第五章 数字高程模型
数字高程模型
数字高程模型数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是一种用于表示地球表面高程信息的数字模型。
它通常是基于地理空间数据采集和处理技术得到的数字地形模型，反映了地表不同位置的高程值。
数字高程模型在地理信息系统、地貌分析、水文模拟等领域具有广泛的应用价值。
数字高程模型的原理和构建方法数字高程模型是通过采集地表高程信息，构建数学模型，并进行数字化表达得到的。
构建数字高程模型的最基本方法是通过激光雷达、全球定位系统（GPS）等技术采集地面高程点，并据此构建高程表面模型。
另一种常用的方法是通过航空或卫星影像获取地表高程信息，并结合插值算法生成数字高程模型。
数字高程模型生成的过程中，需要考虑地球椭球体形状、椭球体参数、大地水准面等因素，并进行数学变换和处理以得到准确的高程数据。
常用的数字高程模型包括数字地面模型（DSM）、数字地形模型（DTM）等，它们之间的区别在于对地物表面和地表以下构造的不同描述。
数字高程模型在地理信息系统中的应用数字高程模型在地理信息系统中有广泛的应用，主要包括地形分析、三维可视化、洪水模拟、景观规划等方面。
在地形分析中，数字高程模型可以用于提取地形特征，计算坡度、坡向、流域分割线等地形参数，进而实现地貌分类、地形图绘制等功能。
三维可视化是数字高程模型应用的一个重要领域，通过将数字高程模型与空间数据结合，可以实现虚拟地形的构建和沉浸式视角的展示。
在洪水模拟和预测方面，数字高程模型可以用于模拟雨水径流路径、洪水淹没范围等，为防洪减灾提供重要的数据支持。
数字高程模型的发展趋势随着遥感技术、地理信息系统技术以及计算机处理能力的不断提升，数字高程模型的精度和分辨率也在不断提高。
未来，数字高程模型将更加精细化、高分辨率化，应用领域也将更加广泛，涉及城市规划、资源管理、环境保护等方面。
另外，数字高程模型的数据融合、多源信息整合、模型开放共享等方向也是未来发展的重点。
数字高程模型
1、数字高程模型：它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型（简称DTM)的一个分支，是表示区域D上的三维向量有限序列。
2、DTM：数字地形模型是利用一个任意坐标系中大量选择的已知x、y、z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，DTM就是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。
3、TIN：不规则三角网，通过从不规则分布的数据点生成的连续三角面来逼近地形表面。
4、测绘4D产品（即DLG数字线划图、DRG数字栅格影像、DEM、DOM数字正射影像）：DLG：现有地形图上基础地理要素分层存储的矢量数据集。
数字线划图既包括空间信息也包括属性信息。
DRG：数字栅格地图是纸制地形图的栅格形式的数字化产品。
DEM：数字高程模型是以高程表达地面起伏形态的数字集合。
DOM：数字正射影像利用航空相片、遥感影像，经象元纠正，按图幅范围裁切生成的影像。
5、连续不光滑DEM：指每个数据点代表的只是连续表面上的一个采样值，而表面的一阶导数或更高阶导数不连续的情况。
6、数字地貌模型：是地貌形体及其空间组合的数字形式，是一维、二维、三维、四维空间地貌的可视描述和模拟。
7、DEM误差：DEM高程值与真实值的差异9、插值：根据不同数据集的不同方式，DEM建模可以使用一个或多个数学函数对地表进行表示。
根据若干相邻参考点的高程求出待定点上的高程值。
（内插）14、不规则镶嵌数据模型：用相互关联的不规则形状与边界的小面块集合来逼近不规则分布的地形表面15、行程编码结构：对于一幅栅格图像，常常有行或列方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容，即只在各行或列数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数，从而实现压缩16、细节层次模型：对同一个区域或区域中的局部使用具有不同细节的描述方法得到的一组模型。
数字高程模型重点
数字高程模型1.DTM：以数字形式储存的地球表面上所有信息的总和，是描述地面特征和空间分布的数值的集合，是地形表面型态等多种信息的一种数字表示2.DEM：对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－－模型化表达和过程模拟。
特点：（1）精度的恒定性（2）表达的多样性（3）更新的是实时性（4）尺度的综合性3.DEM和DTM的关系：DEM是DTM的子集，是DTM最基本的部分；DTM中地形属性为高程是即为DEM4.一般要素：随机点、随机线特征要素（含特征信息的要素）：特征点(山顶,鞍部,谷底)、特征线5. 地形图：现势性差、但物美价廉摄影测量和遥感影像数据：现势性好，大范围数据精度高、相对成本低地面测量：精度高、成本高工作量大、周期长既有DEM数据6.决定DEM数据精度的条件：原始地形采样点的分布和密度。
7.DEM的数据结构:正方形网结构（Gird）,不规则三角网结构（TIN）,混合结构（Gird和TIN 混合结构）8.DEM的三种表示模型:规则格网模型(GRID),等高线模型(Contour),不规则三角网模型(TIN)9.表面建模：根据采用的数据模型，使用一个或多个数学函数对地形表面进行表达和处理。
即DEM表面生成或重建。
表面建模的方法：基于点的建模,基于三角形的建模,基于格网的建模,混合方法（以上任意两种混合）10.数字表面建模的方法1.基于点的表面建模2.基于三角形的表面建模3.基于格网的表面建模4.混合表面建模11.TIN模型的优点：（1）能以不同层次的分辨率来表述地形表面。
（2）在某一特定分辨率下能用较少的空间和时间更精确地表示更复杂的表面。
