第7章 数字高程模型及其应用
lecture7-第七章 数字高程模型及其应用
1. 概述
为了能较好的顾及地形特 征点、线、真实地表示复 杂的地形表面,可采用下 述的数据结构:按地形特 征采集的点按一定规则连 成覆盖整个区域、互不重 叠的三角形,构成不规则 的三角网表示的DEM。 这种方式的数据结构数据 量大,数据结构胶复杂, 因此使用管理也比较复杂
1. 概述
建立DEM的过程是,首先按一定的数据采集方法,在 测区内采集一定数量的离散点的平面位置和高程,这 些点称为控制点(数据点或参考点),以这些控制点 为网络框架,用某种数学模型拟合,内插大量的高程 点,以便获得符合要求的DEM 数据点是建立数字高程模型的集成,模拟地表面的数 学模型函数关系式的待定参数就是根据这些数据点的 已知信息来确定的。获得这些数据点可直接取自地形 表面或是间接取自地形表面的模拟模型。
0 Y3 X3
0 Z1 Y3 Z 2 X 2 Z3
Z
1 {[( X 2Y3 X 3Y2 ) (Y2 Y3 ) X ( X 3 X 2 )Y ]Z1 (Y3 X X 3Y ) Z 2 ( X 2Y Y2 X ) Z3} X 2Y3 X 3Y2
1. 概述
获取数据点的四种方法:
由现在的地形图上采集。现在常用的方法是使用扫描装置 采集 由摄影测量方法采集。可用解析侧图仪或自动化的测图系 统获取数据点 野外实地测量。一般采用电子速测仪 由遥感系统直接测得
2. 数据预处理
格式转换:ASCII,BCD,二进制码 坐标系统变换:一般采用国家坐标系 数据编辑 栅格数据转换为矢量数据 数据分块 子区边界的提取
第七章 数字高程模型及其应用
主要内容
数字高程模型(DEM)建立及应用
实验四数字高程模型(DEM)建立及应用
一,实验目的:
1,,理解和掌握DEM的基本知识;
2,掌握MapGIS中建立DEM的方法;
3,了解DEM在林业生产中的应用领域。
二,实验资料及预处理:
1,火地塘林场1:10000局部地形图;
2,完成上述地形图的等高线矢量化及编辑处理工作,注意,每条等高线必须赋予相应的高程值,然后保存在磁盘上备用。
三,试验方法及步骤:
1,进入MapGIS的DTM分析模块,见图:
DTM分析
2,进入“点线处理”菜单,对等高线进行检查(如漏填等距,等高线不连续等问题),然后进行“等高线点/线栅格化处理”或“等高线
点/线三角化处理”,并以Grid方式或Tin方式保存。
3,分别选择GRD模型或TIN模型进行地图因子的计算和制图。
一,电子沙盘
四,结论:
由于等高线的值有可能输入错误,电子沙盘可能有问题。
数字高程模型
表面分析
第一节
概述
DTM的概念
数字地面模型(Digital Terrain Model, DTM)
是地表形态等多种信息的数字化表示,数学上将表 达为某一区域D上n维向量Vi的有限序列:{Vi, i = 1, 2, 3,…,n},其中Vi分别为地形(x, y, z)、地貌、地物、 自然资源、环境、社会经济等信息的定量或定性描述。
⑨ 为景观的图像模拟模型和景观处理提供数据
⑩ 通过将高程替换为其他连续变化的属性。
第六节
坡度坡向
GIS软件地形分析功能
地形曲率 通视分析 流域分析
ArcInfo
ArcView IDRISI
√
√ √
√
√
√
√
பைடு நூலகம்√ √
√
√
SPANS
GRASS ILWIS PAMAP MFworks
√
√ √ √ √
√
√ √
DEM与DLG叠加
DLG与DRG叠加
DOM与DEM叠加
1.2 DEM的表示法
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。
地形图基础要素信息的矢量数据集,其中保存着要素间的空 间关系和相关的属性信息,能较全面的描述地表目标。 DLG按不同的地图要素分为若干数据层(如:交通、水 系、植被、行政区划等),可以根据不同的需要实现地图要
第7章-数字高程模型
1 数字高程模型的定义
地形表面形态等多种信息的一个数字表示
DTM是定义在某一区域D上的m维向量有限序 列:
{Vi ,i 1,2,, n}
➢数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)或 DHM(Digital Height Model) 是表示区域D上地形的三维向量有限序列
0
1 L
L
2kX
[{
0
Ck cos(
k 0
L
k
)
k 0
Ck
cos(2kX
L
k
)]}2
dX
2 z
1 2
m
(Ck
k 0
Ck )2 dX
1 2
m
(1
k 0
Ck Ck
)2 Ck2
