DEM数据组织与管理教材

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字高程模型,第二章 DEM数据组织与管理,2.1,概,概述,数字高,程,程模型,是,是地形,曲,曲面的,数,数字化,表,表达，,也,也就是,说,说，DEM是,在,在计算,机,机存储,介,介质上,科,科学、,真,真实地,描,描述、,表,表达和,模,模拟地,形,形曲面,实,实体，,因,因此它,的,的建立,实,实际上,是,是一种,地,地形数,据,据的建,模,模过程,。,。,DEM,的,的建立,首,首先要,对,对地形,曲,曲面进,行,行抽象,、,、总结,和,和提炼,，,，形成,高,高度概,括,括的地,形,形曲面,数,数据模,型,型，然,后,后在此,数,数据模,型,型基础,上,上，将,观,观测数,据,据按照,一,一定的,结,结构组,织,织在一,起,起，形,成,成对数,据,据模型,的,的表述,，,，最后,借,借助计,算,算机实,现,现数据,管,管理和,地,地形重,建,建。,按一定,结,结构组,织,织在一,起,起的地,形,形数据,，,，一般,通,通过数,据,据库进,行,行管理,和,和调度,（,（当然,小,小范围,的,的数据,也,也可采,用,用文件,形,形式进,行,行管理,）,）。,DEM,数,数据设,计,计一般,遵,遵循以,下,下的基,本,本原则,：,：,适,用,用性，,满,满足主,要,要用户,的,的需求,，,，并充,分,分兼顾,潜,潜在用,户,户的需,求,求；,运,运行性,，,，快速,显,显示和,查,查询，,保,保持正,常,常运行,，,，可以,及,及时提,供,供数据,产,产品；,更新,性,性，能,对,对数据,库,库中的,数,数据进,行,行增加,、,、修改,和,和删除,，,，方便,地,地扩充,和,和进行,数,数据更,新,新；,相,相关性,，,，保证,与,与其他,基,基础地,理,理信息,产,产品的,相,相关性,，,，使数,据,据库在,数,数学基,础,础、坐,标,标系统,以,以及产,品,品一致,性,性方面,相,相关；,相容,性,性，与,其,其他类,型,型数据,库,库系统,兼,兼容，,可,可以共,享,享或相,互,互交换,数,数据；,先进,性,性，采,用,用科学,的,的技术,手,手段，,使,使系统,保,保持一,定,定的先,进,进性；,高质,量,量，与,原,原始资,料,料一致,，,，数据,质,质量可,靠,靠，数,据,据标准,、,、规范,；,；,完,备,备性，,除,除了基,本,本的数,据,据体外,，,，有完,备,备的元,数,数据内,容,容；,安,安全性,，,，有严,密,密的权,限,限控制,机,机制。,2.2DEM数,据,据模型,GIS,的,的空间,数,数据模,型,型从认,知,知角度,讲,讲有三,类,类：基,于,于对象,的,的模型,、,、基于,网,网络的,模,模型和,基,基于场,的,的模型,；,；从表,达,达上讲,有,有矢量,数,数据模,型,型、镶,嵌,嵌数据,模,模型（,栅,栅格数,据,据模型,）,）和组,合,合数据,模,模型。,数,数字高,程,程模型,主,主要刻,画,画具有,连,连续变,化,化的空,间,间对象,，,，因此,属,属于基,于,于场的,镶,镶嵌数,据,据模型,。,。,2.2.1镶,嵌,嵌数据,模,模型,镶,嵌,嵌数据,模,模型（Tessellationmodel,）,）源于,这,这样的,思,思想：,空,空间对,象,象可用,相,相互连,接,接在一,起,起的网,络,络来覆,盖,盖和逼,近,近，或,者,者说用,在,在二维,区,区域上,的,的网络,划,划分来,覆,覆盖整,个,个研究,区,区域。,镶,嵌,嵌数据,模,模型特,别,别适合,于,于对三,维,维离散,空,空间数,据,据的表,达,达，以,及,及对具,有,有连续,变,变化的,空,空间对,象,象的模,拟,拟。网,络,络的特,征,征参数,包,包括网,格,格尺寸,、,、形状,、,、方位,等,等，对,同,同一地,理,理现象,可,可以由,若,若干不,同,同的尺,度,度、不,同,同的聚,分,分性网,络,络来覆,盖,盖。