（3）能更好地顾及这些特征如断裂线、构造线等，更精确合理地表达地形表面。
（4）精度高、速度快、效率高和容易处理断裂线和地物等12.在所有可能的三角网中, 狄洛尼（Delaunay）三角网最适合用于拟合地形方面，常常被用于TIN的生成。
数字高程模型5
4、样条函数内插法
该方法是将某一欲插值的区域分成若干块，对 每一分块定义出一个不同的多项式曲面； 为了保证各分块曲面之间的光滑性，必须保证 所确定的ｎ次多项式曲面与相邻分块的边界上 所有(n-1)次的导数都连续；这时的ｎ次多项式 就称为样条函数； 这种方法属于曲面拟合范畴，对于规则网格数 据，由该法可对每个点的高程重新插值；
第五讲 数字高程模型内插
空间插值常用于将离散点的测量数据加密和扩 展，以便与其他空间现象的分布模式进行比较， 它包括： 空间内插算法：通过已知点的数据推求同一区 域其他未知点数据的计算方法；
空间外推算法：通过已知区域的数据，推求其 他区域数据的方法。
空间插值
在以下几种情况下必须作空间插值：
1）现有的离散点的分辨率，像元大小或方向与所要求的 不符，需要重新插值。例如将一个扫描影像（航空像 片、遥感影像）从一种分辨率或方向转换到另一种分 辨率或方向的影像。 2）现有的连续曲面的数据模型与所需的数据模型不符， 需要重新插值。如将一个连续的曲面从一种空间切分 方式变为另一种空间切分方式，从TIN到栅格、栅格 到TIN或矢量多边形到栅格。 3）现有的数据不能完全覆盖所要求的区域范围，需要插 值。如将离散的采样点数据内插为连续的数据表面。
移动曲面拟合法 加权平均法 Voronoi图法 顾及地貌特征的逐点内插
1、移动曲面拟合法
对每个待插点，选其邻近的n个数据点拟合一个 多项式曲面，如：
移动曲面拟合法的关键是解决两方面的问题：
如何确定待插点的最小邻域范围以保证有足够的参考 点？ 如何确定各参考点的权重
1、移动曲面拟合法
采用的具体方法视具体情况 而定，但一般采用如下解决 方案：
数字高程模型
对地面地形的数字化模拟
01 简介
03 形式
目录
02 建立方法 04 数据来源
05 分辨率
07 产品案例
目录
06 用途
数字高程模型（Digital Elevation Model)，简称DEM，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字 化模拟（即地形表面形态的数字化表达），它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是 数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。
(2)不规则三角。不规则三角是用不规则的三角表示的DEM，通常称DEM或TIN(Triangulated Irregular Network)，由于构成TIN的每个点都是原始数据，避免了内插精度损失，所以TIN能较好地估计地貌的特征点、线， 表示复杂地形比矩形格精确。但是TIN的数据量较大，除存储其三维坐标外还要设点连线的拓扑关系，一般应用 于较大范围航摄测量方式获取数值 。
一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线 性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在 DEM的基础上派生。
简介
DTM的另外两个分支是各种非地貌特性的以矩阵形式表示的数字模型，包括自然地理要素以及与地面有关的 社会经济及人文要素，如土壤类型、土地利用类型、岩层深度、地价、商业优势区等等。实际上DTM是栅格数据 模型的一种。它与图像的栅格表示形式的区别主要是：图像是用一个点代表整个像元的属性，而在DTM中，格的 点只表示点的属性，点与点之间的属性可以通过内插计算获得 。
用途
由于DEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国 民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。如在工程建设上，可用于如土方量计算、通视分析 等；在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析如汇水区分析、水系络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基 础;在无线通讯上，可用于蜂窝的基站分析等等。
数字高程模型(dem)的概念
数字高程模型(dem)的概念嘿，朋友！您知道啥是数字高程模型（DEM）不？这玩意儿啊，就像是给大地做的一张立体“身份证”！咱先来说说，这数字高程模型就像是大地的“身材档案”。
您想想看，咱们平常看到的地图，大多就是平面的，告诉您哪儿是哪儿。
可这数字高程模型不一样，它能把地面的高低起伏都给记录下来，就像您能清楚地知道一个人的身高、胖瘦、曲线一样，DEM 能让您对大地的起伏了如指掌。
它是怎么做到的呢？其实啊，就好比是无数个小精灵拿着尺子在大地上到处测量，把每一个点的高度都精确地记下来，然后再把这些点连接起来，形成一个超级详细的立体模型。
这模型有啥用呢？用处可大了去啦！比如说，搞城市规划的人，要是没有 DEM，怎么能知道哪里适合盖高楼，哪里得小心会有滑坡风险呢？再比如搞水利工程的，不知道地形的高低，怎么能规划好水的流向，保证大坝的安全呢？您说，要是建筑师在设计的时候，不参考 DEM，那不就像是闭着眼睛走路，一不小心就会摔个大跟头吗？还有那些研究自然灾害的专家们，有了 DEM，就能更好地预测洪水、泥石流的走向，提前做好防范，保护咱们的家园。
这 DEM 就像是大地的“秘密地图”，只有掌握了它，我们才能更好地了解大地的脾气，和它和谐相处。