1 2
m
[1
k 0
H (uk )]2Ck2
采样间隔和地形的复杂程度
2.利用检查点的DEM精度评定
在DEM内插时,预留一部分数据点作 为检查点,在建立DEM之后,由DEM内 插出这些点的高程,DEM的精度
“任何一个圆滑的数学表面总是可以用一 系列有规则的数学表面的总和,以任意的 精度进行逼近。”也就是一个数学表面上 某点(X,Y)处高程Z的表达式为:
n
Z f (X ,Y ) ajq(X ,Y , X j,Yj ) j 1
a1q(X ,Y , X1,Y1) a2q(X ,Y , X 2,Y2) anq(X ,Y , X n,Yn )
深度学习在DEM数据获取中的应用
1.针对激光点云的地面点和非地面点的分类处理: 一处理Lidar数据,提取每个点与周围点之间的相对高差并将其
转换为表示点特征的图像,用于神经网络的训练。分离地物点
第07章+数字高程模型(第二版)
以产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。 2)精度不会丢失。常规地图随时间的推移,图纸将 会变形,失去原有的精度。 3)容易实现自动化、实时化。 4)多比例尺特性。如1m分辨率的DEM自动涵盖了更 大分辨率如10m和100m的DEM内容。
7.2 DEM数据分布特征
DEM数据由于数据观测方法和获取的途径不同,数据 分布规律和数据特征有明显差异。DEM数据按其空间分布 特征可分为两类:格网状数据和离散数据。
7 数字高程模型
7.1 数字高程模型概念及特点 7.2 DEM数据分布特征 7.3 DEM的表示方法
7.4 TIN的生成方法
7.5 规则矩形网格的生成
7.6 DEM的数据源和采样方法
7.7 DEM的应用 7.8 DEM分析的误差与精度
7.1 数字高程模型概念及特点
7.1.1 基本概念
地球表面高低起伏,呈现一种连续变化的曲面,无法用平 面图确切表示。可以采用DEM描述地球表面。 数字高程模型(Digital Elevation Model),简称DEM, 是以数字的形式按一定结构组织在一起,表示实际地形特征空 间分布的数字模型,也是地形形状大小和起伏的数字描述。 DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地 表提供连续描述的算法,最基本的DEM是由一系列地面点x,y 位置及其相联系的高程Z所组成,用数学函数式的表达是: Z=f(x,y),(x,y)∈DEM所在的区域
7.4 TIN的生成方法
7.4.2 自动建立
首先在所有可能的线段中寻找最短的一条,用它作
为第一个三角形的基线。选出到这条基线两端的距离之 和为最小的那一点作为三角形的顶点。 接着,搜索次最短线段作为下一个三角形的基线。 这样可使作为先前生成的三角形的一部分而被存贮起来 的诸边不再被选取为基线。
《摄影测量学》数字高程模型及其应用(可编辑)
《摄影测量学》7数字高程模型及其应用常用的地貌表示方法常用的地貌表示方法等高线图第七章数字高程模型及其应用§7-1 概述数字地面模型的发展过程1956年由Miller教授提出概念60年代至70年代对DTM内插问题进行了大量的研究70年代中、后期对采样方法进行了研究80年代以后,对DTM的研究已涉及到DTM系统的个环节,其中包括用DTM表示地形的精度、地形分类、数据采集、DTM的粗差探测、质量控制、数据压缩、DTM应用以及不规则三角网的建立与应用数字地面模型DTM的概念数字地面模型DTM(Digital Elevation Model):是地形表面形态等多种信息的一个数字表示. DTM是定义在某一区域D上的m 维向量有限序列:V ,i1,2,…,ni其向量V (V ,V ,…,V )的分量为地形X,Y,Zi i1 i2 in i i i((X,Y)∈ D)、资源、环境、土地利用、人口分布等多种i i信息的定量或定性描述。
数字高程模型DEM的概念数字高程模型DEM(Digital Elevation Model):是表示区域D上地形的三维向量有限序列{Vi(Xi,Yi,Zi),i1,2,…n}其中(Xi,Yi)∈D是平面坐标,Zi是(Xi,Yi)对应的高程DEM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,是DTM的地形分量。
