第3章 DEM数据获取方法

2.几何学观点：DEM表面通过不同的几何结构来 表示，这些结构按其自身的性质可分为规则和 不规则两种形式。 规则结构据其在空间表现可分为： • 一维结构：对应的采样方法为剖面法或等高线 法。 • 二维结构：通常为正方形或矩形、等边三角形、 六边形或其他规则几何图形。 不规则结构：不规则三角形或多边形。
步骤： 扫描图件准备：图件、接图表、控制点、坐标系等 图件预处理：检查图面是否平整、图廓点与符号清 晰，量测图廓边长，检查变形情况，检查接边，等 高线连接情况等。 定向纠正与编辑：将地图数据由数字化仪坐标（扫 描文件坐标）转化为地理/地图坐标。若图面变形大， 逐格网进行纠正。坐标变化方式由仿射变换、双线 性变换、二次多项式等方法。坐标误差要小于10米。
南方NTS-202 205全站仪 徕卡TPS700系列卓越中文全站仪
南方ET-02A 05A电子经纬仪
4.其他数据源 用气压测高法、航空测高法、重力测量 等方法，可得到地面系数分布的高程 数据。 依此建立的DEM主要用于大范围且高程 精度要求较低的研究。
5.既有DEM数据 我国到目前为止，已经建成了覆盖全国范围的 1:100万、1:25万、1:5万数字高程模型，以及 七大江河重点防洪区的1:1万DEM，省级1:1万 数字高程模型的建库工作也已全面展开。 对已存在的各种分辨率的DEM数据，应用时要考 虑自身的研究目的以及DEM分辨率、存储格式、 数据精度和可信度等因素。
2.数据的密度 数据密度是指采样数据密集程度，与研究区 域的地貌类型和地形复杂程度相关。用于刻 画地形形态所必需的最少的数据点。 表示方法：相邻两点之间的距离、单元面积内 的点数、截止频率、单位线段上的点数等。 采样距离：相邻两采样点之间的距离，也称采 样间隔。
采样距离为20米—表示规则格网分布的采 样数据 每平方米500点—描述随机分布的采样数据 单位线段上的点数，每米2点—描述数据分 布是沿等高线或特征线等线状分布采样点
5）等值线插值法
3.3.3DEM数据采集方法
1.地形图数据采集方法 地形图数字化是一种DEM数据获取的最基本 方法。 1）手扶跟踪数字化 步骤： 定参考点（固定地图） 定控制点 跟踪采集（点方式、流方式）
2）扫描数字化/矢量化 扫描过程：将地形图从模拟状态（纸质地图）通过 扫描转换成灰度（彩色）的数字数据（影像），即 以像素信息方式存储地图信息。 注意两个问题：分辨率、颜色 矢量化过程：将得到的栅格图像转化为矢量数据。 具体方法：手动、半自动、全自动式
应用影像数据作为DEM数据源时要注意以下 几个特点： 遥感影像的几何畸变； 遥感数据的增强处理，用于扩大不同地物影 像的灰度差； 遥感影像数据的空间分辨率； 遥感影像数据的解译和判读；
LIDAR(Light Detection and Ranging)
LIDAR
3.地面测量数据 GPS 、全站仪、经纬仪等与计算机在野外观测获取地面点 数据，处理变换后建成数字高程模型。一般用于大比例尺 的地形测图和地形建模。如公路铁路勘测设计、房屋建筑、 场地平整、矿山、水利等对高程精度要求较高的工程项目。 虽然地面测量方式的精度非常高，但其工作量大，周期长、 更新十分困难，费用较高，一般不适合大规模的数据采集。 可采用地面摄影测量在地面摄取立体像对，通过近景摄影 测量方法获得小区域的DEM。
选点采集
沿断面采集
３. 基于特征的采样观点（地形曲面的几何特征） 形态各异的地形表面通过具有特征意义的点和线划 分为一系列单一的地貌形态。点和线具有不同的 地形信息： 特征要素：地形特征点和特征线 • 特征点：山顶、洼地、鞍部、山脚点、山脊点、 山谷点等----不仅能表示出自己的高程信息，还能 给周围点更多的地形信息
地形结构特征（实线为山脊线，虚线为山谷线，三角形表示山顶， 小圆为鞍部，正方形为方向变化点和坡度变化点）