,镶,镶嵌,数,数据模,型,型按照,网,网格形,状,状可分,为,为规则,镶,镶嵌数,据,据模型,和,和不规,则,则镶嵌,数,数据模,型,型，镶,嵌,嵌模型,的,的典型,应,应用是,地,地形曲,面,面模拟,，,，即数,字,字高程,模,模型，,其,其中基,于,于正方,形,形网络,的,的镶嵌,数,数据模,型,型为栅,格,格DEM，而,基,基于不,规,规则镶,嵌,嵌数据,模,模型为,不,不规则,三,三角网DEM,。,。,2.2.2规,则,则镶嵌,数,数据模,型,型,所,谓,谓规则,镶,镶嵌数,据,据模型,，,，就是,用,用规则,的,的小面,块,块集合,来,来逼近,不,不规则,分,分布的,地,地形曲,面,面。在,二,二维空,间,间中可,以,以有多,种,种可能,的,的规则,格,格网划,分,分方法,，,，如图1。,构,造,造规则,镶,镶嵌模,型,型的方,法,法是：,用,用数学,手,手段将,研,研究区,域,域进行,网,网格划,分,分，把,连,连续的,地,地理空,间,间离散,为,为互不,覆,覆盖的,网,网格，,然,然后对,网,网格单,元,元附加,相,相应的,属,属性信,息,息，例,如,如对规,则,则格网,的,的DEM而言,，,，一般,通,通过曲,面,面拟合,方,方法求,得,得栅格,单,单元的,高,高程值,。,。,从,从数据,结,结构上,看,看，规,则,则格网,的,的主要,优,优点是,其,其数据,结,结构为,通,通常的,二,二维矩,阵,阵结构,，,，每个,网,网格单,元,元表示,二,二维空,间,间的一,个,个位置,，,，不管,是,是沿水,平,平方向,还,还是垂,直,直方向,，,，均能,方,方便地,利,利用简,单,单的数,学,学公式,访,访问任,何,何位置,的,的格网,单,单元；,同,同时，,处,处理这,种,种结构,的,的算法,比,比较多,而,而且成,熟,熟，大,多,多数计,算,算机程,序,序语言,都,都有矩,阵,阵处理,功,功能。,此,此外，,以,以矩阵,形,形式存,储,储和组,织,织数据,还,还具有,隐,隐式坐,标,标，即,格,格网单,元,元的平,面,面坐标,隐,隐含在,矩,矩阵的,行,行列号,之,之中，,从,从而不,需,需要进,行,行坐标,数,数字化,。,。,基,基于规,则,则镶嵌,数,数据模,型,型DEM的缺,点,点是不,管,管地形,变,变化复,杂,杂还是,简,简单，,均,均采用,相,相同的,结,结构，,导,导致数,据,据冗余,而,而给数,据,据管理,带,带来不,便,便。,2.2.3不,规,规则镶,嵌,嵌数据,模,模型,不,规,规则镶,嵌,嵌数据,模,模型是,指,指用来,进,进行镶,嵌,嵌的小,面,面块具,有,有不规,则,则的形,状,状和边,界,界。按,照,照小面,块,块的几,何,何形状,，,，不规,则,则镶嵌,模,模型有,基,基于三,角,角形、,四,四边形,、,、六边,形,形、多,边,边形等,（,（如图2）。,在DEM,中,中，基,于,于三角,形,形的不,规,规则镶,嵌,嵌模型,又,又称为,不,不规则,三,三角网,（,（Triangulated IrregularNetwork，简,称,称TIN），,是,是DEM的又,一,一主要,表,表达形,式,式。TIN模,型,型是三,维,维空间,上,上的分,段,段线性,模,模型，,整,整个区,域,域内连,续,续但不,可,可微。,不,规,规则三,角,角网数,字,字高程,模,模型由,连,连续的,三,三角面,组,组成，,三,三角形,的,的形状,、,、大小,取,取决于,不,不规则,分,分布的,点,点的位,置,置和密,度,度。地,形,形变化,越,越简单,，,，采样,点,点就越,少,少，则,单,单元格,就,就越大,；,；反之,地,地形变,化,化比较,复,复杂，,数,数据点,分,分布比,较,较密集,，,，格网,单,单元就,越,越小。