地面信息的不同表达方地形图:优点:直观,便于人工使用缺点:计算机不能直接利用,不能满足自动化要求,管理不DTM:地表信息的数字表达形优点:直接输入计算机,计算机辅助设计,便于修改、更新、管理,便于转换成其它形式的产品数字高程模型DEM 表示形式规则矩形格网(Grid利用一系列在X,Y方向上等间隔排列的地形点的高程Z表示地形,形成一个矩形格网DEMXY 、任一点Pi,jiiXX+i?ΔXi 0YY+j?ΔYi 0基本信息: XY 、 ):起始点坐标00ij , :行列数;: ΔΔ X、 Y 间隔DEM:基本信息+规则存放的高程优点:存储量最小,易管理,应用最广泛缺点:不能准确表达地形的结构和细不规则三角网TIN :按地形特征采集的点以一定规则连接成覆盖整个区域互不重叠的三角形优点:顾及地貌特征点、线,表达复杂地形较准缺点:数据量大,结构复杂,应用、管理复数据点的获取DEM数据采集方法野外实测:全站仪、GPS施测现有图数字化手扶跟踪数字化扫描数字化摄影测量方法解析测图仪、自动化的测图系统进行采集(自动化DEM数据采集)空间传感器:遥感系统、雷达等§7-2 数据预处理格式转换:数据格式不同,转换为内插软件需要的格式坐标系统的变换:变换到地面坐标系,一般采用国家坐标数据编辑:交互方式,查错、补测栅格数据转换为矢量数据:扫描数字化得到灰度阵列(栅格数据)转换为按顺序排列的点坐标(矢量数据)数据分块:数据采集方式不同,排列顺序不同,内插计算只与周围点有关,分块可保证在大量数据中找到需要的点§7-3 数字高程模型数据内插§7-3 数字高程模型数据内插规则格非采样点的采集的原始数高程?非规则排数字地面模型数据内插:根据参考点上的高程计算其它待定点处高程的方法用邻近的数据点数字地面模型数据内插的特点:内插出待定点基于原始函数的连续光滑性大范围内的地形很复杂,整个地球表面起伏不可能用一个多项式拟合,采用局部函数内插地表既有连续光滑的特点,又有由于自然或人为的原因产生的不连续内插方法1、移动曲面拟合法*2、线性内插*3、双线性内插*4、三次样条函数内插*5、多面函数法6、最小二乘配置法7、有限元内插法一、移动拟合法:数据点范围随待数据点范围随待插点位置变化而插点位置变化而变化变化逐点内插1、解法思路:以待定点为中心,定义一个局部函数(一次或二次多项式)拟合周围数据点,以确定待定点的高程2、数学模型:22Z AX++ BXY CY+DX+EY+F3、解算过程(二次多项式为例) :①检索出对应该点的几个分块格网中的数据点(数据分块),并将坐标原点移至该点PXP,YP)XX ? X Y Y?Yii pi i p②以P为圆心,R为半径作圆(数据点个数6,选用圆内点22③列误差方程:拟合曲面Z Ax++ Bxy Cy+Dx+Ey+F22数据点Pi的误差方程:vX A++ XYBYC+XD+YE+F?Zii ii i i i i④计算每一数据点的权不是观测精度,反映该点对待定点影响的大小(相关程度,影响大则权大):与该数据点与待定点的距离2diRd122ikp , p , p ei i i2d di i待定点P⑤解法方程:的高程解得参数A、B、C、D、E、F4、怎样选邻近的数据点来拟合曲面?选圆内的点,要综合考虑范围和点数两个因素,数要不少于6个,点的分布要均匀地形起伏较大时,半径不能取得很大数据点与待定点之间的地形变化是连续光滑的5、适用场合:方便灵活,计算速度较慢,适用于离散点生成规则格网DEM二、线性内插Z aa++X aY1、数学模型p 01 22、解法思路使用最靠近的三个数据点,确定平面参数a 、a 、a ,从0 1 2而求出新点的高程10 0aZ01?11 XY a Z 第点为原点22 1 2?aZ1XY 3323?aXY ?XY 00Z02332 11aY ?YY?YZ123332XY ?XY23 32aX??XXXZ?23232??3?3、适用场合:根据格网点、断裂线点高程内插等高线三、双线性内插1、数学模型双线性多项式Z aa++X aY+aXY00 10 01 112、解法思路使用最靠近的四个数据点,确定参数a 、a 、a 、a ,从而00 01 10 11求出新点的高程1101XY YXZ ? 1 1? ZZ + 1?P 00 10LL LLPXY XY+? 1 ZZ +L01 11LL LLYX003、适用场合10在方格网(GRID)中内插高程双线性多项式内插只能保证相邻区域接边处的连续,不能保证光滑。
第7章 数字高程模型及其应用
2.分类
整体内插
对整个区域使用一个数学模型,即一个多项 式函数,利用区域内所有已知点的数据解求待定 参数,以建立区域的拟合模型。
Z x, y Cij x i y j
i 0 j 0
m
m
分块内插
分块内插是把整个区域分成若干子块,对每一 子块使用一个函数拟合该区域内的地表面,利 用该块内的数据点求解待定参数。
