chapter2数字高程模型的采样理论教学课件

chapter2数字高程模型的采样理论数字高程模型的采样理论51、没有哪个社会可以制订一部永远适用的宪法，甚至一条永远适用的法律。杰斐逊52、法律源于人的自卫本能。英格索尔53、人们通常会发现，法律就是这样一种的网，触犯法律的人，小的可以穿网而过，大的可以破网而出，只有中等的才会坠入网中。申斯通54、法律就是法律它是一座雄伟的大夏，庇护着我们大家；它的每一块砖石都垒在另一块砖石上。高尔斯华绥55、今天的法律未必明天仍是法律。罗伯顿 坡度（坡度（slope）是地表单元陡缓的程度，通常把坡面）是地表单元陡缓的程度，通常把坡面的铅直高度的铅直高度h和水平宽度和水平宽度l的比叫做坡度（或叫做坡的比叫做坡度（或叫做坡比）用字母比）用字母i表示。表示。坡度的表示方法有百分比法、坡度的表示方法有百分比法、度数法、密位法和分数法四种，其中以百分比法和度数法、密位法和分数法四种，其中以百分比法和度数法较为常用。度数法较为常用。(1)百分比法百分比法 表示坡度最为常用的方法，即两点的表示坡度最为常用的方法，即两点的高程差与其水平距离的百分比，其计算公式如下：高程差与其水平距离的百分比，其计算公式如下：坡度坡度 (高程差高程差/水平距离水平距离)x100%使用百分比表示使用百分比表示时，时，即：即：i=h/l100 例如：坡度例如：坡度3%是指水平距是指水平距离每离每100米米,垂直方向上升垂直方向上升(下降下降)3米米；1%是指水平是指水平距离每距离每100米米,垂直方向上升垂直方向上升(下降下降)1米米。(2)度数法度数法 用度数来表示坡度，利用反三角函数计用度数来表示坡度，利用反三角函数计算而得，其公式如下：算而得，其公式如下：tan(坡度坡度)高程差高程差/水平水平距离距离地面粗糙度表达因子地面粗糙度表达因子-坡度，高度，坡长坡度，高度，坡长地形表面粗糙度和复杂程度的参数地形表面粗糙度和复杂程度的参数坡度坡度 这里里,指指坡坡度度角角的的平平均均值值，H是是描描述述地地形形的的高高度度，理解为振幅，理解为振幅，W是坡长是坡长结论：结论：（1 1）坡度是地表形态最为重要的因子，通过坡度可以）坡度是地表形态最为重要的因子，通过坡度可以完整地形成地形曲面完整地形成地形曲面（2 2）坡度通过相互垂直的两个坐标轴方向的高程变化）坡度通过相互垂直的两个坐标轴方向的高程变化表达地形曲面局部单位的倾斜程度。表达地形曲面局部单位的倾斜程度。（3）坡度是地形曲面函数一阶微分的函数，表达了高坡度是地形曲面函数一阶微分的函数，表达了高程随距离变化的比率。坡度的变率是地形曲面的二阶微程随距离变化的比率。坡度的变率是地形曲面的二阶微分，进一步刻画了坡度的变化，从而反映地形的复杂程分，进一步刻画了坡度的变化，从而反映地形的复杂程度。度。（4 4）区域）区域DEMDEM高程精度与平均坡度值之间存在强相关，高程精度与平均坡度值之间存在强相关，通过模型的平均坡度可预测通过模型的平均坡度可预测DEMDEM的精度的精度（Ackermann,1979Ackermann,1979）从形态学观点看，地形表面的各种形态从形态学观点看，地形表面的各种形态可以用坡度角变化来定义可以用坡度角变化来定义 地表坡度的变化（山顶点，谷底点，凸起点，凹点）地表坡度的变化（山顶点，谷底点，凸起点，凹点）2 根据坡度的地面分类根据坡度的地面分类平均坡度平均坡度:为等高距，为等高距，为测区等高线总长度，为测区等高线总长度，为测区面积为测区面积2.3 2.3 地面采样的理论基础地面采样的理论基础地形剖面：地形剖面：此剖面可用一系列正弦波和余弦波的和来表示此剖面可用一系列正弦波和余弦波的和来表示 波束最大波束最大频率率值F F（即有某一段波的周期最小）即有某一段波的周期最小）1 1 采样的理论背景采样的理论背景2 