第七章数字高程模型及其应用ppt课件

1. 概述


为了能较好的顾及地形特 征点、线、真实地表示复 杂的地形表面，可采用下 述的数据结构：按地形特 征采集的点按一定规则连 成覆盖整个区域、互不重 叠的三角形，构成不规则 的三角网表示的DEM。 这种方式的数据结构数据 量大，数据结构胶复杂， 因此使用管理也比较复杂
1. 概述


建立DEM的过程是，首先按一定的数据采集方法，在 测区内采集一定数量的离散点的平面位置和高程，这 些点称为控制点（数据点或参考点），以这些控制点 为网络框架，用某种数学模型拟合，内插大量的高程 点，以便获得符合要求的DEM 数据点是建立数字高程模型的集成，模拟地表面的数 学模型函数关系式的待定参数就是根据这些数据点的 已知信息来确定的。获得这些数据点可直接取自地形 表面或是间接取自地形表面的模拟模型。
0 Y3 X3
0 Z1 Y3 Z 2 X 2 Z3
Z
1 {[( X 2Y3 X 3Y2 ) (Y2 Y3 ) X ( X 3 X 2 )Y ]Z1 (Y3 X X 3Y ) Z 2 ( X 2Y Y2 X ) Z3} X 2Y3 X 3Y2
1. 概述

获取数据点的四种方法：



由现在的地形图上采集。现在常用的方法是使用扫描装置 采集 由摄影测量方法采集。可用解析侧图仪或自动化的测图系 统获取数据点 野外实地测量。一般采用电子速测仪 由遥感系统直接测得
2. 数据预处理

格式转换:ASCII,BCD,二进制码 坐标系统变换：一般采用国家坐标系 数据编辑 栅格数据转换为矢量数据 数据分块 子区边界的提取
第七章 数字高程模型及其应用
主要内容

1 数字高程模型的定义
地形表面形态等多种信息的一个数字表示
DTM是定义在某一区域D上的m维向量有限序 列：
{Vi ,i 1,2,, n}
➢数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）或 DHM(Digital Height Model) 是表示区域D上地形的三维向量有限序列
0
1 L
L
2kX
[{
0
Ck cos(
k 0
L
k
)
k 0
Ck
cos(2kX
L
k
)]}2
dX
2 z
1 2
m
(Ck
k 0
Ck )2 dX
1 2
m
(1
k 0
Ck Ck
)2 Ck2
1 2
m
[1
k 0
H (uk )]2Ck2
采样间隔和地形的复杂程度
2.利用检查点的DEM精度评定
在DEM内插时，预留一部分数据点作 为检查点,在建立DEM之后，由DEM内 插出这些点的高程，DEM的精度
“任何一个圆滑的数学表面总是可以用一 系列有规则的数学表面的总和，以任意的 精度进行逼近。”也就是一个数学表面上 某点（X，Y）处高程Z的表达式为:
n
Z f (X ,Y ) ajq(X ,Y , X j,Yj ) j 1
a1q(X ,Y , X1,Y1) a2q(X ,Y , X 2,Y2) anq(X ,Y , X n,Yn )
深度学习在DEM数据获取中的应用
1.针对激光点云的地面点和非地面点的分类处理： 一处理Lidar数据，提取每个点与周围点之间的相对高差并将其
转换为表示点特征的图像，用于神经网络的训练。分离地物点

法化求解得
a (QT Q)1QT Z
多面函数法内插
任意一点上的高程Zk(K>n)为
Zk QkT a QkT (QT Q)1QT Z
其中 QKT [qk1qk 2 qkn ]
qkj q( X k ,Yk , X j ,Y j )
多面函数法解算
m=n 全部数据点取为核函数的中心
n
Zi
a j qij
j 1
多面函数法内插
误差方程
V Qa Z
v1 q11 q12 q1n a1 z1

v2



q21
q22

q2n

a2



z2

vm qm1 qm2 qmn an zm
i
（5）法化求解
X (M T PM )1M T PZ
系数F是待定点内插高程值ZP
移动曲面拟合法关键问题解决
1、如何确定待插点的最小邻域范围以保证有 足够的参考点
基 于 点 的 数 量 选 择
移动曲面拟合法关键问题解决
基 于 点 的 范 围 选 择
圆半径的确定
动态圆半径法的基本思路：从数据点的平均 密度出发，确定圆内数据点（平均要有10 个，），以解求圆的半径

