数字地面模型及其应用.ppt

第七章 数字地面模型及其应用 7.1 数字地面模型的概念 7.2 DEM常用数据模型 7.3 DTM数据的采集 7.4 DEM模型的建立 7.5 地形三维可视化 7.6 DTM的应用 7.1 数字地面模型的概念 地理空间实质是三维的 ， 只是人们通常在二维地理空间上描述 和分析空间的分布 。 如专题图大多数是平面图 。 DTM模型 （ Digital Terrain Model) 于 50年代由 MIT摄影测量 实验室提出 ， 是用数字形式描述地形表面的模型 。 实质上这是 对地面形态和属性信息的数字表达 。 当 DTM模型中数字属性为高程时称数字高程模型 ， 即 DEM模型 （ Digital Elevation Model)。 DEM模型是 DTM模型的一种特 例 。 从测绘的角度看 ， DEM模型是新一代的地形图 ， 它通过存 储在介质上的大量地面点空间数据和地形属性数据 ， 以数字形 式来描述地形地貌 。 7.2 DEM的常用数据模型 一、 规则格网（ grid)模型 1、 模型的表示 Z11 Z12 Z13 Z1n DTM = Z21 Z22 Z23 Z2n ZM1 ZM2 ZM3 ZMn 平面上的任意一点 Zij的坐标为 x i yi， 其中 x i=x0 +i dx yi = y0 +j dy dx,dy 分别是格网在 x和 y方向上的间隔； nx, ny分别为 x 和 y方向上的格网数； i=0, 1, 2 . nx - 1; j= 0, 1 , 2 ny - 1 ; 2、格网的含义 用规则采样点，或把不用规则采样点内插成规则点，以矩阵形 式来表地面形状。它已成为栅格数据结构中 DTM的通用形式。 3、格网的生成 内插方法： 1）距离加权法 2）双线性插值法 3）趋势面插值法 4）样条插值法 5）克吕格插值法 4、规则格网模型的优缺点 优点 1）数据结构简单，算法实现容易。 2）容易计算等高线、坡度、坡向、自动提取地域地形等。 缺点 1）数据量大； 2）对不同地形采用一律平等的规则格网，不利于表示复杂地形。 二、不规则三角网 (Triangulated Irregular Network TIN）模型 1、 模型的表示 点文件 三角形文件 点号 坐标点 三角形号 顶点 邻接三角形 N1 X 1 Y1 Z1 T1 N1 N5 N6 T2 T5 / N2 X 2 Y2 Z1 T2 N1 N4 N3 T1 T3 T6 N3 X 3 Y3 Z1 T3 N1 N2 N4 / T4 T2 N4 X 4 Y4 Z4 T4 N2 N3 N4 T3 / T8 N5 X 5 Y5 Z5 T5 N8 N5 N6 T1 / T6 N6 X 6 Y6 Z6 T6 N4 N5 N8 T2 T5 T7 N7 X 7 Y7 Z7 T7 N4 N7 N8 T6 T8 / N8 X 8 Y8 Z8 T8 N3 N4 N7 T4 T7 / T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 N1 N6 N2 N8 N7 N 3 N4 N5 2、不规则三角网规则的生成 3、不规则三角网规则格网模型的优缺点 不规则三角网 模型的优点： 1）克服栅格数据中的数据允余问题 2）可充分表示复杂的地形特征，它能适应起伏不同的地形，用大 量三角形地面形态效率高，数据精度高。 不规则三角网 模型的缺点： 1）算法实现复杂，由于形成三角网 方法不同有不同算法 2）对特殊的地形线要调整 7.3 DTM数据的采集 1、 DTM数据源的种类 1）航空航天遥感影像为数据源 2）以地形图为数据源 3）以地面实測记录为数据源 4）其它数据源 2、 DTM数据源的采集 1）数据采集的方法 2）数据采集的原则 3、数据采集的后处理 采集的 DEM数据必需进行后处理方可应用，后处理包括： 1）格式转换 2）坐标转换 3）数据编辑处理 4 ) 数据分块 4、数据密加的增加和插值 数据加密和插值的核心问题是确定内插方法，任何一种内插方法都 是基于原始函数光滑性，也就是说认为临近数据点之间存在很大的 相关性。 