9DEM与数字地形分讲解课件

第九章 DEM与数字地形分析城乡规划与园林一 地表形态表达：从模拟到数字二 数字高程模型三 数字地形分析第9章 DEM与数字地形分析一 地表形态表达:从模拟到数字象形绘图法数字高程模型地貌晕渲地形图 写景表示法等高线图示法影像一 地表形态表达：从模拟到数字二 数字高程模型三 数字地形分析第9章 DEM与数字地形分析 二 数字高程模型（一）DEM：概念与理解（二）DEM信息特征（三）DEM主要研究内容（四）DEM的构建技术1 DEM的概念2 DEM的类型3 DEM的特点（一）DEM：概念与理解传统的高程模型等高线地形图数字高程模型狭义：DEM是区域地表面海拔的数字化表达。广义：DEM是地理空间中地理对象表面海拔的数字化表达。传统的高程模型数字高程模型*数字化：*离散化：*结构化：1 DEM的概念当高程数据用计算机来表达时，称为数字高程模型。地表面地理对象表面计算机只认数字，模拟数据必须数字化。计算机容量有限，采样须离散化。有限的高程数据按一定的规则进行组织，才可重建。数学意义上的数字高程模型是定义在二维空间上的连续函数H=f(x,y).DEM定义为区域D的采样点或内插点Pj按某种规则连接成的面片M的集合：DEM=Mi=(Pj)Pj(xj,yj,Hj)D,j=1,2,n;i=1,2,m 式中，xj,yj为Pj点的地理坐标；Hj为Pj点的高程。连接规则构成DEM的数据结构，可以是呈规则分布的格网或不规则分布的格网。当为正方形格网时，这时的DEM称为基于格网的DEM（Grid based DEM)。由于正方形格网的规则性，格网点的平面位置(x,y)隐含在格网的行列号（i,j)中而不记录，此时的DEM就相当于一个n行m列的高程矩阵：当为三角形时，实质上是用互不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形网络逼近表面。这时的DEM称为基于不规则三角网的DEM（irregular triangulated netword based DEM,TIN based DEM)。2 DEM的类型数字高程模型范围局部DEM地区DEM全局DEM连续性光滑DEM不连续DEM连续DEM结构点：线面等高线结构断面结构规则结构不规则结构正方形格网结构正六边形格网结构其他格网结构不规则三角网四边形散点结构（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 数字高程模型的特点（二）DEM信息特征DTM（Digital Terrain Model)数字地面模型4D ProductionDRG-Digital Raster Graphic 数字栅格地图DLG-Digital Line Graphic 数字线划地图DEM-Digital Elevation Model 数字高程模型（三）DEM主要研究内容（四）DEM的构建技术格网DEM建立流程(五）五）DEMDEM的应用的应用1、基于DEM的信息提取2、等高线的绘制3、基于DEM的可视化分析1、三维景观2、数码城市和虚拟现实3、DEM在工程上的应用概述应用：应用算法：三维景观三维景观数码城市和虚拟现实数码城市和虚拟现实City ModelDOMDEMDLGAttribute RDBDOM（数字正射影像图）（数字正射影像图）DEM（数字高程模型（数字高程模型)数字线划图数字线划图DLG数字栅格地图数字栅格地图DRG 数码深圳数码深圳DEM+DOM+DLG交通行业：数字公路交通行业：数字公路（交通部公路勘测设计院）（交通部公路勘测设计院）（交通部公路勘测设计院）（交通部公路勘测设计院）DEMDEM的土石方计算的土石方计算立体计算线路挖土、石方量立体计算线路挖土、石方量一 地表形态表达：从模拟到数字二 数字高程模型三 数字地形分析第9章 DEM与数字地形分析（一）基本因子分析（二）地形特征分析（三）流域分析（四）可视性分析三 数字地形分析（一）基本因子分析1 微观地形因子2 宏观地形因子坡度、坡向、地面曲率。地形起伏度、地形粗糙度、地表切割深度。坡度坡度(degree of slope)(degree of slope)：即：即水平面与地形面之间夹角。水平面与地形面之间夹角。坡度百分比（坡度百分比（percent percent slopeslope）：既高程增量：既高程增量（riserise）与水平增量）与水平增量（runrun）之比的百分数。）之比的百分数。概念：概念：概念：概念：地表面任一点的坡度是指过该点的切平地表面任一点的坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角。面与水平地面的夹角。两种表示方式：两种表示方式：1 微观地形因子坡度坡度的计算：e5e2e6e1ee3e8e4e7fx为X方向上高程变化率，fy为Y方向上高程变化率。