数字高程模型试题集.doc

数字高程模型第1讲 概论一、名词解释1、数字高程模型（DEM）： 通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟，或者说，地形表面的数字化表示。Digital Elevation Model，缩写DEM.。二、填空（选择、判断）1、地形表达的历史演进过程，经历了象形绘图法、写景法、等高线地形图、地貌晕渲图、航空摄影图像、遥感图像、数字地形表达等7个阶段。2、DEM按结构分类包括：基于面元的DEM、基于线单元的DEM、基于点的DEM；按连续性分类，包括：不连续DEM、连续但不光滑DEM(逐点内插的格网DEM、TIN)、光滑DEM（样条函数内差的格网DEM）;按范围分类，局部DEM、区域DEM、全局DEM。三、问答题1、DEM的特点。 （1）容易用多种形式显示地形信息。地形数据经计算机处理后能产生不同比例尺的纵横断面图与立体图，而常规地图一旦制作形成，比例尺不容易改变，绘制其他的地形图需要人工处理； （2）精度不会损失，没有载体变形的问题； （3）容易实现自动化、实时化。将修改信息直接输入计算机，软件处理后生成各种地形图。 （4）快速计算、获取DEM分辨率范围内的高程数据。2、在ArcGIS中，如何通过纸质等高线地形图生成不同形式的DEM。（1）纸质等高线地形图扫描；（2）在ArcMap中配准（选取投影和坐标系）；（3）等高线地形图矢量化并给每条等高线赋以属性值（高程）；（4）运用ArctoolboxConvertiontoolsfeatures to raster工具将矢量线转化为栅格线（每个栅格的值为高程）；（5）在ArcScence中，运用convertraster to feature将栅格线转化为矢量点数据文件；（6）在ArcScence中，运用3Danalystinpolate to rasterIdw进行差值；（7）三维显示（在属性表中设置高程）；（8）在ArcScence中，运用3Dannlystconvertraster to Tin 转化为TIN。第2讲 数据获取一、填空（选择、判断）1、地面复杂度描述的指标主要有：光谱频率、分维数、曲率、相似性、坡度等；其中坡度是描述地面复杂度最基本、最有效的指标。2、参考下图，说明每个图所代表的采样策略。沿等高线采样 规则格网采样剖面法采样 渐进采样选择性采样 混合采样3、DEM数据源的三大属性是数据分布、数据密度和数据精度。三、问答题1、叙述采样理论。假定某个地形曲面的纵断面为周期为正弦函数，请计算该段面上合理的采样间隔。 如果对某一函数g(x)间隔d进行采样，则高于1/2d的频率部分将不能通过数据采样的重建而恢复。也就是说，如果要想恢复重建表面，则函数的频率应小于或等于1/（2d）。采样间隔应为：DEM三大数据源的特征。（1）地形图数据 主要通过等高线来描述地物高度和地形起伏。地形图数据覆盖范围广、比例尺系列齐全、获取经济，是各种尺度DEM主要数据。制作复杂，更新周期长，不能反映局部地形地貌变化。多为纸质，存在不同程度变形。（2）遥感影像数据1）航空影像：更新速度快，地形图测绘、更新的有效手段，也是获取大面积、高精度DEM最有价值数据源。2）卫星遥感影像：传统立体扫描仪所获得高程数据，精度较差，只适合小比例尺（1：100万）DEM生产。3）高分辨率遥感影像（1m分辨率IKONOS）、合成孔径雷达干涉测量、激光扫描仪等新型传感器数据，是高精度、高分辨率DEM最有希望的数据，但价格昂贵。（3）地面测量数据 GPS、全站议、经纬仪在野外获取观测地面点数据，精度较高，但工作量大，只适合小范围DEM数据获取。第3讲 DEM表面建模格网DEM一、填空题1、地形起伏的空间自相关性是DEM内插的数理统计基础。2、内插方法按内插范围可分为整体内插、分块内插、逐点内插。分块内插又包括线性内插、双线性内插、二元样条函数内插、多面函数法内插、最小二乘配置法内插、有限元法内插等。二、问答题评述几类内插方法（1） 一般说来，大范围内的地形比较复杂，用整体内插法若选取采样点个数较少时，不足以描述整个地形，而若选用较多的采样点则内插函数易出现振荡现象，很难获得稳定解。因此在DEM内插中通常不采用整体内插法。（2）相对于整体内插，分块内插能够较好地保留地物细节，并通过块间一定重叠范围保持内插曲面的连续性。分块内插方法的一个主要问题是分块大小的确定。（3）逐点内插方法计算简单，应用比较灵活，是较为常用的一类DEM内插方法。逐点内插方法的主要问题是内插点邻域的确定，它不仅影响到DEM内插精度，也影响到内插速度。（4）各种内插方法在不同地貌地区和不同采点方式下有不同的误差。