数字高程期末作业

简述数字高程模型

一、数字高程模型定义

数字高程模型是将二维地理空间上具有连续变化特征地理现象通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟。

二、数字高程模型的研究内容

数字高程模型研究内容包括地形数据采样、地形建模与内插、数据组织与管理、地形分析与地学应用、DEM可视化、不确定性分析和表达。

2.1数据组织与管理

DEM是按一定结构组织在一起的地形数据，数据结构的好坏直接涉及DEM对地形的重建精度。对于大规模的地形数据，需要通过数据库进行管理，数据库管理技术和空间索引技术是高效的数据查询、数据浏览、无缝漫游等的技术保证。

2.1.1DEM数据模型

空间数据模型是空间数据组织和空间数据库设计的基础。数字高程模型主要刻画具有连续变化的空间对象，属于基于场的镶嵌数据模型。镶嵌数据模型按照网格形状可分为规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型。所谓规则镶嵌数据模型，就是用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。构造规则镶嵌模型的方法是：用数学手段将研究区域进行网格划分，把连续的地理空间离散为互不覆盖的网格，然后对网格单元附加相应的属性信息。不规则镶嵌数据模型是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界。在DEM中，基于三

角形的不规则镶嵌模型又称为不规则三角网，TIN是DEM的主要表达形式。TIN与规则格网DEM显著不同之处在于TIN模型不需要维护模型的结构规则性，不但能灵活地随地形的复杂程度而改变格网单元大小，避免平坦地形的数据冗余，而且又能按地形特征点线如山脊点、山谷线、等表示地形特征。

2.1.2 DEM数据结构

规则格网DEM数据结构为简单矩阵结构、行程编码结构、块状编码结构、四叉树数据结构。与网格DEM的规则数据阵列相比，不规则三角网DEM的数据结构要复杂得多。由于三角形的不规则型，三角形定义及其与相邻三角形的关系要显式地表达出来，这种结构需要两个文件：三角形顶点坐标文件和组成三角形三顶点文件。但是，上述这种结构简单但拓扑关系是隐含的，不利于TIN模型的检索与应用。因此围绕着拓扑关系的描述产生了多种TIN的数据结构：TIN的面结构、TIN的点结构、TIN的点面结构、TIN的边结构、TIN的边面结构。不同TIN结构的对比如表1。

表1 TIN结构的对比

2.1.3 DEM数据库管理

DEM数据库的内容包括：数据库设计、数据组织方法、元数据、数据库功能等。DEM数据库的实现方式：一是基于文件系统和空间索引的方式；二是基于关系型数据库的方式。DEM数据库组织指DEM数据的管理和调度方式：一般在水平方向上将同一尺度的DEM数据划分为一系列的块，在垂直方向上将不同尺度DEM分层组织（不同分辨率）。数据库管理系统是为访问数据库提供的软件系统，负责维护所有数据必须的特性。数据库管理系统的基本服务功能有：数据库管理、数据库维护、数据通信。元数据是关于数据的数据，是对有关数据体、数据集合等在内容、性能、特征、规律等方面的解释和说明。

2.2地形数据采样

DEM的数据来源有：影像、地形图、地面测量数据、其他数据源、既有DEM数据。

2.2.1DEM数据采样

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。地形数据采样的观点有：统计学观点、几何学观点、基于特征的采样观点、地形的复杂程度、

地貌单元类型，不同的方法考虑的角度不同。确定在何处需要量测点的过程由三个参数决定：点的分布、点的密度和点的精度。采样的方法有：沿等高线法、规则格网采样、剖面法采样、渐进采样、选择性采样、混合采样。沿等高线法主要用于山区采样，规则格网采样可直接形成规则矩形格网的DEM数据，剖面法采样速度较快、精度比规则格网的要低，渐进采样随着地形复杂程度的变化合理分布采样点，选择性采样根据地形特征进行选择性采样。

2.2.2DEM数据采集

地形图数字化是一种DEM数据获取的最基本方法，包括手扶跟踪数字化、扫描数字化/矢量化，还有摄影测量数据采集方法、野外测量数据采集方法、雷达测量数据采集方法采集数据。

图1数据采集方法比较

影响DEM 精度的因素很多，但是减少数据采集时的误差是保证DEM精度的根本。在测量过程中，由于测量仪器工作失常，或观测者疲劳、大意等因素造成的误差，如读取数据、记录数据发生的错误等，这种误差属于测量坏值，一旦发现，应及时剔除。滤波处理可以去掉原始数据中的随机误差，以提高数据质量和DEM地形表达精度。

2.3地形建模与内插

数字高程模型的实质：就是一个分片的曲面（平面）模型。DEM

是对地形表面的数字化表示，其建立过程实际上是一种数学建模过程，也就是说地形表面被一组相互组织在一起的地形采样点所表达，如果需要该数学表面上其它位置处的高程值，可应用一种内插方法来进行处理。高度逼真、多尺度地形建模技术和快速高效的内插算法是数字高程模型永恒的主题。DEM 是对地形曲面的一种逼近，保凸性、逼真性、光滑性评价DEM 质量。

2.3.1内插

DEM建立过程中，关键的环节是格网点上高程的内插计算。整体内插是整个区域用一个数学函数来表达地形曲面。

简单的曲面并不能很好的表达复杂的地貌形态地形曲面，将地形区域按一定的方法进行分块，对每一块根据地形曲面特征进行曲面拟合和高程内插，称为DEM局部分块内插。

逐点内插，是以内插点为中心，确定一个邻域范围，用落在邻域范围内的采样点计算内插点的高程值。逐点内插本质上是局部内插，但是与局部分块内插有所不同，局部内插中的分块范围一经确定，在整个内插过程中其大小、形态和位置是不变的，凡是落在该块中的内差点，都用该块的内插函数进行计算；而逐点内插法的邻域范围大小、

形状、位置乃至采样点个数随内插点的位置而变动，一套数据只用来进行一个内插点的计算。

2.3.2DEM建立过程

构建模型的一般内容和过程可以表示为：采用合适的空间模型构造空间结构；采用合适的属性域函数；在空间结构中进行采样、构造空间域函数、利用空间域函数进行分析。

规则格网DEM建立，首先对研究区域在二维平面上进行格网划分(格网大小取决于DEM应用目的)，形成覆盖整个区域的格网空间结构，然后利用分布在格网点周围的地形采样点内插计算各网点的高程值，最后按照一定的格式输出。线性内插、双线性内插、三次样条函数是适合于规则分布采样点的内插函数。

基于不规则分布采样点的DEM建立有直接法和间接法。基于规则格网分布采样点的DEM建立相对不规则分布的采样点而言，DEM建立不需要搜索内插点的邻域，而是通过其简单的几何关系就可建立。

基于等高线分布采样点的DEM建立有等高线离散化法、等高线内插法、等高线构建TIN法。

2.4 DEM可视化

DEM信息隐含，地形可读性较差。DEM地形可视化技术以DEM为基础实现对地形的直观表达。可视化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。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、信