1
X L
1
Y L
Z
A

1
Y L

X L
ZB

X L

Y L
ZC

1
X L

Y L
ZD
P Y AX
L B

以产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。 2）精度不会丢失。常规地图随时间的推移，图纸将 会变形，失去原有的精度。 3）容易实现自动化、实时化。 4）多比例尺特性。如1m分辨率的DEM自动涵盖了更 大分辨率如10m和100m的DEM内容。
7.2 DEM数据分布特征
DEM数据由于数据观测方法和获取的途径不同，数据 分布规律和数据特征有明显差异。DEM数据按其空间分布 特征可分为两类：格网状数据和离散数据。
7 数字高程模型
7.1 数字高程模型概念及特点 7.2 DEM数据分布特征 7.3 DEM的表示方法
7.4 TIN的生成方法
7.5 规则矩形网格的生成
7.6 DEM的数据源和采样方法
7.7 DEM的应用 7.8 DEM分析的误差与精度
7.1 数字高程模型概念及特点
7.1.1 基本概念
地球表面高低起伏，呈现一种连续变化的曲面，无法用平 面图确切表示。可以采用DEM描述地球表面。 数字高程模型（Digital Elevation Model），简称DEM， 是以数字的形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空 间分布的数字模型，也是地形形状大小和起伏的数字描述。 DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地 表提供连续描述的算法，最基本的DEM是由一系列地面点x，y 位置及其相联系的高程Z所组成，用数学函数式的表达是： Z=f(x，y)，(x，y)∈DEM所在的区域
7.4 TIN的生成方法
7.4.2 自动建立
首先在所有可能的线段中寻找最短的一条，用它作
为第一个三角形的基线。选出到这条基线两端的距离之 和为最小的那一点作为三角形的顶点。 接着，搜索次最短线段作为下一个三角形的基线。 这样可使作为先前生成的三角形的一部分而被存贮起来 的诸边不再被选取为基线。

22
500 6 573.25 573.80 575.55 578.10 579.67 580.00 400 11 571.20 571.83 573.15 575.15 577.05 580.08 582.85 584.60 584.42 582.83 582.00
358.55 357.45 356.50 355.95 356.63 358.38
C D

ZP a00 a10 X P a01YP a11X PYP 153 .39m
42
2、双三次多项式内插
Y
C(0,1) 6
D(1,1)
7
P(X,Y ) 5
8 A(0,0)
4
X
B(1,0)
7
Z
Y
6
C(0,1)
P
5
D(1,1)
4
8
A(0,0)
B(1,0) X
1
2
3
1
2
3
28
《摄影测量学》第七章
第三节 数字高程模型的内插方法
29
主要内容
线性内插方法 移动曲面内插方法 双线性多项式内插方法 多面函数内插方法
30
2020/1/11
31
概述
DEM内插就是根据参考点上的高程求出其它特定点的高程。内插特点： （1）整个地球表面的起伏形态不可能用一个简单的低次多项式来拟合，而 高次多项式的解不稳定且会产生不符合实际的振荡 （2）地形表面既有连续光滑的特性，又可能有由于自然力或人为地原因产 生地形的不连续。 （3）由于计算机内存的限制，不可能同时对很大的范围进行内插数字地面 模型。
统的各个环节
11
著名的DTM软件包
德国Stuttgart大学研制的SCOP程序 Munich大学研制的 HIFI程序 Hannover大学研制的TASH程序