具体选择时，要考虑每种方法的适用前提及优缺点，同时考虑应用的特点，从内插精度、速度、计算量等方面选取合理的方法。第4讲 TIN建立一、名词解释1、TIN: 基于不规则三角网的数字高程模型（Based on Triangulated Irregular Network DEM，简写为Based on TIN DEM，简称TIN）.用一系列互不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形来表示地形表面。2、Delaunay三角网：有公共边的Voronoi多边形称为相邻Voronoi图，连接所有相邻Voronoi多边形的生长中心所形成的三角网称为Delaunay三角网。它是一个布满整个区域有互不重叠的三角网结构。第5讲DEM可视化表达名词解释1、可视化（visualization）：是指运用计算机图形、图像处理技术，将复杂的科学现象、自然景观以及十分抽象的概念图像化，以便理解现象、发现规律和传播知识。2、地形可视化：是在20世纪60年代以后随着地理信息系统的出现而逐渐形成的，主要研究基于DEM的地形显示、简化、仿真等内容，是计算机图形学的一个分支，属于科学计算可视化的范畴。3、地形三维可视化： 是将三维空间对象按某一规则变换到二维平面，为了使变换过的图形具有真实感，还须根据光源的位置和颜色、对象表面的形状和方位及光谱特性等计算画面每一点的颜色灰度，并选择合适的纹理贴附于对象表面。二、填空 1、地形可视化经历了从简单到复杂、从低级符号到高级符号、从抽象到逼真的过程。2、地形三维可视化方法有：立体等高线模型、三维线框透视模型、地形三维表面模型、地形三维景观模型等。三、问答题简述地形三维可视化的基本步骤。（1）DEM三角形分割（TIN不需此步骤）；（2）透视投影变换；（3）光照模型；（4）消隐处理；（5）图形绘制和存储；（6）地物叠加（添加纹理）。第6讲DEM数据组织与管理一、填空题1、DEM数据模型包括镶嵌数据模型（不同大小、不同形状网络覆盖）、规则镶嵌数据模型（如正方形）、不规则镶嵌数据模型（如三角网）。2、规则格网DEM数据结构包括：简单矩阵结构 、行程编码结构、块状编码结构、四叉树数据结构。3、TIN数据结构包括：面结构、点结构、点面结构、边面结构、4、DEM数据库属空间数据库，DEM数据库的内容包括数据库结构设计、数据组织方法、元数据、数据库功能等。第7讲 DEM生产质量控制一、名词解释1、DEM质量控制：指DEM数据在表达空间位置、高程、时间信息这三个基本要素时所能达到的准确性。2、随机误差：对同一目标，多次观测的结果会有不同，且没有任何规律性，所以称为随机误差。二、填空题1、DEM质量控制策略：减少数据采集时的误差引入；对采集到的数据作误差处理，以提高可靠性；减少表面建模时的误差引入。2、不管采用何种采集方法，测量数据都包含误差，主要来自：（1）原始资料的误差；（2）采点设备的误差；（3）人为误差；（4）坐标转换误差.3、DEM数据误差包括：系统误差、随机误差、粗差。研究的重点是偶然误差。三、问答题1、DEM质量检查的内容（1）检查DEM原始的数学基础(投影/坐标系)；（2）数据起止点坐标的正确性(范围)；（3）原始数据质量（系统误差/随机误差/粗差）；（4）高程值有效区间（插值会超出） ；（5）内插模型（选择是否恰当）（6）产品质量（整体精度）（7）元数据文件（描述是否准确）第8讲 DEM精度分析名词解释1、极限误差：通常以3倍中误差作为偶然误差的极限，并称为极限误差。二、填空题1、DEM误差就是数字地形表面建模过程中所传播的各种误差的综合。2、DEM常用的精度描述指标是中误差、平均误差和标准差（公式）。第9讲 DEM的多尺度表达名词解释1、地图综合：同一地物在不同比例尺上所表达的细节是不一样的。通过一些诸如简化和有选择性省略的操作，从大比例尺地图中获得小比例尺地图，即地图综合。二、填空题1、地理空间中地理对象的图形表达，往往在欧氏空间进行。但是，欧氏空间中地理对象的放大和缩小，并不改变地理对象的尺度（比例尺）。2、分辨率指地理对象基本测量单位的大小。反应的是对象的细节程度；而尺度则反映观测对象时，距离对象的远近。二者显然是不同的。3、多尺度DEM的表达方法：层次结构（金字塔结构、四叉树结构）；表面综合。4、我国目前上产的不同尺度的DEM有：1：100万，1：25万，1：5万，1：1万。三、问答题简述DEM多尺度表达的理论基础 根据人眼观察物体的规律，即人只能在一定的分辨率内观察物体，超出了这个分辨率，将看不到这个物体。Li和Openshaw(1993)提出了尺度变换自然规律： 在一定的尺度中，如果基于空间变换的地理目标的大小低于最小规定尺寸，那么它就会被忽略而不再被表达。