基于不同观点的采样基于不同观点的采样基基于于不不同同的的采采样样观观点点，可可以以设设计计并并评评估估不不同同的的采采样样方方法法，具体以下三种具体以下三种:基于统计学观点的采样基于统计学观点的采样statistics-based基于几何学观点的采样基于几何学观点的采样geometry-based基于地形特征的采样基于地形特征的采样feature-based2.4 数据采样策略数据采样策略 u 1 沿等高沿等高线采采样 在地形复在地形复杂的陡峭地区，采用沿等高的陡峭地区，采用沿等高线跟踪的方式跟踪的方式进行数据采集；而在平坦的地区，行数据采集；而在平坦的地区，则不宜沿等高不宜沿等高线采采样。u 2 规则格网采格网采样 通通过规定定X和和Y轴方向的方向的间距来形成平面格网，在距来形成平面格网，在立体模型上量立体模型上量测这些格网点的高程。些格网点的高程。规则格网采格网采样能确保所采集数据的平面坐能确保所采集数据的平面坐标具有具有规则的格网形式。的格网形式。u 3 剖面法剖面法l 格网法中量格网法中量测点是在格网的两个方向上都点是在格网的两个方向上都规则采采样，而在剖面法中，数据采而在剖面法中，数据采样时将将X或或Y轴之一固定，只沿之一固定，只沿一个方向即剖面方向上采一个方向即剖面方向上采样。l 在剖面法中，通常情况下点以在剖面法中，通常情况下点以动态方式量方式量测，而不象，而不象在在规则采采样中以静中以静态方式方式进行。所以剖面法采行。所以剖面法采样速度速度较快，精度快，精度较低。低。u 4 渐进采采样l随着地形复随着地形复杂程度的程度的变化合理的分布采化合理的分布采样点，点，小区域的格网小区域的格网间距逐距逐渐改改变，而采，而采样也由粗到精也由粗到精地逐地逐渐进行。行。l 渐进采采样能解决能解决规则格网采格网采样方法所固有的数方法所固有的数据冗余据冗余问题，但仍然存在一些缺点：，但仍然存在一些缺点：1）在地表突）在地表突变邻近区域内的采近区域内的采样数据仍有数据仍有较高的冗余高的冗余度；度；2）有些相关特性在第一）有些相关特性在第一轮粗略采粗略采样中有可能中有可能丢失，并失，并且不能在其后的任一且不能在其后的任一轮采采样中恢复；中恢复；3）跟踪路径太）跟踪路径太长，导致致时间效率降低。效率降低。u5 选择性采性采样l 根据地形特征根据地形特征进行行选择性采性采样，如山脊，如山脊线、山谷、山谷线、断裂断裂线以及离散特征点以及离散特征点进行采行采样。l优点：需要少量的点便能使其所代表的地面具有足点：需要少量的点便能使其所代表的地面具有足够的可信度。的可信度。l 没有一种自没有一种自动采采样程序是基于程序是基于这种采种采样方法的。方法的。u6 混合采混合采样l 选择采采样与与规则格网采格网采样组合或者合或者选择采采样与与渐进采采样相相结合的采合的采样方法。方法。l 在地形突在地形突变处，以，以选择采采样的方式的方式进行，然后行，然后这些特些特征征线和另外一些特征点，如山和另外一些特征点，如山顶点等被加入到点等被加入到规则格格网中。网中。l 混合采混合采样可建立附加地形特征的可建立附加地形特征的规则矩矩l形格网形格网DEM，也可建立没特征附加三角，也可建立没特征附加三角l网混合形式的网混合形式的DEM，但其数据的存，但其数据的存储管管l理与理与应用均用均较复复杂。2 2 数据采集方式数据采集方式 根据自根据自动化程度化程度分：分：全手工全手工 半自半自动化化，也称，也称交互式交互式（摄影影测量量）全自全自动化化 在数字在数字摄影影测量工作站中，量工作站中，进行交互式进行交互式数据采集数据采集。首先使用。首先使用计算机自算机自动相关生成相关生成粗格网粗格网DEMDEM，然后在立体模型上加然后在立体模型上加测地形特地形特征征线，在此基，在此基础上内插上内插细格网格网DEMDEM。