您说是不是这个理儿？在农业方面，它也是个大功臣呢！农民伯伯可以根据 DEM 来判断哪里的土地更适合种什么庄稼，哪里容易积水，提前做好排水措施，这不就像是给庄稼找了个最舒服的“家”嘛！而且，在交通规划中，DEM 也发挥着重要作用。
修路的时候，得知道哪里要爬坡，哪里要架桥，要是没有它，那路修得歪歪扭扭，咱们坐车不就像坐过山车一样，颠得七荤八素啦？总之，数字高程模型（DEM）就是我们了解大地、利用大地的好帮手，它就像一把神奇的钥匙，打开了大地的秘密之门，让我们能够更加聪明、更加安全地在这片土地上生活和发展。
您说，这么重要的东西，咱们能不好好研究和利用吗？。
测绘技术中的数字高程模型分析方法
测绘技术中的数字高程模型分析方法数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是测绘技术中一种重要的数据模型，用于描述地球表面的地形高程信息。
它通过将地面的海拔高程转化为数字化数据，为地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）和地图制作提供了基础数据。
本文将介绍数字高程模型的基本概念、获取方法以及其在测绘中的分析应用。
一、数字高程模型的基本概念数字高程模型是一种数值化地理模型，它以离散的高程数值来表示地表的形态特征。
在数字高程模型中，地表被分割成一系列的矩形网格或三角形网格，每个网格点上都有一个高程数值。
这些高程数值可以通过实地测量、遥感图像解译、光学测距等手段获取。
数字高程模型主要包括DEM（数字高程模型）和DTM（数字地形模型）。
DEM是最基本的数字高程模型，它以等高线、点测高、曲面拟合等方法确定地表点的高程值。
DTM是DEM的一种扩展，它不仅包括地表点的高程值，还包括障碍物（如建筑物、树木等）的高程值，能够更准确地描述地表的形态特征。
二、数字高程模型的获取方法1. 实地测量法：传统的数字高程模型获取方法是通过实地进行测高。
这种方法需要在地表上设置测量器材，通过精确的测量仪器获取地表各个点的高程值。
实地测量法的优点是测量结果准确可靠，但是需要耗费大量的人力和物力。
2. 遥感测量法：遥感测量是通过遥感卫星、航空摄影等手段获取地表高程信息的方法。
遥感测量法通过拍摄地表图像，并利用图像解析技术计算地表高程。
这种方法具有成本低、效率高的特点，可以获取大范围区域的高程数据。
三、数字高程模型的分析应用数字高程模型在测绘中的应用非常广泛，可以用于地形分析、地理信息系统分析、工程规划等领域。
1. 地形分析：数字高程模型可以用于地表形态的分析，如地貌分类、地形剖面分析等。
通过对数字高程模型进行等高线提取、坡度计算等操作，可以得到地表的形状信息，为地质灾害识别和地貌研究提供依据。
数字高程模型的认识
城市规划与建设
数字高程模型在城市规划与建设中具有广泛的应用价值。通过数字高程模型，规 划师可以获取城市地形信息，了解城市的地貌特征和地表形态，为城市空间布局 、道路规划、排水系统设计等提供依据。
数字高程模型还可以用于城市景观设计、绿化规划等方面，提高城市的生态环境 质量和美学价值。
土地资源调查
土地资源调查是数字高程模型应用的另一个重要领域。通 过数字高程模型，可以获取土地资源的地形信息，了解土 地资源的分布、质量和利用状况，为土地资源的合理利用 和保护提供科学依据。
数据采集
通过地面测量、航空摄影测量 和卫星遥感等方式获取地形数 据。
网格生成
将处理后的地形数据转换为数 字高程模型，通常采用规则或 不规则的网格形式进行表示。
流程
DEM的建立流程包括数据采集、 数据处理、网格生成和质量控 制等步骤。
数据处理
对采集到的地形数据进行预处 理、编辑和整理，以确保数据 的质量和准确性。
数据可视化与表达
可视化表达
将数字高程模型转换为可视化的地形图，便于分析和应用。
可视化技术
利用GIS、三维可视化等技术，实现数字高程模型的动态展示和交互操作。
04
数字高程模型的精度与 误差分析
精度影响因素
数据源
数字高程模型的数据源直接影响其精度，高质量 的数据源能够提供更准确的地面高程信息。
采样间隔
详细描述
高分辨率数字高程模型能够捕捉到更多的地形细节，对于城市规划、土地利用、地质调 查等领域具有重要意义。同时，精细化的发展趋势使得数字高程模型能够更好地模拟和
预测地形地貌的变化。
多源数据融合与集成应用
总结词
多源数据的融合和集成应用是数字高程模型 发展的重要方向，能够提高模型的准确性和 可靠性。
第五章 数字高程模型
现代测量学
采样方法
逐点采样法 渐进采样法 分批互补采样法 筛选采样法 部分迭代法. 部分迭代法.
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现 代 测 量 技 术 室
现代测量学
渐进采样法的基本步骤 (B0 MaKarovic 马卡洛维奇提出 ) (1)子区划分和基底网结构点采样 阈值δh (2)加密判断(δhij<阈值δht0 加密判断( 8δ0高程中的误差) 高程中的误差) 特点:精度不受地貌复杂程度的影响,自动,只须 特点:精度不受地貌复杂程度的影响,自动, 双线性内插,每次采样是等权的. 双线性内插,每次采样是等权的.
p 2 p 1 p 1 p p 1
(d)
p 1
p 2
p
p 2
(e)
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现代测量学
C,两个方向上的交点对所在等高线高程均相同,且两个 两个方向上的交点对所在等高线高程均相同, 方向上的高程值不同; 方向上的高程值不同; z=(zh+zv)/2 )/2 两个方向上的交点对所在等高线高程均相同, D,两个方向上的交点对所在等高线高程均相同,且两个 方向上的高程值相同; 方向上的高程值相同; z=zh 或z =zv 一个方向上存在交点对,另一方向上只有一个交点. E,一个方向上存在交点对,另一方向上只有一个交点.