(2)链指针法 对于每一个数据点,增加一个存储单元 (链指针),存放属于同一个分块格网中下一 个点在数据文件中的序号,对该分块格网中的 最后一个点存放一个结束标志。同时建立一个 索引文件,记录每一块数据的第一点在数据文 件中的记录号。 检索时由索引文件得到该块的第一个数据 点,再由第一个点的链指针检索出该块的下一 个点,直到检索出该块中的所有数据点。 计算处理时间短,但要增加存储量。
2.线性内插
Y
Z a0 a1 X a2Y
1
P
2
3
X
Z 1 X a0 Y a1 a 2
Z1 1 X 1 Z 2 1 X 2 Z 1 X 3 3
Y1 a0 Y2 a1 Y3 a2
6. 子区边界提取 根据离散点内插规则格网DEM,通常将地面 看作光滑的连续曲面,但地面并不光滑,因此 需要将地面分成若干子区,使每个子区的表面 成为一个连续光滑曲面。应该采用相应的算法 提取这些子区的边界。
7.3 DEM内插方法
一、DEM内插的概念 1.定义 DEM内插就是根据参考点的高程求出其 它待定点的高程。 内插的理论基础:原始地形起伏变化的连续 光滑性,或相邻数据点间存在很大的相关性。
当四个点为正方形排列时,设以A为原 点,P相对于A的坐标为X,Y,则有:
第七章 数字高程模型
7.据不能直接利用来进行DEM 利用各种采集方法获取得数据不能直接利用来进行 数据内插,需要进行数据的预处理工作流程。一般包括数据 数据内插,需要进行数据的预处理工作流程。一般包括数据 格式转换、坐标系统转换、数据编辑、 格式转换、坐标系统转换、数据编辑、栅格数据转换为矢量 数据等内容。 数据等内容。 1、数据格式转换 、 主要是指不同数据结构间的数据转换。 主要是指不同数据结构间的数据转换。由于数据采集的 硬件系统不一样,所采集的数据格式也就各不相同。 软、硬件系统不一样,所采集的数据格式也就各不相同。 采集后的数据要被某一专业软件处理建立DEM,首先必 , 采集后的数据要被某一专业软件处理建立 须根据专业软件的要求, 须根据专业软件的要求,将各数据格式转换成该软件要求的 数据格式。 数据格式。
2. 数字高程模型
数字地面模型是1956年由美国的米勒为了解决高速公路 年由美国的米勒为了解决高速公路 数字地面模型是 的自动设计提出来的。 的自动设计提出来的。 数字地面模型( 数字地面模型(Digital Terrain Models)是描述地球表 ) 面形态多种信息空间分布的有序数据阵列。 面形态多种信息空间分布的有序数据阵列。 数字高程模型(Digital Elevation Model)地面高程信息 数字高程模型( 地面高程信息 起伏形态)的数字表达。 (起伏形态)的数字表达。 数字地面模型中所包含的地面信息比较丰富,主要有: 数字地面模型中所包含的地面信息比较丰富,主要有: 中所包含的地面信息比较丰富 (1)地貌信息 ) 比如高程、坡度、坡向等地貌因子。 比如高程、坡度、坡向等地貌因子。 (2)基本地物信息 ) 比如水系、交通网、居民点和工矿企业等。 比如水系、交通网、居民点和工矿企业等。
3.空间传感器:利用GPS、雷达、遥感卫星和激光扫描系统 .空间传感器:利用 、雷达、 等进行数据采集。 等进行数据采集。 速度快,可快速的进行大区域数据采集。 速度快,可快速的进行大区域数据采集。 4. 摄影测量方法:在模拟摄影测量、解析摄影测量时代,可利 摄影测量方法:在模拟摄影测量、解析摄影测量时代, 用附有自动记录装置的立体测图仪或立体坐标量测仪、 用附有自动记录装置的立体测图仪或立体坐标量测仪、解析 测图仪,进行人工、半自动或全自动的量测来获取DEM数 测图仪,进行人工、半自动或全自动的量测来获取 数 据。目前可利用全数字摄影测量系统对数字影像进行影像处 理后,自动获取DEM数据。 数据。 理后,自动获取 数据
第7章 数字高程模型
地
理
信 Grid DEM上制作在DEM 数据矩阵中连续移动计算完成。
理
GIS
部分资料来源于张超主编的《地理 信息系统教程》所配光盘
返回
地 理 信 息 系 统 原 理
4、高程变异分析
包括平均高程、相对高程、高程标准差,高程变异。 高程变异:为格网顶点的高程标准差与平均高程的比值。
B
两点连线是否与剖面相交。
A
返回
地 3)通视分析示例
理
信
息
系
观察点
统
原
理
GIS
雷 达
盲
区
飞
行
不通视
通视
可 视 域 的 三 维 显 示
资料来源于张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘
地 3、地形三维图绘制
理
信 息
DEM 高程点
建立几 何模型
透视 变换
系 开放式图形标准库(OpenGL)。
统
原
理
GIS
