数字高程模型 第三章 DEM数据获取方法

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。
3.3 DEM数据采样策略与方法
3.3.1采样方法 1.沿等高线法：采样时将Z轴固定，即固定高程
值眼等高线采集高程点。平坦地区不宜使用。
2.பைடு நூலகம்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，在立体模型上两侧这些格网 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。
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
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。
5 . 地貌单元类型 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）。
3.2.3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。
数字高程模型
第三章 DEM数据获取方法
3.1DEM的数据来源
3.1.1DEM的数据来源 1.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。 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 （LandSat的MSS、TM和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。
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。
4.雷达测量数据采集 合成孔径雷达干涉测量InSAR 机载激光雷达（机载激光扫描）LIDAR 主动遥感测量，周期短，精度高，高程精度可达 到10cm，空间分辨率达到1米。 通过对获取的三维坐标数据进行滤波、分类等 （剔除不需要数据），进行建模，即可得到 DEM数据。
3.3.3DEM数据采集方法的对比 1.选择数据采集方法考虑的因素 目的和需求、DEM精度、所需设备条件、拥 有的经费等。
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。 若在第一轮粗略采样中丢失某些相关特征，不可 能在后轮中恢复。
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；
2.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：纸质地形图制作工艺复杂，更新周期比 较长，经济发达地区比落后（或山区）更明显； 地形图存储介质：传统地形图多为纸质存储介质，受环境 影响易变形； 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。不同比例尺的地形图，其所表示的几何精 度和内容详细程度有很大的差别。地形图比例尺越小，对 地形的综合程度就越大，所表示的地形就越概括和近似， 反之亦然。
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采样的理论背景 理论上：点—0维，无大小—地表全部几何信息包 含无数个点—不可能获取地表全部信息 实践上：不需要DEM表达全部信息—测量表达相 应地表所需要的数据点—达到地形表面精度和可 信度即可。 如何用有限的地面高程点来表达完整的地形表面： 采样理论—由采样数据获得的格网点信息仅仅能 表述那些波长大于2倍采样间隔的信息。
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。
DEM是采样数据的最终表现形式和产品，从 原始数据到DEM，要经过一系列的数据处理， 在这一过程中原始数据中的误差会被传播和 放大。 DEM用户应把重点放在数据来源和输入质量 控制上，而不是学习复杂的内插方法。
影响DEM 精度的因素还包括DEM 内插方 法、有无顾及特征线、DEM 分辨率大 小等，但是，减少数据采集时的误差是保证
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
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。
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。
3.3.2DEM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.数据采集方法对比
方法 地形图 手扶跟踪 扫描矢量化 速度 适用范围 慢 小 较快 小 高程数据精度 低 较低 采集成本 低 最低
摄影测量 航空航天摄 影
地面摄影 野外测量
快
最大
普通遥感精度低 机载激光扫 机载激光扫描和 描和干涉雷 干涉雷达精度高 达最高
高 最高 高 高
快
较大
最慢 最小
3.4 DEM数据采集质量控制
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。
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 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
3.2.2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%。