◆方法 选用沿地性线或等高线量取地貌特征点 的采点方式
4. 用近景摄影测量立体像对获取DEM 用近景摄影测量立体像对获取DEM
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现代测量学
四,DTM的建立方法 ,DTM的建立方法
第五章数字高程模型
左航片
全数字摄影测量
DEM
右航片
以地形图为数据源
• 主要以比例尺不大于1：1万的国家近期地形图为数据源，从 中量取中等密度地面点集的高程数据，建立DTM。其方法有 下列几种：
– 手工方法采用方格膜片、网点板或带刻划的平移角尺叠置在地形图上， 并使地形图的格网与网点板或膜片的格网线逐格匹配定位，自上而下， 逐行从左到右量取高程。当格网交点落在相邻等高线之间时，用目视 线性内插方法估计高程值。它的优点是几乎不需要购置仪器设备，而 且操作简便。
地面坡向数字矩阵 aspect of aspect
地面平面曲率数字矩阵
地面平面曲率提取方法
地面平面曲率图
通视分析
通视分析
• 通视性分析也称道视分析，它实质属于对地形进 行最优化处理的范畴，比如设置雷达站、 电视 台的发射站、道路选择、航海导航等，在军事上 如布设阵地(如炮兵阵地、电子对抗阵地)、设置 观察哨所、铺架通信线路等。
水流方向矩阵
32 64 128 16 K 1 842
汇流累积量矩阵
汇流累积量提取结果
水流方向矩阵
0 0 00 0 0 0 1 12 2 0 0 3 75 4 0 0 0 0 20 0 1 0 0 0 1 24 0 0 2 4 7 35 2
32 64 128 16 K 1 842
汇流累积量矩阵
汇流累积量提取结果
• 通视性分析的基本因子有两个，一个是两点之间 的通视性(Intervisibility)，另一个是可视域 (ViewShed)，即对于给定的观察点所覆盖的区域。
地形特征提取——水文分析
水文分析与计算是对所研究的水文变量或过程，作 出尽可能正确的概率描述，对防止水旱灾害和开发、利 用、保护水资源的工程或非工程措施的规划、设计、施 工以及管理运用有着重要的意义，也是DEM数据应用的 一个重要方面，主要用于研究与地表水流有关的各种自 然现象比如：洪水水位及泛滥情况或者可以划定受污染 源影响的地区、以及预测当改变某一地区的地貌时对整 个地区造成的后果等。
数字高程模型的概念
数字高程模型的概念一、引言数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是地球表面地形形态和特征的数字表达。
它是一种数据格式，用于存储、管理和显示地球表面某一特定范围内的高程数据。
DEM在地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、全球定位系统（GPS）等领域有着广泛的应用。
二、高程数据高程数据是数字高程模型的基础，它描述了地球表面某一特定范围内的高程信息。
高程数据可以是绝对高程或相对高程。
绝对高程是以地球质心为参考点，测量得到的高程；相对高程则是相对于某一特定基准面（如海平面）的高程。
高程数据的精度和分辨率直接影响数字高程模型的精度和详细程度。
三、地形形态地形形态是地球表面地形的高低起伏状态，包括山峰、山谷、平原、高原等地形。
数字高程模型通过表达地形形态，可以反映地球表面地形的高低起伏变化。
地形形态是数字高程模型的重要特征之一，它对于地貌分析、土地利用、水资源管理等领域具有重要意义。
四、地形特征地形特征是指地球表面地形上的特殊点或区域，如山峰、河流、湖泊等。
数字高程模型通过表达这些地形特征，可以提供更丰富的地理信息。
例如，通过提取山峰数据，可以分析山脉的分布和高度；通过提取河流数据，可以分析流域的水文特征。
地形特征对于环境监测、城市规划、交通布局等领域具有重要应用价值。
五、总结数字高程模型是地球表面地形形态和特征的数字表达，它通过高程数据、地形形态和地形特征等要素，提供了丰富的地理信息。
数字高程模型在地理信息系统、遥感、全球定位系统等领域有着广泛的应用，为地貌分析、土地利用、水资源管理、环境监测、城市规划等领域提供了重要的支持和参考。
随着科技的发展，数字高程模型的应用范围还将不断扩大，为人类提供更全面、更准确的地理信息。
数字高程模型
+第一章绪论数字地形图：在测绘领域，地形图是一个专有名词。
国内的地形图（国外的不了解）一般特指那些特定比例尺系列、有着固定分幅范围的、全面表达地表面的地形、地物特征的地图。
其内容特点是全面、均衡、不突出表达某种要素。
一般包括：测量控制点、居民地、水系、交通、管线、地貌、植被等内容。
数字地形图的历史形态是模拟地形图，一般是纸质的。
数字高程模型(DEM)：地形图上的地貌是用等高线、高程点、陡坎、陡崖等表达的。
等高线和高程点，外加陡坎、陡崖及其比高构成了一种“高程模型”。
通过对他们的判读，可以得到对地表高程的总体印象，是对实际地貌的一种模拟。
数字地形图上的等高线和高程点是数字高程模型的一种。
不规则三角网、规则格网都可以是数字高程模型，其核心特点是都可以对地表高程信息进行完整的模拟。
数字地面(地形)模型(DTM)：地形是“地表形态”或“地貌形态”的简称。
地形可以用高程来描述，也可以用坡度、坡向等信息来描述。
数字地形模型包括数字高程模型、数字坡度模型、数字坡向模型等。
数字表面模型(DSM)：DEM必须是高程信息，是对地形和地貌的模拟，DSM可以是地物表面的模拟，包括植被表面、房屋的表面，对DSM进行加工，去掉房屋、植被等信息，可以形成DEM。
模型（Model）:用来表现其它事物的一个对象或概念，是按比例缩减并转变为能够理解的事物本体。
模型可用来表示系统或现象的最初状态，或表现某些假定或预测的情形。
三个层次：概念模型----基于个人的经验与知识在大脑中形成的关于状况或对象的模型。
物质模型----模拟的模型。
如沙盘，塑料地形模型。
数学模型----基于数字系统的定量模型。
用数学的语言、方法去近似地刻划实际，是由数字、字母或其它数学符号组成的，描述现实对象数量规律的数学公式、图形或算法。