fx、fy的计算如下：算法算法1 1：算法算法2 2：坡度的计算(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRS又：又：又：又：所以所以所以所以：概念：概念：概念：概念：地表面一点的切平面的法地表面一点的切平面的法线线矢量矢量n n在水平在水平面的投影面的投影xoyxoy与与过该过该点正北方向的点正北方向的夹夹角。角。1 微观地形因子坡向坡向的计算坡向的计算坡向 QO与X轴之夹角T为坡向角(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRS坡向坡向地理坡向地理坡向0 022.522.5北北N N454522.522.5东北东北NENE31531522.522.5西北西北NWNW909022.522.5东东E E27027022.522.5西西W W13513522.522.5东南东南SESE22522522.522.5西南西南SWSW18018022.522.5南南S S-1-1不存在不存在注：适用于北半球，南半球则正好相反N=0NE=45E=90SE=135S=180SW=225W=270NW=315坡向地理意义阴坡阳坡半阴坡半阴坡半阳坡半阳坡 地面曲率是对地形表面一点扭曲变化程度的定量化度量因子。平面曲率平面曲率 -Horizontal curvature、Plan curvature 剖面曲率剖面曲率 -Vertical curvature、Profile curvature1 微观地形因子地面曲率平面曲率平面曲率地形表面上任何一点地形表面上任何一点P P，指用过该点的水，指用过该点的水平面沿水平方向切地形表面所得的曲线在该点的曲率值。平面沿水平方向切地形表面所得的曲线在该点的曲率值。对高程值在对高程值在对高程值在对高程值在x x方向上的变化率进行方向上的变化率进行方向上的变化率进行方向上的变化率进行y y方向上求算变方向上求算变方向上求算变方向上求算变化率，即化率，即化率，即化率，即x x方向高程变化率在方向高程变化率在方向高程变化率在方向高程变化率在y y方向的变化率；方向的变化率；方向的变化率；方向的变化率；分别为分别为分别为分别为x x、y y方向高程变化率。方向高程变化率。方向高程变化率。方向高程变化率。对高程值在对高程值在对高程值在对高程值在x x、y y方向上的变化率进行同方向求算变化率方向上的变化率进行同方向求算变化率方向上的变化率进行同方向求算变化率方向上的变化率进行同方向求算变化率剖面曲率剖面曲率对地面坡度的沿最大坡降方向地面对地面坡度的沿最大坡降方向地面高程变化率的度量高程变化率的度量 平平2 宏观地形因子地形起伏度 在所指定的分析区域内所有栅格中最大高程在所指定的分析区域内所有栅格中最大高程与最小高程的差。与最小高程的差。最佳分析区域的确定最佳分析区域的确定是地形起伏度提取算法中的核心步骤和决定区域地形起伏度提取效果与有效性的关键。2 宏观地形因子地表粗糙度 反映地表的起伏反映地表的起伏变变化和侵化和侵蚀蚀程度的宏程度的宏观观指指标标。定定义为义为地表地表单单元的曲面面元的曲面面积积S S曲面与其在水平曲面与其在水平面上的投影面面上的投影面积积S S水平之比。水平之比。R=SR=S曲面曲面 /S/S水平水平 实现步骤：实现步骤：实际应用时，当分析窗口为实际应用时，当分析窗口为3*33*3时，可采用时，可采用以下公式近似计算。以下公式近似计算。1 1、根据、根据DEMDEM提取坡度因子提取坡度因子S S；2 2、粗糙度：、粗糙度：R=1/cos(S)R=1/cos(S)2 宏观地形因子地表切割深度 地面某点邻域范围的平均高差与该邻域范围内的最小高差的差值。Di=Hmean-Hmin Di为地面每一点的地表切割深度；Hmean为一个固定分析窗口内的平均高程；Hmin为一个固定分析窗口内的最低高程。1 地形特征点的提取2 山脊线和山谷线的提取（二）地形特征分析 对地形在地表的空间分布特征具有控制作用的点、线和面状要素。构成地表地形与起伏变化的基本框架。1 地形特征点的提取山顶点（peak）凹陷点（pit）脊点（ridge）谷点（channel）鞍点（pass）平地点（plane）利用DEM提取地形特征点，可通过一个33或更大的栅格窗口，通过中心格网点与8个邻域格网点的高程关系来进行判断；在一个局部区域内，用x方向和y方向上关于高程z的二阶导数的正负组合关系来判断 地形特征点类型的判断表n n（Z Zi i,j j-1-1 Z Zi i,j,j）（）（）（）（Z Zi i,j j+1+1 Z Zi i,j j）00（1 1）当）当Z Zi i,j j+1+1 Z Zi i,j j 则则VRVR（i i,j j）=-1=-1（2 2）当）当Z Zi i,j j+1+1 0 0（3 3）当）当Z Zi i+1+1 Z Zi i,j j 则则VRVR（i i,j j）=-1=-1（4 4）当）当Z