5、地貌形态的自动分类
DEM
计算地表形态要素
H,H’,坡度、坡向等
地形自动分类
地形分类标准表
GIS
平地 岗丘 丘陵
低山 高山
绝对h … 相对h …
…
<400<600 …
…
<100 100-200 …
…
坡向 <3
…
…
……
地 理 信 息 系 统 原 理
(二)等高线的绘制
在格网DEM上自动绘制等高线主要包括两个步骤: 1、等高线追踪,利用DEM矩形格网点的高程内插出格网边上的等高线 点,并将这些等高线点排序; 2、等高线光滑,进一步加密等高线点并绘制光滑曲线。
数字高程模型的应用
数字高程模型的应用
数字高程模型(DEM)是一种用于表示地形高度信息的数字化数据集,通常使用数字高程模型数据可以实现以下应用:
1. 地形分析:DEM数据可用于地形分析,例如地形高度的可视化、坡度计算、坡向分析等。
这些分析可以帮助人们更好地了解地形的特征和变化,以及对地形进行规划和设计。
2. 建筑设计:DEM数据可以用于建筑设计和城市规划中,例如确定建筑物的高度、选择建筑地点、设计道路和桥梁等。
3. 水资源管理:DEM数据可以用于水资源管理,例如确定河流和湖泊的轮廓、计算流域面积、分析洪水和干旱等。
4. 环境监测:DEM数据可以用于环境监测,例如监测山体滑坡、火山喷发、地震等自然灾害,以及监测城市扩张和森林砍伐等人类活动。
5. 地球科学研究:DEM数据可以用于地球科学研究,例如研究地形演变、冰川作用、风化和侵蚀等地质过程,以及研究地球表面的气候变化和环境变化等。
DEM数据在许多领域都有广泛的应用,可以帮助人们更好地了解地球表面的地形和环境特征,为各种规划、设计和
决策提供支持。
测绘技术中的数字高程模型构建与应用技巧
测绘技术中的数字高程模型构建与应用技巧概述:数字高程模型(Digital Elevation Model,简称DEM)是测绘领域中重要的数据产品之一,广泛应用于地质、地理、城市规划等领域。
本文将从数字高程模型的构建、质量控制与评估、应用技巧等方面进行论述,以帮助读者全面了解并运用数字高程模型。
一、数字高程模型的构建1.1 光学遥感数据的处理光学遥感数据包括航空摄影和卫星遥感影像,可通过影像配准、倾斜摄影测量与正射影像生成等步骤,提取地表的三维坐标信息。
1.2 激光雷达数据的处理激光雷达技术是一种主动遥感技术,能够高精度地获取地表点云数据。
通过点云去噪、配准、滤波、分类等处理,可构建数字高程模型。
1.3 数据融合与模型生成将光学遥感数据与激光雷达数据融合,利用多源数据的优势,结合数据校正、拼接、均匀化等步骤,生成高精度的数字高程模型。
二、数字高程模型质量控制与评估2.1 数据准确性评估通过野外控制测量,将实测高程与数字高程模型进行对比分析,评估模型的准确性。
2.2 分辨率评估数字高程模型的分辨率直接影响着模型表达的细节信息,根据应用需求评估和选择合适的分辨率。
2.3 坡度和坡向计算根据生成的数字高程模型,计算地表的坡度和坡向,为地理分析和规划提供支持。
三、数字高程模型的应用技巧3.1 地形分析与地貌研究数字高程模型可以反映地表的地形和地貌特征,通过高程剖面、坡度分析等手段,揭示地形变化和地貌演化过程。
3.2 洪水模拟与水资源管理基于数字高程模型,进行洪水模拟和预测,助力洪水防灾工作,并为水资源管理提供基础数据。
3.3 城市规划与交通建设数字高程模型可以为城市规划提供地形数据,辅助制定可持续发展战略。
同时,结合交通流模拟和道路设计,优化交通建设方案。
3.4 土地利用与农业生产利用数字高程模型进行土地资源调查和土地利用规划,为农业生产提供决策参考,提高农作物产量和土地利用效率。
结语:本文从数字高程模型的构建、质量控制与评估、应用技巧进行了综述,希望读者能够通过本文深入了解数字高程模型的概念、构建技术以及应用场景。
07 数字高程模型
渐进采样:先按预定的比较稀疏的间 隔进行采样,获得一个较稀疏的格网, 然后分析是否需要对格网加密
沿断面采集
数字摄影测量的DEM数据采集方式
•选择采样 :可根据 地形特征进行选择采样 •混合采样:将规则采样与选择采样结合起 来进行 •自动化 DEM 数据采集 : 按影像上的规则 格网利用数字影像匹配进行数据采集。
4. 空间传感器进行数据采集
利用GPS、雷达和激光测高仪等进行数据采集。 GPS的特点是: a.精度高 b.选点灵活,测站之间不需通视 c.全天候作业 d.可以单点作Light Detection and Ranging)
LIDAR