•（1）按照模型的应用领域（或所属学科）如人口模型，生物模型，生态模型，交通模型，作战模型等。
•（2）按照建立模型的数学方法（或所属数学分支）如初等模型，微分方程模型、网络模型、运筹模型、随机模型等。
数字高程模型
数据处理
01 数据采集：通过遥感、地形测量 等手段获取原始数据
02 数据预处理：对数据进行清洗、 格式转换等处理
03 数据融合：将不同来源的数据进 行融合，形成统一的数据格式
04 数据分析：对数据进行分析，提 取有用信息，生成数字高程模型
数据可视化
数字高程模型：将 地形数据转化为可 视化的三维模型
个高程值。
的地形表面高程数据模型。
03 DEM可以用于各种地形
04 DEM的数据来源包括遥
分析、可视化和建模应用，
感数据、地形测量数据、
如地形渲染、洪水模拟、
数字地图等。
地貌分析等。
数字高程模型的应用领域
01
地形分析：用于地形特征分 析、地貌分类等
02
工程设计：用于道路、桥梁、 水利等工程设计
03
05
激光雷达数字高程模型：利用激 光雷达技术获取高程数据，具有 较高的精度和分辨率
02
矢量数字高程模型：以矢量形式 表示高程数据，每个矢量元素都 有一个高程值
04
地形图数字高程模型：以地形图 为基础，通过数字化处理得到高 程数据
06
卫星遥感数字高程模型：利用卫 星遥感技术获取高程数据，覆盖 范围广，更新速度快
储
03
跨领域合作：不 同领域之间的合 作，实现数据共
享和整合
04
隐私保护：在数 据共享过程中， 注重保护用户隐
私和数据安全
谢谢
应用拓展
01
城市规划：用于城市地 形分析、规划设计等
02
灾害预警：用于洪水、 滑坡等自然灾害预警和 评估
03
交通规划：用于道路、 铁路等交通基础设施规 划
04
环境监测：用于水土保 持、生态评估等环境监 测和评估
数字高程模型的生成与应用
数字高程模型的生成与应用数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是一种用来表示地理空间位置的数字模型。
它以地表以上的点的高度数据为基础，构建了地表的三维模型。
数字高程模型有着广泛的应用，包括地形分析、水文模拟、城市规划等多个领域。
数字高程模型的生成是一个复杂的过程，需要利用遥感技术来获取高度数据。
目前常用的遥感数据包括航空摄影和激光雷达扫描。
航空摄影通过飞机或无人机搭载相机进行拍摄，然后利用图像处理技术提取高度信息。
激光雷达扫描则是利用激光束扫描地面，通过接收反射回来的激光信号来获取地形数据。
在生成数字高程模型之前，需要对原始数据进行处理和校正。
这个过程包括去除噪声、纠正图像畸变等。
然后，可以利用插值算法将离散的高度数据转化为连续的高程模型。
常用的插值算法有反距离加权插值法、三角剖分插值法等。
这些算法可以根据离散点的高度信息推算出其他地点的高度。
数字高程模型的应用十分广泛。
首先，地形分析是数字高程模型最常见的应用之一。
通过对高程模型进行分析，可以得到地形的各个方面的信息，如山脉、河流、河谷等。
这对于地理学研究、地质勘探等都有着重要的作用。
其次，数字高程模型在水文模拟中也有着重要的应用。
通过将降雨入渗过程、地表径流等模拟到数字高程模型中，可以模拟地表的水文过程，对洪水的形成和流动进行预测和分析。
此外，数字高程模型还可以应用于城市规划中。
通过将建筑物的三维模型与数字高程模型进行叠加，可以模拟出城市的立体效果，对城市规划和设计提供重要参考。
除了上述应用，数字高程模型还可以用于虚拟现实技术中。
虚拟现实技术通过模拟真实的环境，使用户沉浸其中。
数字高程模型作为虚拟现实中环境的基础，可以提供真实的地形数据，使用户能够更加真实地感受到模拟环境。
此外，数字高程模型也可以用于地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）中，对地理信息进行管理和分析。
数字高程模型
（1）项目情况归总
（2）资料搜集与分析
（3）确定作业依据与技术标准
（4）生产设备及技术力量的配置
（5）制定技术路线与工艺流程
（6）制定操作规程
（7）制定质量控制方案
（8）确定上交成果
（9）进度计划
12.采样的核心问题：确定点的密度
GPS 比较高 很快 比较高 容易 小范围，特别的项目
地形图手扶跟踪数字化 比较低 比较耗时 低 周期性 国家范围内以及军事上的数据采集，中小比例尺地形图的数据获取
地形图扫描 比较低 非常快 比较低 周期性 同上
激光扫描、干涉雷达 非常高 很快 非常高 容易 高分辨率、各种范围
2）相邻面片拼接处的扭矩连续。
3.移动拟合的关键是解决一下问题？
1）如何确定待插点的最小领域范围一保证有足够的参考点
2）如何确定个参考点的权重。
4.选择临近点一般考虑的两个因素
1）范围，采用多大面积内的参考件来计算被插点的数值
2）点数，选择多少参考点参加计算
第七章
3.数据采集误差来自：
a.原始资料的误差
b.采点设备误差
c．人为误差
d．坐标转换误差。
4.对于使用摄影测量方法采集的DEM数据来说，原始资料的误差主要表现在：航片的误差（包含航摄中各种误差的综合），定向点误差；采点设备误差（ 包括测图仪的误差和计算机计算有效位数）；人为误差（包括测标切表面的误差即采用数字影像相关时为影像的相关误差）;坐标转换误差（包括相对定向和绝对定向的误差）。
获取方式 DEM的精度 速度 成本 更新成都 应用范围
地面测量 非常高 耗时 很高 很困难 小范围区域，特别的工程项目
数字高程模型
数字高程模型（Digital Elevation Models, DEM)主要用于描述地面起伏状况，可以用于各种地形信息提取，如坡度、坡向等，并进行可视化分析等应用分析。
DEM在土木工程设计、军事指挥等众多领域被广泛使用。
一、基于DEM的信息提取(一)、坡度的计算地表单元的坡度就是其切平面的法线方向与Z轴的夹角。
若需求格网点上的坡度时，可取3×3的格网单元进行计算。