Zi i+1+1 Z Zi i,j j 则则VRVR（i i,j j）=1=1n n公式公式(1),(4)(1),(4)或或(2),(3)(2),(3)同同时时成立，成立，则则VRVR（i i，j j）=2=2，以上条件都，以上条件都不成立，不成立，则则VRVR（i i，j j）=0=0；(i,j)(i-1,j-1)(i-1,j)(i-1,j+1)(i,j+1)(i+1,j+1)(i+1,j)(i+1,j-1)(i,j-1)差分算法示意图在一个在一个3333的栅格窗口中，也可以直接利用中心格网点的栅格窗口中，也可以直接利用中心格网点与与8 8个邻域格网点的高程关系来进行判断地形特征点：个邻域格网点的高程关系来进行判断地形特征点：山顶点的提取方法：窗口分析法 基于反地形DEM的提取算法 窗口分析法计算局部窗口内最大高程值地图代数运算：局部最大高程-DEM=0处即为潜在的山顶该算法存在的问题：难以顾及地形的整体变化,很难去除噪音,往往存在较大的不确定性。对窗口分析法的改进：基本思想：山顶点分布在独立存在的自封闭等高线圆内,该圆内不再有其它等高线。提取独自封闭的等高面（显示的为部分）独自封闭的等高面与潜在山顶点叠加 基于反地形DEM的提取算法 反地形DEM(Reverse DEM,缩写为R-DEM),是指以某一水平面为基准,原始DEM所描述的地面经过完全翻转所构成的数字高程模型。DEM与R-DEM示意图算法提取流程图2 山脊线和山谷线的提取山谷线山脊线山脊线与山谷线 （1 1）基于图像处理的方法；基于图像处理的方法；（2 2）基于地形曲面几何分析的原理；基于地形曲面几何分析的原理；（3 3）基于地形曲面流水物理模拟分析的原理；基于地形曲面流水物理模拟分析的原理；（4 4）基于地形曲面几何分析和流水物理模拟分基于地形曲面几何分析和流水物理模拟分 析相结合的原理；析相结合的原理；2 山脊线、山谷线的提取基于地形曲面几何分析地形曲面几何分析提取的山脊线基于地形曲面流水物理模拟提取的山脊线和山谷线基于地形曲面流水物理模拟提取的山脊线和山谷线 1 流域定义 2 流域提取（三）流域分析1 流域定义流域结构示意图流域结构示意图子流域subbasin流域水系网络Stream networks流域出水口（outlet）流域界线（basin boundary）主河道（main channel）支河道（tributary）2 流域提取步骤：（1）DEM洼地填平（fill)（2）水流方向的确定(flow direction)（3）水流累计矩阵生成（flow accumulation)（4）流域网络提取（stream networks)（1）DEM洼地填平（fill)由于数据噪声、内插方法的影响，DEM数据中常常包含一些“洼地”，“洼地”将导致流域水流不畅，不能形成完整的流域网络。洼地填充原始DEM（2）水流方向的确定(flow direction)最大坡降算法最大坡降算法D8算法算法326412816K1842 Slope=Dz/Di 式中:Slope为两个栅格之间的坡降；Dz为两个栅格单元之间的高程差；Di为两个栅格单元中心之间的距离。78726971584974675649465069534437384864585522312468614721161974533412111222244822244811248412812812482214441111416原始原始DEMDEM矩阵矩阵水流方向矩阵水流方向矩阵水流方向提取水流方向提取326412816K1842水流方向（3）水流累计矩阵生成（flow accumulation)水流累计矩阵：指流向该格网的所有上游格网单元的水流累计量（以格网单元的数量或面积计）。22244822244811248412812812482214441111416000000011220037540000200100012400247352水流方向矩阵水流方向矩阵汇流累积量矩阵汇流累积量矩阵汇流累积量提取326412816K1842（4）流域网络提取（stream networks)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。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。1 通视性分析（Line of sight）显示两点之间的通视情况，从而判断从一个观察点是否显示两点之间的通视情况，从而判断从一个观察点是否可以看到目标物，回答了可以看到目标物，回答了“从这里我可以看到哪个目标从这里我可以看到哪个目标？”的问题的问题。2 可视域分析（Viewshed Analysis）确定了从一个或多个观察点可以观测到的区域。回答了确定了从一个或多个观察点可以观测到的区域。回答了“从这里我可以看到什么？从这里我可以看到什么？”的问题。的问题。（四）可视性分析1 通视性分析BA2 可视域分析