1、第八章：数字地形模（DTM）与地形分析,1概述 2DEM的主要表示模型 3DEM模型之间的相互转换 4DEM的建立 5DEM的分析和应用,第一节 概述,DEM和DTM主要用于描述地面起伏状况，可以用于提取各种地形参数，如坡度、坡向、粗糙度等，并进行通视分析、流域结构生成等应用分析。因此，DEM在各个领域中被广泛使用。DEM可以有多种表达方法，包括网格、等高线、三角网等，本章同时介绍了这些表达方法之间的相互转换算法，如由三角网生成等高线，网格 DEM生成三角网等等。,第一节 概述,一、数字地形模型（DTM, Digital Terrain Model）的提出及应用数字地形模型最初是为了高速公路的
2、自动设计提出来的（Miller，1956）。此后，它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制。在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测。在遥感应用中可作为分类的辅助数据。它还是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规划及洪水险情预报等。在军事上可用于导航及导弹制导、作战电子沙盘等。对DTM的研究包括DTM的精度问题、地形分类、数据采集、DTM的粗差探测、质量控制、数据压缩、DTM应用以及不规则三角网DTM的建立与应用等。,第一节 概述,二、DTM和DEM 1、数字
3、地形模型（DTM, Digital Terrain Model ）DTM是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述 。2、数字高程模型（DEM， Digital Elevation Model）DTM模型中地形属性为高程时称为数字高程模型(DEM)。DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。在地理信息系统中，DEM是建立DTM的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向。,第一节 概述,三、DEM的表示法 1、数学方法 用数学方法来表达，可以采用整体拟合方
4、法，也可用局部拟合方法。2、图形方法 （1）线模式等高线是表示地形最常见的形式。其它的地形特征线也是表达地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。 （2）点模式用离散采样数据点建立DEM是DEM建立常用的方法之一。数据采样可以按规则格网采样，可以是密度一致的或不一致的；可以是不规则采样，如不规则三角网、邻近网模型等；也可以有选择性地采样，采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点。,图8-1：DEM的表示方法,第二节 DEM的主要表示模型,一、规则格网模型1、表示方法：规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对
5、应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值，如图8-2。2、优缺点：优点是可以很容易地用计算机进行处理，还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式。缺点是不能准确表示地形的结构和细部。为避免这些问题，可采用附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、谷底线、断裂线，以描述地形结构。数据量过大，给数据管理带来了不方便，通常要进行压缩存储。 。,图8-2：格网DEM,第二节 DEM的主要表示模型,二、等高线模型,图8-3：等高线,第二节 DEM的主要表示模型,三、不规则三角网（
6、TIN）模型TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。不规则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点，或节点的位置和密度。不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，因而它能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征,图8
