法则将同一条等高线上的离散的等高线点连接起 来 内插出来的点是无序的，追踪的目的是把同一条 等高线上相邻的点连接起来，形成一条完整的等 高线。
2）基于高程数据的灰度影像（半色调符号表示法） 当地形以DEM表达时，可以对不同的高程数据赋予 不同的灰度，从而通过不同的色调差异实现二维 平面上的三维地形表达。 该方法的关键是将高程数据转换为灰度域（0-255） 中的灰度值（线性内插或非线性内插—取决于地 形变化情况）。 该方法实现简单，但显示层次固定（最大256个）， 如果研究区域的高差范围较大，显示的细节层次 就越少。
3 从技术角度，地形可视化有静态可视化和 交互式动态可视化两种。 静态可视化将整个地形区域范围以二维或三 维图形图像形式显示成一幅图像。 动态可视化利用计算机动画技术，实现交互 式地形浏览。
4 从地形模拟角度，分为真实地形和模拟地 形两类： 真实地形是现实世界中真实地形的再现，具 有非常高的真实度，一般是基于DEM实现 的，特点是精度高，结构复杂，图形生成 速度慢。 模拟地形是当对地形的逼真度要求不高，只 要满足感官上的要求，速度快，但不能和 客观地形相对应。
5.1.2 地形（DEM）可视化 表达的基本类型
1 地形可视化从维数上来讲，可分为三类：
● 一维可视化一般是指地形断面（纵断面， 横断面），即通过图示的方式反映地形在给定方 向上的起伏状况； ● 二维可视化将三维地形表面投影到二维平 面，并用约定的符号进行表达，根据所采用的方 式，二维可视化又有写景法、等高线法、分层设 色法、明暗等高线、半色调符号表达等等； ● 三维可视化试图通过计算机模拟的手段来 恢复真实地形，包括线框透视、地貌晕渲、地形 逼真显示、多分辨率地形模型等等。
计算机图形学发展初期：只能绘制以线划 符号表示的三维地形图，一般采用透视 变换原理，按剖面方向消隐，地形表面 没有经过光照模拟处理，虽然其地形起 伏的立体感较强，但内容单调、信息贫 乏、真实感差。
20世纪60年代末以来：引用光照模型，绘制 具有表面明暗灰度连续变化的地形实体模 型图，其立体效果比三维线划图好并具有 一定的真实感，但其信息量和实用性不够。 20世纪90年代：随着计算机图形显示性能的 提高，高度真实感图形生成算法不断出现 和完善，地形可视化显示进入高度真实感 立体图绘制时期。
（2）明暗等高线地图以灰色为底色,以黑、白二色为等高线 的着色。黑、白、灰三种色仅有明度特征，因而明暗等高 线地图基本是同种色之间的明度对比。 黑、白二色属无彩色系，均为不含饱和度特性的色，因此明 暗等高线地图以高明度色彩为主，明度差较大的对比。给 人的视觉感受是光感强、体积感强，形象清晰、明朗、锐 利。 因此实际应用中等高线设色明度差不宜过大，以免造成生硬、 空洞、简单化之感。灰色作为起衬托作用的底色，宜选择 较为浅淡的颜色，一方面不会给读者造成刺目的感觉，另 一方面对图上其他要素的干扰较小。