使用全球定位系统GPS、激光扫描、干涉雷 达等新型技术进行DTM/DEM数据采集是很 有发展前景的DTM/DEM采集方式,也不应 当忽视。 不论从何种数据源获取DTM/DEM数据,在 采集等高线或规则格网点的同时采集重要 的地形特征点线是保证DTM/DEM质量和提 高作业效率的重要的措施。 利用基于不规则三角网TIN的方法进行数据 建模和随机栅格转换,是快速可靠地生产 高精度格网DTM/DEM切实可行的方案。
8)生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等;
9)作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等,以进行 显示与分析; 10)与GIS联合进行空间分析; 11)虚拟现实(Virtual Reality); 此外,从DEM还能派生以下主要产品:平面等高线图、立体等高线图、等坡 度图、晕渲图、通视图、纵横断面图、三维立体透视图、三维立体彩色图等。
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
(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
第七章数字高程模型及其应用
数字高程模型及其应用
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
概述 数据预处理 数字高程模型数据内插方法 数字高程模型的数据存储 数字高程模型应用算法
概述
数 字 地 面 模 型 DTM ( Digital Terrain Model)Miller教授1956年提出 来。用于各种线路(铁路、公路、输电 线)的设计、各种工程面积、体积、坡 度的计算,任意两点间可视性判断及绘 制任意断面图。
建立误差方程式
vi X i A X iYi B Yi C X i D Yi E F Z i
2 2
由n个数据点列出误差方程:
V MX Z
v1 v2 V v n
A B X C F
军事上,用于导航及导弹制导; 在遥感中,可作为分类的辅助数据; 是GIS的基础数据,可用于土地利用现状的分析、合理规划、 及洪水险情预报; 工业上,可利用数字表面模型(DSM)绘制出表面结构复杂 的物体的形状。
六、数字地面模型的发展过程
50年代末概念形成 60-70年代对DTM的内插问题进行研究 70年代中、后期对采样方法进行研究
Grid-TIN混合网 德国Ebner教授等提出了 Grid-TIN混合形式的DEM, 一般地区使用矩形网数 据结构(根据地形采用 不同密度的格网),沿 地形特征则附加三角网 数据结构
矩形格网三 角同混合形 式DEM
数字高程模型的数据获取
为了建立DEM,必需量测一些点的三维坐标, 被量测三维坐标的这些点称为数据点。
DEM的数据采集,有野外常规数据采集、现有地形 图数字化、摄影测量法数据采集和由遥感系统直接 测得。
数字高程模型
3.3 等高线转换成格网DEM
由于现有地图大多数都绘有等高线,这 些地图便是数字高程模型的现成数据源, 可以通过数字化好的等高线数据插值得到 格网DEM。 一般有三种方法:
等高线离散化法
等高线内插法
等高线构建TIN法
3.3.1等高线离散化法
– 所谓的等高线离散化法,实际上就是用等高线
上的高程点插值,并将这些高程点看作是不规
规则格网模型DEM,可以很容易地用计算机进行处理, 特别是栅格数据结构的地理信息系统。它可以很容易地计
算等高线、坡度、坡向、山坡阴影和自动提取流域地形,
使它成为DEM最为广泛的使用格式,目前许多国家提供的 DEM数据都是以规则格网模型形式提供的。 以至于一提到DEM,人们往往认为就是规则格网DEM。 从目前的发展趋势看,DEM已经成为规则格网DEM的代
彩色地形图还应经色彩校正,使每幅图像的色彩基本一致。 数字栅格地图在内容上、几何精度和色彩上与国家基本比 例尺地形图保持一致。 应用领域:基础测绘、城市规划、国土资源调查、铁
路、公路、水利、电力、能源、环保、农业、林业、海洋、
电信等。
DLG
数字线划地图(Digital Line Graphic,缩写DLG)是
第七章 DEM与数字地形分析
表面分析
第一节
概述
地表形态的表达 ——从模拟到数字
早期由于测绘知识的缺乏,对地形表面形态的描述主要采 用象形绘图方法进行,例如山体用岩石堆符号表示,山体 范围用一系列的“鱼鳞”符号或类似锥形的符号表示。
17世纪以后,人们逐步意识到地面起伏变化对气温、植被、
环境等的深刻影响,对地面形态的表达成为人们愈来愈关 心的问题,因此以写景方式进行地形刻画成为这一时期的 主流,如先后出现的透视写真图、晕渲法、斜视区域图、 地貌写景图、地貌形态图等等。