7.4 DTM模型的建立 这里举例说明用地形图生成格网 DEM 扫描仪扫入地形图 预处理获得二值等值线 细化二值等高线图 跟踪赋值高程值 插值生成 DTM数据 显示三维地面模型 7.5 DTM模型的可视性化 在 GIS的发展历程中，一开始就十分重视利用计算机技术，实现 空间数据的图形显示和分析。以充分直观的表示空间数据处理分析 的结果。因此，从某种意义上说 GIS的可视化研究早于科学计算可 视化的研究。 一、地形三维显示的步骤 1、获取地形数据 2、生成数据高程模型 3、进行可视化处理 4、进行三维显示 二、 GIS可视化研究的几个技术 地形三维可视化的主要内容： 1）建立数字高程模型； 2）图形的投影变换技术； 3）图形的消隐技术和裁剪技术； 4）光照模型和彩色合成技术。 三、地形三维显示的方式 1、线框法 通过物体的三维边缘框架来表示物体的几何形状。即将地物表面 按一定间隔获取数据点，连成折线或曲线，经投影变换后显示。 2、表面法 线框法用地物的边线来显示表面形状。 表面法将整个数据模型看作一个大的复杂空间曲面，来显示地物 表面形状。具体安排时将表面分成很多格网以此为面元，作为基 本单元进行处理。面元具有各自的属性可独立进行填充消阴显示。 3、体素法 体素法具有真正意义上的三维显示，它将空间物体分成很多的体 元素，如长方体、台面体，作为基本单元进行处理。体元具有真 三唯特性。 四、 地形的三维叠置技术 1）点要素和三维地形的叠置 2）线要素和三维地形的叠置 3）面要素和三维地形的叠置 五、 DTM模型的可视化分析 1、通视性分析 两点之间的通视性（ intervisibility)指在 A点是否能看到 B点。常用的方法： 1）剖面线分析法 2）射线追踪分析法 A B A B B A C 2、可视域分析 7.6 DTM模型的应用 一、 DTM模型在地图制图中的应用 二、 DTM模型在地形分析中的应用 1、用 DTM模型定义坡度和坡向 坡度定义为地形表面和水平面之间夹角的正切值； 坡向定义为地形表面法线在水平面上的投影与正北方向之间夹角。 阴 阴 半阴 半阴 半阳 半阳 阳 阳 坡度的定义 坡向的定义 坡度角 法线 地面 2、用 DTM模型计算坡度和坡向 坡度和坡向的计算通常使用 3*3的窗口，将其在 DEM高程矩阵中连续移动，从 而完成整幅图的计算 Z 2 Z 2 x y Z Z i,j+1 - Z i,j-1 x = 2 x Z Z i+1,j - Z i-1,j y = 2 y x y 分别是格网在 x方向和 y方向上间隔 坡向 Dir= -Z y 坡度 =tg = i-1 j-1 i-1,j i-1,j+1 i+1 j-1 i+1,j i+1,j+1 i j-1 i,j i,j+1 Z / x =tgA - A 0 AND ( Zi-1,j - Zi,j )* ( Zi+1,j - Zi,j) 0 AND Zi,j+1 Zi,j AND Zi+1,j Zi,j 2) 脊点 满足下面 4个条件 ( Zi,j-1 - Zi,j )* ( Zi,j+1 - Zi,j) 0 AND ( Zi,j-1 - Zi,j )* ( Zi+1,j - Zi,j) 0 AND Zi,j+1 Zi,j AND Zi+1,j Zi,j 3) 沟谷密度 D = L/ A 其中 A是区域的面积； L是区域内沟谷总长度。 4) 沟谷深度 i,j-1 i,j i,j+1 i-1,j-1 i-1,j i-1,j+1 i+1,j-1 i+1,j i+1,j+1 三、 DTM模型的应用例 1、 DTM模型在土方计算中的应用 平整高度 填充高度 hi hi N i=1 N h1 h2 h3 2、 DTM模型对地表形态进行自动分类 首先确定用 DTM模型对地表形态进行自动分类的决策条件。 如 平地 丘岗 丘陵 低山 中山 绝对高度（ H/M） 800 相对高度（ H/M） 200 200 坡度（度） 3 建立 DEM模型 自动获取 H、 H、 M、 坡度、坡向 决策条件 自动分类 3、 淹没模型及淹没边界的计算 1、建立该地区的 DTM模型 2、根据 DTM模型和洪水量计算淹没高度；或根据实测水位数据在 DTM模型上标志淹没边界， Zij = 从而得到新的图形。 、将该地区的土地利用图同淹没边界图叠合找出 Zij的各类土 地，得到土地淹没区图和土地未淹没区图。 、统计出淹没带来申失。 1 当 Zij HZ 淹没 0 当 Zij HZ 未 淹没