,TIN与,规,规则格,网,网DEM显著,不,不同之,处,处在于TIN,模,模型不,需,需要维,护,护模型,的,的结构,规,规则性,，,，不但,能,能灵活,地,地随地,形,形的复,杂,杂程度,而,而改变,格,格网单,元,元大小,，,，避免,平,平坦地,形,形的数,据,据冗余,，,，而且,又,又能按,地,地形特,征,征点线,如,如山脊,点,点、山,谷,谷线、,地,地形变,化,化线等,表,表示地,形,形特征,。,。,2.3DEM数据,结,结构,2.3.1,规,规则格网DEM数据结,构,构1）简,单,单矩阵结构,规则格网DEM的数据,在,在水平方向,和,和垂直方向,的,的间隔相等,，,，格网点的,平,平面坐标隐,含,含在行列号,中,中，故适宜,用,用矩阵形式,进,进行存储，,即,即按行（或,列,列）逐一纪,录,录每一个格,网,网单元的高,程,程值。同时,为,为了实现行,列,列号和平面,位,位置坐标之,间,间的转换，,还,还需要记录,格,格网西南角,的,的坐标值、,格,格网间距等,。,。规,则,则格网DEM的数据文,件,件一般包含,用,用来进行DEM数据说,明,明的数据头,和,和DEM数,据,据体两部分,。,。数,据,据头：定义DEM西南,角,角起点坐标,、,、坐标类型,、,、格网间距,、,、行列数、,最,最低高程以,及,及高程放大,系,系数等内容,；,；数,据,据体：按行,或,或列分布记,录,录的高程数,字,字阵列；,ArcView DEM 文本文,件,件格式,2）行程编,码,码结构,对于一幅DEM，常常,在,在行（或）,列,列方向上相,邻,邻的若干点,具,具有相同的,高,高程值，因,而,而从第一列,开,开始，在格,网,网单元数值,发,发生变化时,一,一次纪录该,值,值以及重复,的,的个数，应,用,用时利用重,复,复个数恢复DEM矩阵,。,。对DEM,每,每一行均按,上,上述结构组,织,织，则实现DEM行程,编,编码方案。,行程编码实,际,际上是一种,栅,栅格数据的,压,压缩方案，,能,能有效地减,少,少数据存储,量,量，特别在,平,平坦地区。,3）块状编,码,码结构,块状编码方,案,案是将行程,编,编码方案从,一,一维扩展到,二,二维的情况,，,，它采用方,形,形区域作为,纪,纪录单元，,每,每个纪录单,元,元包括相邻,的,的若干栅格,。,。数据结构,是,是由纪录单,元,元的初始位,置,置（行列号,）,）、格网单,元,元高程值和,方,方形区域半,径,径（正方形,区,区域的边长,，,，采用格网,间,间距倍数表,示,示）所组成,的,的单元组。,整,整个DEM,数,数据文件由,该,该单元组组,成,成，根据初,始,始位置和区,域,域半径可恢,复,复高程矩阵,。,。,4）四叉树,数,数据结构,四叉树编码,又,又称为四分,树,树、四元树,编,编码。它是,一,一种更有效,地,地压编数据,的,的方法。它,将,将2n2n像元阵列,连,连续进行4,等,等分，一直,分,分到正方形,的,的大小正好,与,与象元的大,小,小相等为止,（,（如下图）,，,，而块状结,构,构则用四叉,树,树描述，习,惯,惯上称为四,叉,叉树编码,。,2.3.2,不,不规则三角,网,网DEM数,据,据结构,由于三角形,的,的不规则型,，,，三角形定,义,义及其与相,邻,邻三角形的,关,关系要显式,地,地表达出来,，,，即TIN,模,模型不但要,存,存储每个顶,点,点的高程，,还,还要存储三,角,角形顶点的,平,平面坐标、,顶,顶点之间的,连,连接关系和,邻,邻接三角形,等,等拓扑关系,。,。,在TIN模,型,型中，基本,的,的结构元素,有,有三角形顶,点,点、边、面,。,。它们之间,存,存在着点与,线,线、点与面,、,、线与面、,面,面与面等拓,扑,扑关系。,通,通过组成三,角,角形的三顶,点,点可完整地,表,表达三角形,的,的构成以及,三,三角形顶点,、,、三角形边,、,、三角形之,间,间的拓扑关,系,系。,这种结构只,需,需要两个文,件,件：三角形,顶,顶点坐标文,件,件和组成三,角,角形三顶点,