运用这个规律，忽略掉人眼不能看到的空间物体细节，进而可以得到不同分辨率（不同尺度）的DEM.第10讲 从DEM内插等高线名词解释1、二值等高线法：把具有相同等高距的高程等级用黑色和白色交替表示，定义黑白的交界线为等高线。这个等高线没有宽度。2、边界等高线法：按照黑白二值法形成的等高线并没有宽度。如果要让等高线有宽度（一个栅格大小），并用黑色表示出来，可用边缘跟踪算法确定两个等级之间的交界线。二、填空题1、从格网DEM内插等高线的栅格方法有：二值等高线法、边界等高线法，另外还有：三色等高线法、高亮等高线法、高程灰阶等高线法、明暗等高线法、第11讲 数字地形分析名词解释1、数字地形分析：人们习惯用等高线、纵剖面、坡度与坡向、汇水面积、填挖方、三维透视图等DEM的派生图形或数据来表达实际地形的各种特征。产生这些派生产品的过程称为数字地形分析。二、填空题曲面拟合法中坡度坡向的计算公式（正切值、角度值）。2、基于格网DEM的地形特征提取方法：基于图像处理的方法、断面极值法、基于地形曲面流水物理模拟分析方法、基于地形曲面几何分析与流水物理模型模拟分析相结合的方法。3、基于等高线的特征提取方法有：等高线曲率判别法、等高线垂线跟踪法、等高线骨架法、基于Voronoi图的骨架法。4、可视性分析的基本用途有：可视查询、可视域计算、水平可视计算。三、问答题1、假定某一区域无洼地DEM如图（a）。787269715849746756494650695344373848645855223124686147211619745334121112（a）（1）按照D8算法进行方向编码；并用箭头标出每个格网的水流方向（可用简单的落差值判断）。787269715849746756494650695344373848645855223124686147211619745334121112 (b)（2）按照方向编码，填写该格网DEM水流方向矩阵。22244822244812248412812812482214441111416(c)(3)假定每个格网的降雨均为1个单位，根据水流方向矩阵，填写水流累积矩阵（可以通过指向某个格网的箭头总数确定，一个箭头表示1个水流量）000000011220037540000200100012400247351(d)第12讲 DEM应用一、问答题1、举例说明DEM在工程、军事、测绘等方面的应用。（1） 在工程中的应用：水库面积、库容计算 其实质是填方分析。1）首先构建库区的TIN；2）以TIN为基础，绘制库区的等高线图，用等高线表 示不同的水位；3）将封闭的等高线作为约束条件，使用替代多边形方法，用每条等高线的高程填充封闭多边形，构建约束TIN;4）以库区原始TIN和某个约束TIN为基础，进行填挖（cut/fill）分析，即可得出某高程上水库的水面面积（area）和库容（volume）.5）以上面的计算为基础，还可以绘制水库水面面积与库容的关系曲线图。（2）在军事中的应用1）虚拟战场 虚拟战场是数字化基础上由计算机上成的另一类战场，是虚拟的，但人可以 化身的形式“进入”。DEM可以导出为虚拟建模语言支持的文件形成，为构建虚拟战场提供地理环境数据。在虚拟战场中，可以 模拟敌我双方在各种情况下的战术行为，演变出千变万化的战场态势，达到训练战术指挥员指挥能力和战斗员的作战技能的目的 。2）其他军事工程a飞行员模拟飞行:在虚拟环境下，飞行员真实感受飞行的效果和外部环境的变化，达到节约经费、提到飞行经验、尽快适应实战的目的。b 导弹飞行模拟、雷达基站选址、岗哨设置等，都需要在DEM创建的三位环境下进行。(3)遥感和制图中的应用1）单片修侧用于制作正射影像 在遥感图像几何畸变的诸多影响因素中，遥感性能、卫星姿态可用相关参数纠正。而地形起伏对影像的影响非常显著。需要在地面实测控制点，建立散点DEM，与遥感影像叠加进行几何纠正。2）遥感数字图像定量解译： 因为地物光谱特性往往存在”同物异谱”或“同谱异物”的现象，因此仅仅依靠象元灰度值解译会出现很大偏差。将同一地区的DEM与正射影像叠加，可提高判读的精度，因为地物的分布往往与地形起伏有关。3）在数字制图中的应用 从DEM可以派生出很多地图产品，如平面等高线地形图、立体等高线图、坡度图、坡向图、纵横断面图、三维立体透视图（TIN边显示方法）、三维立体彩色图，还可以通过通过山体阴影分析，产生晕渲图（不同灰度值表示）。（4）地质灾害分析 以山体滑坡为例。滑坡是世界范围内的地质灾害，每年造成大量的经济损失。其发生与地质、地貌、气象、土壤、土地利用、地下水位等诸多因素有关。其中地形因素如海拔、坡度、坡向等可从DEM获取。通过将经常发生滑坡的区域分布图与多因素分布图进行叠加分析，可以分析各因子与滑坡的关系。