也可求出该格网点八个方向上的坡度，再取其平均值。
(详细的计算方法)(二)、坡向的计算坡向是地表单元的法向量在OXY平面上的投影与X轴之间的夹角。
(详细的计算方法)二、基于DEM的可视化(一)、剖面分析研究地形剖面，常常可以以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等等。
如果在地形剖面上叠加上其它地理变量，例如坡度、土壤、植被、土地利用现状等，可以提供土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据。
坡度图的绘制应在格网DEM或三角网DEM上进行。
已知两点的坐标A(x1，y1)，B(x2，y2)，则可求出两点连线与格网或三角网的交点，以及各交点之间的距离。
然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图。
在格网或三角网交点的高程通常可采用简单的线性内插算出,且剖面图不一定必须沿直线绘制，也可沿一条曲线绘制，但其绘制方法仍然是相同的。
(剖面分析例图)(二)、通视分析通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。
通视分析的核心是通视图的绘制。
绘制通视图的基本思路是：以以O为观察点，对格网DEM或三角网DEM上的每个点判断通视与否，通视赋值为1，不通视赋值为0。
由此可形成属性值为0和1的格网或三角网。
对此以0.5为值追踪等值线，即得到以O为观察点的通视图。
因此，判断格网或三角网上的某一点是否通视成为关键。
(通视分析例图)另一种利用DEM绘制通视图的方法是，以观察点O为轴，以一定的方位角间隔算出0°～360°的所有方位线上的通视情况。
数字高程模型
第一章1.DTM .Digital Terrain Model 的简称，它是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列。
DEM .Digital Elevation Model 的简称，当DTM 中所表示的第三维属性为高程时，DTM 即为DEM ，它是DTM 的一个子集，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。
其间关系.DEM 是DTM 子集，是DTM 的一个部分，它是DTM 的基础数据，其它的地形数据可由DEM 直接或间接导出，因此又称DTM 是DEM 的派生数据。
2.数字高程模型特点.1）精度的恒定性;2）表达的多样性;3）更新的实时性;4）尺度的综合性。
3. DEM 的表示方法(,)(,)DEM ⎧⎧⎧⎪⎨⎪⎪⎩⎪⎨⎪⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎩⎪⎪⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎨⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎩傅里叶级数全局多项式函数数学方式规则的分块函数局部不规则的分块函数规则密度一致密度可变点方式不规则三角形网邻近网的表示方法典型特征(山峰,洼坑,隘口,边界等)剖面线图象方式线方式等高线特征线(山脊线,山谷线海岸线等)其他方式(绘画,影像等)4.数字高程模型的研究内容.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)不确定分析和表达。
5.DEM的应用.课本P19。
第二章1.规则镶嵌数据模型.用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。
不规则镶嵌数据模型.用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界。
2.规则格网DEM数据结构(五种)1)简单矩阵结构.按行或列逐一记录每一个格网单元的高程值。
规则格网DEM数据文件一般包括对DEM数据进行说明的数据头和DEM数据体部分。
数据头：包括定义西南角起点坐标、坐标类型、格网间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等。
数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列。
2)行程编码结构.只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数或着逐个记录各行（列）代码发生变化的位置和相应代码。
数字高程模型重点
数字高程模型重点一、名词解释：数字高程模型：从狭义角度定义:DEM是区域地表面海拔高程的数字化表达。
从广义角度定义：DEM是地理空间中地理对象表面海拔高度的数字化表达。
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。
元数据：用于描述要素、数据集或数据集系列的内容、覆盖范围、质量、管理方式、数据的所有者、数据的提供方式等有关的信息。
TIN：TIN是不规则三角网的缩写，是将具有（X,Y,Z）坐标值且在空间分布上不规则的点连接成三角形，这些相邻的三角形形成一个网络用以表示现实世界中的某些特征。
空间数据模型：间数据模型是对空间对象及其关系的描述，也是根据与应用有关的目标的需要而对空间对象的一种提取。
空间自相关：按照地理学第一定律，空间的事物总在不同程度上相互联系与制约，而相近的事物之间的影响通常大于较远事物的影响。
这种现象被称为空间自相关。
等高线：等高线指的是地形图上高程相等的各点所连成的闭合曲线。
不确定性：不确定性是指对真值的认知或肯定的程度，是更广泛意义上的误差，包含系统误差、偶然误差、粗差、可度量和不可度量误差、数据的不完整性、概念的模糊性等。
9、地形可视化：是地形的直观的图形表达，是人们了解和认识地形的基本工具。
