1、 数字地面模型的综述摘要：简要介绍了 DTM 的提出和应用情况 , 并对数字地面模型( DTM) 、数字高程模型( DEM) 、数字地形模型( DGM) 等三个概念进行了论述, 说明了它们的区别和联系, 详细论述了不规则三角形、等高线、断面线和规则格网等几种数字高程模型的数据结构, 并对不同数据结构的数字地面模型的特征进行了比较。关键词：数字地面模型( DTM) ; 数字高程模型( DEM ) ; 数字地形模型( DGM) ; 不规则三角网( TIN) ; 规则格网 DEM。正文数字高程模型是用数字形式描述的地形表面的模型。20 世纪 50 年代中期, 美国麻省理工学院摄影测量实验室主任 C
2、L Miller 首次将计算机与摄影测量技术结合在一起, 比较成功地解决了道路工程的计算机辅助设计问题。他的重要贡献在于在解决道路设计这一特殊工程课题的同时, 提出了一个一般性的概念 digital terrain models, 缩写成 DTM, 中文意思是 数字地面模型 。进入 90 年代, 随着地理信息系统( GIS) 的发展, DTM 成为空间信息系统的一个重要组成部分, 是工程建设、军事指挥、战场环境仿真、决策支持等各种系统中最为重要的底层数据。因此, 系统地建立大区域的数字高程模型是当前的迫切任务。目前国际上比较著名的DTM 软件包有德国的Stuttgart 大学研制的SCOP 程
3、序, Munich 工业大学研制的 HIFI 程序,Hannover 大学研制的TASH 程序, 奥地利Vienna 工业大学研制的SORA 程序及瑞士Zurich 工业大学研制的CIP 程序。这些程序都有广泛的应用模块, 如等值线图、立体透视图、坡度图及土方的计算等。数字地面模型( DTM) 、数字高程模型( DEM) 与数字地形模型(DGM)( 1) 数字地面模型( DTM)数字地面模型被定义为以数字形式存储的地球表面上所有信息的总和, 是描述地面诸特征空间分布数值的集合, 是地形表面形态等多种信息的一种数字表示。( 2) 数字高程模型( DEM)数字高程模型被定义为以数字形式存储的表示物
4、体位置高程值的集合, 是表示区域D 上地形的三维向量的有限序列: Vi = ( x , y , z ) , i = 1, 2, n , 其中( (Xi , y ) 是平面坐标, z 是(x , y ) 对应的高程。( 3) 数字地形( 地貌) 模型( DGM)把数字地面模型中凡描述地表起伏的某类数据集合或其总体, 称为数字地形( 地貌) 模型( digital geomorphic model, 缩写为 DGM) 。数字高程模型是数字地形模型的基础。从数字高程模型到数字地形模型是一个推导、派生和组合的过程, 可由计算机自动完成。将载荷社会经济等地面特征信息的数字数据集合与数字高程模型结合在一起
5、, 便构成了数字地面模型。几种数字高程模型的数据结构及其优缺点不规则三角网数据结构对于非规则离散分布的特征点数据, 可以建立各种非规则的数字地面模型, 如三角网、四边形网或其他多边形网, 但其中最简单的还是三角网。不规则三角网( triangulated irregular network, TIN) , 是按一定的规则将离散点连接成覆盖整个区域且互不重叠、结构最佳的三角形, 实际上是建立离散点之间的空间关系。其目的是克服利用离散点计算地球表面上任意一点高程的困难, 因而近年来得到了较快的发展。不规则三角网数字高程模型TIN 的数据存储方式与离散点DTM 存储方式不同的是, 它不仅要存储每个点
6、的Xi、Yi、Zi 三维坐标, 还要存储网点连接的拓扑关系、三角形及邻接三角形等信息。常用的TIN 存储结构有三种形式: 直接表示网点邻接关系;直接表示三角形及邻接关系; 混合表示网点及三角形邻接关系。等高线的数据结构等高线是通过对地球表面的水平切割而产生的连续曲线。在相同曲线上的高程值相同, 相同高程的等高线至少有一条或多条。用等高线表示连续的地球表面的主要不足之处是, 在经过不同的高程面进行水平切割的过程中丢失了大量详细的地表信息, 这些地表信息是不可能从等高线中恢复的, 也就是说, 利用等高线重新构建的地球表面只能近似地表示真实的地球表面; 另一个不足之处是, 单条等高线无法直接反映地貌
7、形态, 必须通过等高线组间接地表示地貌形态。等高线离散成矢量数字等高线时, 曲线往往以折线来代替, 表示为线段、特征点序列。常用的等高线的存储结构有两种形式: 链条数据结构和等高线的拓扑结构。断面线DEM断面线数字高程模型是对地球表面进行断面扫描形成的。断面间通常按照等距离方式采样, 断面线上按不等距离方式或等时间方式记录断面线上点的坐标。断面线数字高程模型往往是利用解析测图仪、附有自动记录装置的立体测图仪和激光测距仪等航测仪器或从地形图上所获取的地球表面的原始数据来建立。规则格网DEM规则格网DEM 与断面线DEM 不同的是, 在X方向和Y 方向上按等距离方式记录断面上点的坐标, 是利用一系
8、列在X 、Y 方向上都是等间隔排列的地形点的高程 Z 表示地形, 形成一个矩阵格网DEM。在这种情况下, 除了基本信息外, DEM 就变成了一组规则存放的高程值。由于矩阵格网DEM存储量最小( 还可以进行压缩存储) , 非常便于使用且容易管理, 因而是目前运用最广泛的一种数据结构形式。但其缺点是不能准确地表示地形的结构,在格网大小一定的情况下, 无法表示地形的细部。三角形和格网是表面建模的两种基本方法，它们都侧重与3D空间实体的表面表示，比如地形表面、地质层面、构筑物(建筑物)及地下工程的轮廓与空间框架。其中，三角网被视为最基本的一种网络，它既可以适应规则分布数据，也可以适应不规则分布数据；既
9、可以通过对三角网的内插生成规则格网网络，也可根据三角网建立连续或光滑表面。结论数字高程模型在空间信息系统中具有重要的作用, 空间数据的三维显示及有广泛应用价值的地形特征分析都是以数字高程模型为基础的。数字高程模型的数据结构与数据来源有关。不同数据结构的数字高程模型, 其存储空间大小、空间关系的描述和内插计算任意一点所需要的时间是不一样的。在空间信息系统中, 应用最多的是规则格网DEM 和不规则三角网TIN 及两者的混合应用。参考文献: 1 汤国安 李发源 刘学军 数字高程模型教程 -2版 北京 科学出版社 2010 2 崔铁军 利用等高线建立高质量数字地面模型 A 中国地理信息系统协会论文集1999881 886 3 崔铁军 , 董延春, 杨大洲TIN 到格网DEM 的内插方法王家耀 地理信息系统与电子地图技术的进展。长沙: 湖南地图出版社, 1999, 333 341附 录