7、-4：三角网的一种存储方式,第三节 DEM模型之间的转换,一、不规则点集成TIN将该点集转成TIN，最常用的方法是Delaunay三角剖分方法。生成TIN的关键是Delaunay三角网的产生算法，下面先对Delaunay三角网和它的偶图Voronoi图作简要的描述。,图8-5：Delaunay三角网与Voronoi图,第三节 DEM模型之间的转换,二、格网DEM转成TIN格网DEM转成TIN可以看作是一种规则分布的采样点生成TIN的特例，其目的是尽量减少TIN的顶点数目，同时尽可能多地保留地形信息，如山峰、山脊、谷底和坡度突变处。规则格网DEM可以简单地生成一个精细的规则三角网，针对它有许多算
8、法，绝大多数算法都有两个重要的特征：（1）筛选要保留或丢弃的格网点；（2）判断停止筛选的条件。其中两个代表性的方法,算法是保留重要点法和启发丢弃法。,第三节 DEM模型之间的转换,三、等高线转成格网DEM 表示地形的最常见的线模式是一系列描述高程曲线的等高线。由于现有地图大多数都绘有等高线，这些地图便是数字高程模型的现成数据源，可以将纸面等高线图扫描后，自动获取DEM数据。由于数字化的等高线不适合于计算坡度或制作地貌渲染图等地形分析，因此，必须要把数字化等高线转为格网高程矩阵。使用局部插值算法，如距离倒数加权平均或克里金插值算法，可以将数字化等高线数据转为规则格网的DEM数据，但插值的结果往往
9、会出现一些许多不令人满意的结果，而且数字化等高线时越小心，采样点越多，问题越严重,第三节 DEM模型之间的转换,四、利用格网DEM提取等高线在利用格网DEM生成等高线时，需要将其中的每个点视为一个几何点，而不是一个矩形区域，这样可以根据格网DEM中相邻四个点组成四边形进行等高线跟踪。其方法类似于后面描述的利用TIN提取等高线。实际上，也可以将每个矩形分割成为两个三角形，并应用TIN提取等高线算法，但是由于矩形有两种划分三角形的方法，在某些情况下，会生成不同的等高线（图6-11），这时需要根据周围的情况进行判断并决定取舍,DEM 数据,由DEM转为TIN,由DEM提取的等高线等高距100米,由D
10、EM提取的等高线等高距200米,由DEM生成的坡度图,由DEM生成的坡向图,由DEM生成的坡向图及图例,第四节 DEM的建立,一、 DEM数据采集方法1、地面测量2、现有地图数字化利用数字化仪对已有地图上的信息（如等高线）进行数字化，如：手扶跟踪数字化仪和扫描数字化仪。3、空间传感器利用全球定位系统GPS，结合雷达和激光测高仪等进行数据采集 4、数字摄影测量方法 利用附有的自动记录装置（接口）的立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系统，进行人工、半自动或全自动的量测来获取数据。,第四节 DEM的建立,二、 数字摄影测量获取DEM1、沿等高线采样在地形复杂即陡峭地区，可采用此方法。等
11、距离间隔记录数据或等时间间隔记录数据。2、规则格网采样利用解析测图仪在立体模型中按规则格网进行采样，直接构成格网DEM。3、渐进采样平坦地区采样点少，地形复杂区采样点多。方法：首先按照预定稀疏的间隔进行采样，获得较稀疏的格网，然后根据实际情况必要时加密。,第四节 DEM的建立,二、 数字摄影测量获取DEM4、选择采样根据地形进行采样：沿山脊线、山谷线、断裂线进行采集以及离散碎部的采集。适合不规则三角网的建立。5、混合采样规则采样、渐进采样和选择性采样相结合。即：在规则采样的基础上，再沿特征线、点采样。6、自动化DEM数据采样,第四节 DEM的建立,三、DEM数据质量控制,第五节 DEM的分析与
12、应用,一、 格网DEM的应用（一DEM最基本的应用是求DEM范围内任意点的高程，在此基础上进行地形属性分析。方法：利用有限个格网点的高程，拟合一个地形曲面，推求区域内任意点的高程。算法：对已知规格格网数据进行空间插值。插值方法：距离到数加权平均法、克里金插值方法、样条函数插值方法（二）立体透视图局部放大、改变高程值z的放大倍数以夸大立体形态、改变视点位置从不同角度进行观察、转动立体图,第五节 DEM的分析与应用,一、 格网DEM的应用 （三）通视分析点对区域的通视：视线不能被地形挡住。应用：观测哨所的设定、森林中火灾监测点的设定、无线发射塔的设定。同视问题分五种情况： 1、已知一个或一组观察点，找出某一地形的可视区域； 2、欲观测到某一区域的全部地形表面，计算最少观测点数量； 3、在观测点数量一定的前提下，计算能获得最大观测区域； 4、以最小代价建造观察塔，要求全部区域可视； 5、在给定代价的前提下，求最大可见区。,第五节 DEM的分析与应用,一、 格网DEM的应用 （三）通视分析通视分类： （1）点的通视计算视点与待定点之间的可视性问题； （2）线的通视已知视点，计算视点的视野问题 （3）面（区域）的通视已知视点，计算视点能可视的地形表面区域集合问 （四）流域特征地貌提取于地形自动分割 （五）利用DEM计算地形属性（1）计算坡度、坡向（2）计算面积体积（3）计算表面积,