4 . 地形的复杂程度 地形曲面的复杂程度是地形数据采样时必须考虑的又 一个因素。地形比较破碎，采样点多；地形比较均匀 平坦，减少采样点。 地形复杂度可以通过粗糙度和不规则性来描述，可用 不同参数来表达（分数维、地形曲率、相似性、坡度 等），这些参数能够描述地形曲面的总体特征。 坡度是地形形态最为重要的因子
较高的综合程度，仅反映 编绘成图 地形的大致特征
小比例尺 1：100万
3.1DEM的数据来源
2.影像 航空摄影测量：地形图测绘和更新的最有效、最主要 的手段，高精度大范围DEM生产最有价值的数据源。 数字摄影测量方法 这是DEM数据采集最常用的 方法之一。利用附有的自动记录装置（接口）的立 体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测 量系统，进行人工、半自动或全自动的量测来获取 数据。 航天遥感：从相片上获取的高程数据精度低，只是获 取大范围小比例尺数据的有效方法（SPOT上的立体 扫描仪）。近年来出现的高分辨率图像（IKONOS）、 合成孔径雷达干涉测量技术、机载激光扫描仪等新型 传感器能获取高精度高分辨率的DEM。
3.3DEM数据采样策略与方法
3.3.1 采样数据的属性 采样：确定在何处需要量测点的过程，这个过程由三 个参数决定：点的分布、点的密度和点的精度。 1.采样数据的分布：由数据位置和结构来确定，指数 据点的分布形态。 位置由地理坐标系统中经纬度或格网坐标系统中坐 标决定。 结构（分布）的形式很多，因地形特征、设备、应 用的不同而不同。 结构（或分布）的类别之间没有明显的界线和标准， 实际采样时相互之间很多时候是重叠的。
5.选择性采样：根据地形特征进行选择性采样， 沿山脊线、山谷线、断裂线、离散特征点 （山顶点）等。 优点是只需以少量的点便能使其所代表的地面 具有足够的可信度。 6.混合采样：将选择性采样与规则格网采样相 结合或者是选择性采样与渐进采样相结合的 方法。
DEM 生成
1）人工网格法
在地形图上蒙上格网，逐 格读取中心点或交点的高程 值。
3.数据的精度 数据点精度指数据点本身所具有的精确度，是数据 获取过程中各种不同类型误差的综合反映。 采样数据精度与数据源、数据的采集方法和数据 采集的仪器密切相关。 野外测量、影像、地形图扫描的精度从高到低。 激光扫描、干涉雷达的精度是非常高的。 摄影测量比GPS的精度要高，达到厘米级。地形 图的手扶跟踪和扫描矢量化的精度都较低。
航摄底片
相机文件
控制点文件 相片定向参数 内定向 绝对定向 相对定向
扫描参数设置 影像扫描 影像数据 定向 建立立体模型 核线影像重采样 对象量测 地形信息编辑
影 像 扫 描 定 向 建 模 数 据 采 集
3）摄影测量数据采集重要注意的问题 断裂线：一些地形特征线、陡坎，人工或自然 建筑，如梯田、河流、冲沟、池塘等在地面 产生了转折或突变。 在采集过程中断裂线要给予不同的明确编码。 单断裂线：山脊线、山谷线、坡脚线等。 双断裂线：陡坎、陡坡，两条断裂线表示上、 下缘，成对出现。
• 特征线：山脊线、山谷线、断裂线（陡坎、海岸 线、水涯线等）－－将特征点相连形成。 • 坡度变换点：在地形剖面上反映了地形的坡度变 化趋势—陡缓坡的变化。 • 方向变化点：在平面上刻划着地形特征线的走势 变化—正负坡的变化。 非特征要素：分布在各个地形单元上的点和线， 为满足采样点密度要求而加测的点和线，用于辅 助地形重建。
3.2 DEM数据采样理论基础
DEM 实际地形表面的再现 可信程度
原始地形采样点的分布和密度
DEM数据采样要求：深入了解地形表面结构
特征和地形复杂程度，正确选择地形特征点 和线，合理分布采样点。
3.2.1基于不同观点的采样 1.统计学观点：DEM表面可以看作是点的特定集合 （采样空间）有随机采样和系统采样两种方法。 因此，对特定集合的研究可以转化为对采样数据 的研究。 随机采样：对各采样点以一定概率进行选择，各 点被选中的概率各不相同（若概率相同则为简单 随机采样）。 系统采样：也称规则采样，以预先设定的方式确 定采样点，各采样点被选取得概率为100%。
数字高程模型
第三章 DEM数据获取方法