10、地形因子：地形因子是为定量表达地貌形态特征而设定的具有一定意义的数学参数或指标。
地形因子有坡向、坡度、坡位和海拔高度四个因素。
11、特征地形要素特征地形要素，主要是指对地形在地表的空间分布特征具有控制作用的点、线或面状要素。
12、地形统计分析：地形统计分析是指应用统计方法对描述地形特征的各种可量化的因子或参数进行相关、回归、趋势面、聚类等统计分析，找出各因子或参数的变化规律和内在联系，并选择合适的因子或参数建立地学模型，从更深层次探讨地形演化及其空间变异规律。
13、地学模型：地学模型是地学原型的一种表现形式，是人们构建的主观思想框架对客观实际的反应，是对客观的地学世界的一种理解，是研究和解释地学问题的一种手段。
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地形特征提取——水文分析
水文分析与计算是对所研究的水文变量或过程，作 出尽可能正确的概率描述，对防止水旱灾害和开发、利 用、保护水资源的工程或非工程措施的规划、设计、施 工以及管理运用有着重要的意义，也是DEM数据应用的 一个重要方面，主要用于研究与地表水流有关的各种自 然现象比如：洪水水位及泛滥情况或者可以划定受污染 源影响的地区、以及预测当改变某一地区的地貌时对整 个地区造成的后果等。 在城市和区域规划、农业及森林等许多领域对地球 表面形状的理解很重要。这些领域需要知道水流怎样经 过某一地区，以及这个地区的地貌的改变会以什么样的 方式影响水流的流动。
(1) 坡度和坡向分析
• 坡度定义为水平面和地形表面之间夹角的反正 切值；坡向为坡面法线在水平面上的投影与正 北方向的夹角。
ARC/VIEW提取地面坡度图示例 ARC/VIEW提取地面坡向图示例
（2）地表曲率的计算
地面剖面曲率计算 • 地面的剖面 曲率(profile curvature)其 实质是指地 面坡度的变 化率，可以
以地形图为数据源建立DEM
以地面实测记录为数据源
• 用电子速测仪(全站仪)和电子手簿或测距经纬仪 配合PC1500等袖珍计算机，在已知点位的测站 上，观测到目标点的方向、距离和高差三个要素。 计算出目标点的x、y、z三维坐标，存储于电子 手簿或袖珍计算机中，成为建立DEM的原始数据。 这种方法一般用于建立小范围大比例尺(比例尺 大于1：5000)区域的DEM，对高程的精度要求 较高。另外气压测高法获取地面稀疏点集的高程 数据，也可用来建立对高程精度要求不高的 DTM。
汇流累积量提取结果
2 2 1 128 2 1 2 2 1 128 2 1 2 2 2 1 1 1 4 4 4 2 4 1 4 4 8 4 4 4 8 8 4 8 4 16
水流方向矩阵
32 16 8
64 K 4
128 1 2
汇流累积量矩阵
汇流累积量提取结果
0
0 0 0 0 0
0
1 3 0 0 2
0
地面晕渲图
(a) 光源来自西北产生正 立体 (b) 光源来自东南产生反 立体
由DEM产生的地面晕渲图
地面晕渲图
3、DTM的地形分析
• 尽管DTM的应用十分广泛，但地形分析 是其基本应用，其它应用都可由此推演、 扩展。地形分析的内容有地形因子提取、 地表类型分类以及剖面图的绘制等。现以 栅格结构的DTM为例讨论地形分析。
水文分析——水流方向
在空间分析工具——水文分析模块 1经过填洼（fill）处理后 2进行水流方向分析(flow direction)
水流方向提取原理
78 74 69 64 68 74 72 67 53 58 61 53 69 56 44 55 47 34 71 49 37 22 21 12 58 46 38 31 16 11 49 50 48 24 19 12
水文分析——提取栅格河网
河网的提取采用的是地表径流漫流模型，通过 模拟地表径流的流动来产生水系。 A、在无洼地的DEM上计算出每一个栅格的水流方向 矩阵； B、根据自然水流由高处流到低处的自然规律利用水流 方向矩阵计算出汇流累积量； C、当汇流累积量达到一定值得时候，就会产生地表水 流，所有汇流累积量大于临界值的栅格就是潜在的 水流路径，由这些水流路径构成的网络就是河网。
左航片 全数字摄影测量
右航片
DEM
以地形图为数据源
• 主要以比例尺不大于1：1万的国家近期地形图为数据源，从 中量取中等密度地面点集的高程数据，建立DTM。其方法有 下列几种：
– 手工方法采用方格膜片、网点板或带刻划的平移角尺叠置在地形图上， 并使地形图的格网与网点板或膜片的格网线逐格匹配定位，自上而下， 逐行从左到右量取高程。当格网交点落在相邻等高线之间时，用目视 线性内插方法估计高程值。它的优点是几乎不需要购置仪器设备，而 且操作简便。 – 手扶跟踪数字化仪采集采集方式有：沿主要等高线采集平面曲率极值 点，并选采高程注记点和线性加密点作补充；逐条等高线的线方式连 续采集样点，并采集所有高程注记点作补充，这种方式适用于等高线 较稀疏的平坦地区；沿曲线和坡折线采集曲率极值点，并补采峰—鞍 线和水边线的支撑点，分别以等高线，峰—鞍链和边界链格式存储。 – 扫描数字化仪采集这种方式采集速度最快，但目前仅能以扫描分版等 高线图方式采集高程。随着研究的不断深入，一些难点和瓶颈问题被 解决，从地图扫描数据中自动地建立DTM技术必将达到实用水平。
平地垫高算法—— Martz和Garbrecht算法
用高程增量叠加算法处理平地。对平地范围内的单元格增加一微小增量，每 个单元格的增量大小是不一样的，就可以消除平地。
• 在经过填充洼地后的DEM （Filled Dem），流水可以畅通无阻地流至区域 地形的边缘。 • 在经过填充洼地后的DEM是流向分析的 基础
地面坡度数字矩阵 slope of slope 地面剖面曲率数字矩阵 原始DEM数据 slope of DEM
通过计算地
面坡度的坡 度而求得。
地面剖面曲率提取方法
地面剖面曲率图
地面平面曲率计算
• 地面的平面 曲率(plan curvature) 是指地面坡 向的变化率， 可以通过计 算地面坡向 的坡向而求 得.