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1 2
可任选其中n个为核函数的中心点 如果m n Pj(Xj,Yj) 令 各数据点应满足
(1)交换法 将数据按分块格网的顺序进行交换,使属 于同一分块格网的数据点连续存放在一片连续 的存储区域中,同时建立一个索引文件,记录 每一块数据的第一点在数据文件中的记录号, 由后一块数据第一点的序号减去该块数据第一 点的序号,就能得到这个块中数据点的个数, 从而迅速找出属于该块的所有数据点。 不需要增加存储量,但计算处理时间较多。
4.多面函数法内插
“任何一个圆滑的数学表面总是可以用一系列 有规则的数学表面的总和,以任意的精度进行 逼近。”即一个数学表面上某点(X,Y)处高 程Z的表达式为:
Z f ( X , Y ) a j q( X , Y , X j ,Y j )
j 1 n
a1q( X , Y , X1 , Y1 ) a2 q( X , Y , X 2 , Y2 ) an q( X , Y , X n , Yn )
X 1 Y1 X 2 Y2 X n Yn
Y1 2 Y22 Yn2
X1 X2 Xn
Y1 Y2 Yn
1 1 1 1
(4)计算每一数据点的权
权函数的含义:这里的权并不代表数据点的 观测精度,而是反映了该点与待定点相关的 程度。
1 Pi 2 di
R di Pi d i
2.线性内插
Y
Z a0 a1 X a2Y
1
P
2
3
X
Z 1 X a0 Y a1 a 2
Z1 1 X 1 Z 2 1 X 2 Z 1 X 3 3
Y1 a0 Y2 a1 Y3 a2
在遥感中可作为影像解译、遥感图像分类的辅助数 据。
我国DEM的建设情况
国家测绘局1994年建成了全国1:100万数字高程 模型数据库;1998年完成全国1:25万数字高程模型 数据库建设;1999年建设七大江河(松花江、辽河、 海河、黄河、淮河、长江、珠江)重点防范区1:1万 数字高程模型数据库;2002年建成全国1:5万数字高 程模型数据库;各省正在建立本辖区1:1万数字高程 模型数据库。
规则格网结构DEM的缺点:
不能准确表示地形的结构与细部;格网过于粗略, 不能精确表达某些重要的地形特征,如山峰、洼坑 、山脊、山谷等。 如不改变格网大小,则无法适用于起伏程度不同的 地区; 在地形简单、平坦的地区存在大量冗余数据;
2.不规则三角网DEM(TIN Triangulated Irregular Network ) 将按地形特征采集的点按一定规则连接成覆盖整个 区域且互不重叠的三角形,构成不规则的三角网表示的 DEM 。
2
Pi e
d i2 k2
R表示选点半径;D为待定点到数据点的距离 K为一个常数
(5)法化求解
X M PM M PZ
T T
1
系数F是待定点内插高程值ZP
移动曲面拟合法关键问题解决 圆半径的确定 动态圆半径法的基本思路:从数据点的平均 密度出发,确定圆内数据点(平均要有10 个,),以解求圆的半径
Xi Xi X P Yi Yi YP
(2)选取邻近数据点: 以待定点P为圆心,R为半径选点
di
X i2 Yi 2 R
(3)选取二次曲面为内插函数
Z AX BXY CY DX EY F
2 2
建立误差方程式
vi X i A X iYi B Yi C X i D Yi E F Zi
土木工程中:工程设计中的填、挖方计算,各种线 路设计及各种工程的面积、体积、坡度的计算,任 意两点间可视性判断及绘制任意断面图; 在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透 视图,制作正射影像图、进行地图的修测等。
在军事上可用于导航及导弹制导。
在工业上可利用DSM绘制出表面结构复杂的物体的 形状。 DEM是GIS的基础数据,可用于空间分析、三维可视 化、虚拟现实、土地利用现状的分析、规划、洪水 险情预报等;
二、常用的内插方法 1.移动曲面拟合法
原理:以待定点为中心,定义一个局部函数去拟 合其周围的数据点,进而求出待定点的高程。 常用于从离散的数据点生成规则格网DEM
Y
X
P
圆的半径R取决于原始数据点疏密程度和原始数 据点可能影响的范围。
P
移动曲面拟合法步骤
(l)建立局部坐标
计算以待定点P(Xp,Yp)为原点的坐标
6. 子区边界提取 根据离散点内插规则格网DEM,通常将地面 看作光滑的连续曲面,但地面并不光滑,因此 需要将地面分成若干子区,使每个子区的表面 成为一个连续光滑曲面。应该采用相应的算法 提取这些子区的边界。
7.3 DEM内插方法