3.1DEቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的数据来源
1.地形图：地形图是地貌形态的传统表述方法，是 各种尺度DEM建立的主要数据源。 应用地形图作为DEM数据源时要注意以下几个特点： 地形图的现势性； 地形图存储介质； 地形图精度：地形图精度决定着地形图对实际地 形表达的可信度，与地形图比例尺、等高线密度 （由等高距表示）、成图方法有关。
5 . 地貌单元类型
（1）对地貌类型的划分 地貌学：根据地貌成因分为：黄土地貌、风成地貌、喀斯 特地貌、丹霞地貌等 地理学：按高程：平原、丘陵、低山、高山、极高山等 测绘学：根据地表坡度和高差，并以此确定地形图等高距。 不同的地貌类型划分对DEM数据采集有一定的指导意义， 如黄土地貌破碎，要分布较多的采样点，而平原地区高 程数据的精度要求比较高（对坡向、流域网络影响比其 他地区要大）。
3.3 DEM数据采样策略与方法
3.3.2采样方法 1.沿等高线法：采样时将Z轴固定，即固定高程
值沿等高线采集高程点。平坦地区不宜使用。
2.规则格网采样：通过规定X和Y轴方向的间距 来形成平面格网，在立体模型上量测这些格网 点的高程值。 规则格网采样能确保所采集数据的平面坐标具 有规则的格网形式。
3.剖面法采样：数据采样时将X或Y轴之一固定， 沿一个方向即剖面方向上对高程进行采集。 速度较快，精度比规则格网的要低。 4.渐进采样：随着地形复杂程度的变化合理的分布 采样点，在小区域内网格间距逐渐改变，采样 也由粗到精地逐渐进行。 渐进采样能解决规则格网采样方法中的数据冗余， 但在地表突变区域内仍有较高的冗余度。
扫描与矢量化：黑色或彩色扫描，扫描参数根 据图件信息量、线划密度、质量等因素调节， 一般分辨率不小于300dpi。扫描后进行矢量化。 数据分层：主要用于DEM的层有地形信息层、 水系层、推测区域、辅助高程层、公里网层等。
2.摄影测量数据采集方法 1）摄影测量的基本原理：利用在不同地方获取 的具有一定重叠度的同一景物的两张影像，在 室内建立立体模型，对其进行三维量测。 2）摄影测量的信息获取方式 航空/航天摄影测量：飞行器上搭载摄影测量设 备（传感器），垂直摄影方式获得数据。 地面摄影测量：采用倾斜摄影或交向摄影方式 获取数据。
• （2）基于坡度和高差的地形分类对DEM数据采集
• 整个采样区域根据坡度值来决定采样点密度。 • 20世纪50年代苏联地图学家伏尔科夫提出等高线计长方法。
arc cot
h l P
• P测区面积；测区等高线长度，h等高距。区域内平均坡度， 前提：测区内的等高距相等。 • 当测区较大或等高距不等时，上述方法误差较大，采用统 计方法改进。
我国地形图比例尺系列特征
类型 比例尺 >1：5000 1：5000 1：1万 1：2.5万 1：5万 1：10万 中比例尺 等高距m <1 1 2.5 5 10 20 编绘成图 综合程度很低，较真实地 反映地形地貌 航测成图 综合特性 成图方式 实地测量
大比例尺
1：25万
1：50万
50
100
一定程度综合，近似反映 编绘成图 地形地貌
3.野外测量数据采集方法 对于小范围的DEM其主要服务于工程设计，对 精度要求较高，采用野外测量（地形图数字 化精度不一定够，航测成本高）。 仪器：全站仪测量、平板测量、GPS测量、车 载GPS测量等。 全站仪是由电子测角、电子测距、电子计算 和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统， 测量结果能自动显示，并能与外围设备交换 信息的多功能测量仪器。
2）三角网法
对有限个离散点，每三 个邻近点联结成三角形， 每个三角形代表一个局部 平面，再根据每个平面方 程，可计算各格网点高程， 生成DEM。
3）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
4）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。