交互式采集交互式采集（1）、（）、（3）、（）、（5）和（）和（6）等策略适合于利用解析）等策略适合于利用解析测图仪或机助测图仪进行半自动化的交互式数据采测图仪或机助测图仪进行半自动化的交互式数据采集。集。自动采集自动采集 按照相片上的规则格网利用数字影像匹配进行数据按照相片上的规则格网利用数字影像匹配进行数据采集；若利用高程直接求解的影像匹配方法，也可采集；若利用高程直接求解的影像匹配方法，也可按模型上的规则格网进行数据采集。按模型上的规则格网进行数据采集。不同的数据获取方法不同的数据获取方法地地面面直直接接采采集集数数据据：通通过过经经纬纬仪仪和和GPS在在地地形形表面直接采样表面直接采样地图采集数据：用数字化仪数字化地形图地图采集数据：用数字化仪数字化地形图 摄摄影影测测量量数数据据采采集集：通通过过摄摄影影测测量量设设备备对对立立体体像对采样像对采样激激光光扫扫描描数数据据采采集集：主主动动能能发发出出能能量量并并记记录录散散射回的能量射回的能量 合合成成孔孔径径雷雷达达采采集集数数据据:雷雷达达,干干涉涉技技术术和和雷雷达达波探测器主动发射微波并记录反射回的微波波探测器主动发射微波并记录反射回的微波影像数据及其特征影像数据及其特征v现势性好：获取速度快、更新速度快、现势性好：获取速度快、更新速度快、更新面积大（大范围更新面积大（大范围DEM数据的最有价数据的最有价值来源）值来源）v相对精度和绝对精度相对精度和绝对精度低的低的遥感影像遥感影像：LandsatMSS、TM传感器、传感器、SPOTv高分辨率遥感图像：高分辨率遥感图像：1 1米分辨率的米分辨率的IKONOS IKONOS 0.61米米QUICKBIRD v 应用时要注意以下几个特点：应用时要注意以下几个特点：v遥感影像的几何畸变；遥感影像的几何畸变；v遥感数据的增强处理，用于扩大不同地物影遥感数据的增强处理，用于扩大不同地物影像的密度差；像的密度差；v遥感影像数据的空间分辨率；遥感影像数据的空间分辨率；v遥感影像数据的解译和判读；遥感影像数据的解译和判读；2 地形图地形图 世世界界上上所所有有的的国国家家都都拥拥有有地地形形图图，这这些些地地形形图图是是DEM另一主要数据源。另一主要数据源。这这些些地地形形图图为为地地形形建建模模提提供供了了丰丰富富的的数数据据源源，但但对对部部分分发发展展中中国国家家来来说说，这这些资源是比较匮乏。些资源是比较匮乏。地形图地形图地形图的特点：地形图的特点：地形图现势性地形图现势性地形图存储介质地形图存储介质地形图精度地形图精度2.5 数字高程模型数据来源数字高程模型数据来源v3 地面本身及其他数据源地面本身及其他数据源 高精度高精度 大比例尺大比例尺 效率低效率低 费用昂贵费用昂贵 不适合大规模数据采集不适合大规模数据采集 摄影测量学四个阶段的特性摄影测量学四个阶段的特性3）地形图数据采集方法地形图数据采集方法 自动手动线状跟踪扫描手动线状跟踪自动线状跟踪手动扫描自动扫描A A 手扶跟踪数字化手扶跟踪数字化 流方式流方式 等等时间间隔或等距离隔或等距离间隔隔记录坐坐标 缺点缺点：会产生过于密集的点会产生过于密集的点数据会有偏差数据会有偏差采用等距离采用等距离记录方式方式，弯曲弯曲顶点点的的数数字化字化误差差较大。大。点方式点方式 可以控制采集特征点，大大减少可以控制采集特征点，大大减少了了非特非特征点数据。征点数据。手扶跟踪数字化手扶跟踪数字化 优点点：计算机容易算机容易处理向量数据理向量数据 速度慢、人工速度慢、人工劳动强强度大度大 缺点缺点 难以保以保证数据精度数据精度B 扫描数字化和栅格矢量化扫描数字化和栅格矢量化扫描过程：将地形图从模拟状态（纸质地图）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。（影像），即以像素信息方式存储地图信息。注意两个问题：注意两个问题：分辨率、颜色分辨率、颜色矢量化过程：将得到的栅格图像转化为矢量矢量化过程：将得到的栅格图像转化为矢量数据。