一、DEM内插的概念 1.定义 DEM内插就是根据参考点的高程求出其 它待定点的高程。 内插的理论基础:原始地形起伏变化的连续 光滑性,或相邻数据点间存在很大的相关性。
具体做法:在每一个数据点上建立一个曲面,然后在Z方 向上将各个曲面按一定比例叠加成一张整体连续曲面,使 其严格通过各个数据点。
核函数
qX , Y , X j , Yj X X j Y Y j
2
1 2 2
或
qX , Y , X j , Y j X X j Y Y j
2 2
由n个数据点列出误差方程:
V MX Z
v1 v2 V v n
A B X C F
P
z1 z2 Z z n
X 12 2 X2 M X2 n
j
Pij
X i X 0 i x Y j Y0 j y
(Hale Waihona Puke 0 Y0)iX规则格网DEM的优点:
数据量小,便于使用与管理。可以很容易地用 计算机进行处理,特别是栅格数据结构的地理信息 系统。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、 山坡阴影和自动提取流域地形,使得它成为DEM最 广泛使用的格式,目前许多国家提供的DEM数据都 是以规则格网的数据矩阵形式提供的。
当四个点为正方形排列时,设以A为原 点,P相对于A的坐标为X,Y,则有:
X Y X Y Y X X Y Z P 1 1 Z A 1 Z B ZC 1 Z D L L L L L L L L
7.2 DEM数据预处理
1. 数据格式的转换 数据采集的软、硬件不同,格式也可能不同。 需要转换成要求的数据格式。 2. 坐标系统变换 将数据变换成地面坐标系中,地面坐标系一般 采用国家坐标系,也可采用局部坐标系。 3. 数据编辑 剔除错误、重复、过密的点;补测点
4. 栅格数据与矢量数据的转换 扫描的图是栅格形式,须经过二值化处理, 再经过滤波或形态学处理,并进行边缘跟踪,
R 2 10 A N
A----总面积
N---总点数
移动曲面拟合法注意事项
•对点的选择除满足n>6外,应保证各个象 限都有数据点, •当地形起伏较大时,半径R不能取得很大。
•当数据点较稀或分布不均匀时,利用二次 曲面移动拟合可能产生很大的误差 ,可采 用按方位取点法
按方位取点法
通过以上过程,总结DEM内插的步骤: 1)选用合适的数学模型; 2)利用已知数据点求模型中的参数; 3)根据模型求待定点的高程。
优点:能准确表示地形 的结构与细部 缺点:数据量大,数据 结构复杂,使用与管理 较复杂
3. 混合形式的DEM
德国Ebner教授提出了Grid-TIN混合形式的DEM,即 一般区域使用矩形格网数据结构,沿地形特征则附加三 角网数据结构。
四、DEM的建立过程
数据采样 按一定的数据采集方法,在测区内采集一 定数量离散点的平面位置和高程,称为控 制点(也称为数据点或参考点)。 数据处理 以采集到的数据点为控制基础,用某种数 学模型拟合,内插大量的点,以获得符合 要求的DEM; 数据记录 按一定的格式记录于存贮器内。
第七章 数字地面模型及其应用
7.1
7.2
概述
DEM数据的预处理
7.3
7.4 7.5
数字高程模型内插方法
数字高程模型的数据存储 数字高程模型的应用
7.6
三角网数字地面模型
7.1 概述
一、数字地面模型的含义(DTM)
DTM是以数字形式描述地球表面形态多种信息(地 形、资源、人口分布、环境、土地利用等等)空间分 布的有序阵列 。简单地说,数字地面模型是地表形态 多种信息的数字表示。 从数学角度看,可用如下公式表示:
获取等高线上按顺序排列的点坐标,即换成矢
量形式。
5. 数据分块
数据采集方式不同,数据的排列顺序也不同。
一般情况下,为了保证分块单元的连续性,相 邻单元间要有一定的重叠度。
数据分块方法: (1)先将整个区域分成等间隔的格网 (通常比DEM格网大) (2)将数据点按格网进行存储 交换法 链指针法
五、DEM数据点的获取方法
1. 由现有地形图上获取:通常采用扫描装置获取 手扶跟踪数字化仪 扫描数字化仪 2. 摄影测量方法获取 3. 野外实地测量 4. 遥感系统,如GPS、激光测高仪直接获取
六、数字地面模型的发展过程
50年代末概念形成 60-70年代对DTM的内插问题进行研究
分块
逐点内插法
以每一待定点为中心,定义一个局部函数 去拟合周围的数据点。逐点内插法十分灵 活,精度较高,计算方法简单又不需很大 的计算机内存,但计算速度可能比较慢
DEM内插主要思路:选择一个合理的 数学模型,利用已知点上的信息求出数 学模型中的待定参数,再内插出待定点 的高程。 关键:使用的插值函数及待定点邻域 的确定。