其它数据源
• 采用近景摄影测量在地面摄取立体像对，构造 解析模型，可获得小区域的DTM。此时，数据的 采集方法与航空摄影测量基本相同。这种方法 在山区峡谷、线路工程和露天矿山中有较大的 应用价值。
• 另外，航空测高仪可获得精度要求不太高的高 程数据，也可以依此来构造DTM。
2、DTM的表示方法
数学方法 用数学方法来表达，可以采用整体拟合方法或局部拟合方法将地 表复杂表面分成规则或不规则区域进行分块搜索，根据有限个点进 行拟合形成高程曲面。 图形方法 线模式 等高线是表示地形最常见的形式。其它的地形特征线也是表达 地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线 等。 点模式 数据采样可以按规则格网采样，可以是密度一致的或不一致的； 可以是不规则采样，如不规则三角网、邻近网模型等；也可以有选 择性地采样，采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点。
第五章 数字高程模型
一、概述
二、DEM的数据采集与表示方法
1、DTM的数据源与采集方法
以航空或航天遥感图像为数据源
这种方法是由航空或航 天遥感立体像对，用摄 影测量的方法建立空间 地形立体模型，量取密 集数字高程数据，建立 DTM（见图）。采集数 据的摄影测量仪器包括 各种解析的和数字的摄 影测量与遥感仪器。
2
2 1 128 2 1
2
2 1 128 2 1
2
2 2 1 1 1
4
4 4 2 4 1
4
4 8 4 4 4
8
8 4 8 4 16
原始DEM 矩阵
1东2东南4南8西南16西 32西北64北128东北 除这些值以外的其他值代表流向 不确定，这是由dem中的“洼地” 或“平地”现象造成的。
水流方向矩阵
水流方向提取结果
DEM
4）曲面拟合
内插
DEM内插的算法
三、DTM在地图制图与地学分析中的应用
DTM在科学研究与生产建设中的应用是多方面的，这里
不可能将其所有的应用方面进行全面、系统的探讨，而
仅以DTM在地学分析与地图制图中有典型意义的几个应 用为例证说明其应用的基本思路和方法。它也将向我们 展示栅格数据系统分析和应用的基本要点，对于帮助我 们增强对栅格数据在地学信息自动处理中的作用和意义 的理解有着十分重要的意义。
1 7 0 0 4
0
2 5 20 1 7
0
2 4 0 24 35
0
0 0 1 0 2
水流方向矩阵
32 16 8
64 K 4
128 1 2
汇流累积量矩阵
汇流累积量提取结果
• • • • • •
水文分析步骤 在空间分析工具——水文分析模块 1经过填洼（fill）处理后 2进行水流方向分析(flow direction) 3汇流量分析（flow accumulation） 4提取河网
水系
Watershed 流域
(Basin, Catchment, Contributing area)
Watershed Boundaries
(Drainage Divides) 流域边界
汇流点Pour Points (Outlets)
水文分析——数据预处理
DEM水平和垂向的分辨率、DEM生成过程的内插、 以及内插精度和网格单元内高程信息取平均等原因造 成DEM中存在凹陷洼地和平地。
绘制等高线
2、利用DEM绘制地面晕渲图
• 晕渲图是以通过模拟实际地面本影与落影的方法 有效反映地形起伏的重要的地图制图学方法。在 各种小比例尺地形图、地理图，以及各类有关专 题地图上得到非常广泛的应用。但是，传统的人 工描绘晕渲图的方法不但费工、费时，而且带有 很大的主观因素。而利用DEM数据作为信息源， 在地面光照通量数学函数为自变量，计算该栅格 应选用输出的灰度值。由此产生的晕渲图具有相 当逼真的立体效果。
原始DEM数据 aspect of DEM 地面坡向数字矩阵 aspect of aspect 地面平面曲率数字矩阵 地面平面曲率提取方法
地面平面曲率图
通视分析
通视分析
• 通视性分析也称道视分析，它实质属于对地形进 行最优化处理的范畴，比如设置雷达站、 电视 台的发射站、道路选择、航海导航等，在军事上 如布设阵地(如炮兵阵地、电子对抗阵地)、设置 观察哨所、铺架通信线路等。 • 通视性分析的基本因子有两个，一个是两点之间 的通视性(Intervisibility)，另一个是可视域 (ViewShed)，即对于给定的观察点所覆盖的区域。
●使用三维函数模