数字地面模型及其应用

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,Z,11,Z,12,Z,13,Z,1n,DTM=,Z,21,Z,22,Z,23,Z,2n,Z,M1,Z,M2,Z,M3,Z,Mn,平面上的任意一点Z,ij,的坐标为x,i,y,i，,其中,x,i,=x,0,+i dx,y,i,=,y,0,+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,N,1,X,1,Y,1,Z,1,T,1,N,1,N,5,N,6,T,2,T,5,/,N,2,X,2,Y,2,Z,1,T,2,N,1,N,4,N,3,T,1,T,3,T,6,N,3,X,3,Y,3,Z,1,T,3,N,1,N,2,N,4,/,T,4,T,2,N,4,X,4,Y,4,Z,4,T,4,N,2,N,3,N,4,T,3,/,T,8,N,5,X,5,Y,5,Z,5,T,5,N,8,N,5,N,6,T,1,/,T,6,N,6,X,6,Y,6,Z,6,T,6,N,4,N,5,N,8,T,2,T,5,T,7,N,7,X,7,Y,7,Z,7,T,7,N,4,N,7,N,8,T,6,T,8,/,N,8,X,8,Y,8,Z,8,T,8,N,3,N,4,N,7,T,4,T,7,/,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,T,7,T,8,N,1,N,6,N,2,N,8,N,7,N,3,N,4,N,5,2、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,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,(Z,i-1,j,-,Z,i,j,)*(Z,i+1,j,-,Z,i,j,)0 AND,Z,i,j+1,Z,i,j,AND,Z,i+1,j,Z,i,j,2)脊点 满足下面4个条件,(Z,i,j-1,-,Z,i,j,)*(Z,i,j+1,-,Z,i,j,)0 AND,(Z,i,j-1,-,Z,i,j,)*(Z,i+1,j,-,Z,i,j,)0 AND,Z,i,j+1 ,Z,i,j,AND,Z,i+1,j,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，,Z,ij,=,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Z,ij,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,Z,ij,H,Z,淹没,0 当,Z,ij,H,Z,未淹没,