数据。具体方法：具体方法：手动、半自动、全自动式手动、半自动、全自动式步骤：步骤：扫描图件准备：图件、接图表、控制点、坐标系等扫描图件准备：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。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）转化为地理描文件坐标）转化为地理/地图坐标。若图面变形大，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。坐标误差要小于性变换、二次多项式等方法。坐标误差要小于10米。米。2 数据采集方法对比分析数据采集方法对比分析选择数据采集方法考虑的因素：选择数据采集方法考虑的因素：目的和需求、目的和需求、DEM精度、所需设备条件、拥有的经费精度、所需设备条件、拥有的经费等。等。v1）地形图：）地形图：优点：优点：a 原始数据容易获取原始数据容易获取 b 对仪器设备和作业人员要求不高对仪器设备和作业人员要求不高 c 采集速度较快，易于大批量作业采集速度较快，易于大批量作业 手扶跟踪数字化手扶跟踪数字化 地图扫描地图扫描 2 数据采集方法对比分析数据采集方法对比分析v2）摄影测量学：）摄影测量学：优点：更新速度快，数据精度较高，范围广优点：更新速度快，数据精度较高，范围广 缺点：费用昂贵缺点：费用昂贵v3）野外实测数据：）野外实测数据：优点：精度最高，适合于小范围大比例尺优点：精度最高，适合于小范围大比例尺DEM生生产产 缺点：工作量大，效率低，费用昂贵，不适合大缺点：工作量大，效率低，费用昂贵，不适合大规模数据采集规模数据采集 2.数据采集方法对比数据采集方法对比采样即选择点的过程，此过程有两个影响的采样即选择点的过程，此过程有两个影响的参数：参数：数据的分布数据的分布 数据的密度数据的密度量量测点的点的X,Y坐坐标是是对点方位的确点方位的确认，影响，影响其的因素是：其的因素是：数据精度数据精度2.2.7 7 数字高程模型源数据的三大属性数字高程模型源数据的三大属性Attributes of sampled source dataAttributes of sampled source dataAttributes of sampled source dataAttributes of sampled source data 数据的分布数据的分布2 数据的密度数据的密度v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。v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。v采样距离：相邻两采样点之间的距离，也称采样间隔。2 2 数据密度数据密度data densitydata density 采样间隔采样间隔(或采或采样距离距离)相相邻两点之两点之间的距离的距离。例如。例如:20:20mm表示表示规则格网分布的采格网分布的采样数据数据 单元面元面积内点数内点数 例如：例如：每平方千米每平方千米500500点。点。描述描述随机分布的采随机分布的采样数据数据 截止截止频率率 如果采如果采样间隔从空隔从空间域域转换到到频率域，率域，则可可获得截止得截止频率率(采采样数据所能表示的数据所能表示的最高最高频率率)。51、天下之事常成于困约，而败于奢靡。、天下之事常成于困约，而败于奢靡。陆游陆游52、生命不等于是呼吸，生命是活动。、生命不等于是呼吸，生命是活动。卢梭卢梭53、伟大的事业，需要决心，能力，组织和责任感。、伟大的事业，需要决心，能力，组织和责任感。易卜生易卜生54、唯书籍不朽。、唯书籍不朽。乔特乔特55、为中华之崛起而读书。、为中华之崛起而读书。周恩来周恩来谢谢！