王之卓 （1979）
地形表面用X、Y、Z坐标的数字形式的一种表达
Burrough 数字形式表示的局部地球表面的量化模型，有时也成为
(1986)
数字地形模型DTM
Weibel (1991)
局部地形表面的数字化表达
10
DEM DHM
DGM DTM DTED
数字地面模型有关术语
Digital Elevation Model
数字高程模型： DEM(Digital Elevation Model)
区域地形表面海拔高度的数字化表达（狭义） 或 地理空间 中地理对象表面海拔高度的数字化表达（广义）。
传统的高程模型数字高程模型：
• 数字化： 数字计算机只识数字，一切必须数字化 • 离散化： 数字计算机容量有限，必须采样离散化 • 结构化： 借助计算机表达与处理，模型必须结构化
矢量叠加
三维表示与分析
18
地形数字化表达方式
l 数学描述 l 图形表达 l 图像表达
19
地形数字化表达方式
地 数学描述 全局
形
数
局部
字 化
图形方式
点
表
达
线
方
式
图像方式 直接
傅里叶级数 多项式函数 规则的分块数据 不规则的分块数据 不规则分布网络 规则分布网络 特征点（山顶、山脊、山谷） 等高线 特征线（山脊线、山谷线等） 剖面线 航空影像、遥感影像
通过对这些数据和图形的解译和发现，可获取 在地形图上没有直接表现的知识。
7
地表形态表达:从模拟到数字
象形绘图法
写景表示法
数字高程模型
等高线图示法 8
DEM的概念与理解
传统的高程模型－－等高线地形图：

20
第二节 DEM的主要表示模型
规则格网模型 等高线模型 不规则格网模型
760
780 830
9 20 9 40 970
7 90
930
810
890 820
770
9 10
7 80
9 80 960
770
950 890 880
980
87 0
850
900
8 60
94 0
920
21
950
950
2.1规则格网模型
些地图便是数字高程模型的现成数据源， 可以通过数字化好的等高线数据插值得到 格网DEM。
一般有三种方法： 等高线离散化法 等高线内插法 等高线构建TIN法
36
3.3.1等高线离散化法 – 所谓的等高线离散化法，实际上就是用等高线 上的高程点插值，并将这些高程点看作是不规 则分布数据，并不考虑等高线特性。
则Delaunay三角网的排列得到的数值最大，从这个意义上 讲，Delaunay三角网是“最接近规则化”的三角网。
参考 邬伦 地理信息系统－－原理、方法和应用
30
Delaunay三角形网的通用算法－逐点插入算法 1. 构造初始三角形。 2. 将点集中的其它散点依次插入，如插入点P，在
三角形链表中找出其外接圆包含插入点P的三角 形（称为该点的影响三角形），删除影响三角形 的公共边，将插入点同影响三角形的全部顶点连 接起来，从而完成一个点在Delaunay三角形链表 中的插入。
19
数字地貌模型（Degital Geomorphology Model,DGM）
• 高程是地球表面起伏形态最基本的几何量，除高程外，地形表 面形态还可通过坡度、坡向、曲率等进行地貌因子描述，这些 地貌因子是高程直接或间接的函数，通过DEM可以提取这些地 貌因子。对DEM的格网单元，在保持平面位置不变的情况下， 用相应位置上的地貌因子取代高程，就可以得到该地貌因子的 数字模型，如，用坡度取代高程，则形成数字坡度模型。

7.据不能直接利用来进行DEM 利用各种采集方法获取得数据不能直接利用来进行 数据内插，需要进行数据的预处理工作流程。一般包括数据 数据内插，需要进行数据的预处理工作流程。一般包括数据 格式转换、坐标系统转换、数据编辑、 格式转换、坐标系统转换、数据编辑、栅格数据转换为矢量 数据等内容。 数据等内容。 1、数据格式转换 、 主要是指不同数据结构间的数据转换。 主要是指不同数据结构间的数据转换。由于数据采集的 硬件系统不一样，所采集的数据格式也就各不相同。 软、硬件系统不一样，所采集的数据格式也就各不相同。 采集后的数据要被某一专业软件处理建立DEM，首先必 ， 采集后的数据要被某一专业软件处理建立 须根据专业软件的要求， 须根据专业软件的要求，将各数据格式转换成该软件要求的 数据格式。 数据格式。
2. 数字高程模型
数字地面模型是1956年由美国的米勒为了解决高速公路 年由美国的米勒为了解决高速公路 数字地面模型是 的自动设计提出来的。 的自动设计提出来的。 数字地面模型（ 数字地面模型（Digital Terrain Models）是描述地球表 ） 面形态多种信息空间分布的有序数据阵列。 面形态多种信息空间分布的有序数据阵列。 数字高程模型（Digital Elevation Model)地面高程信息 数字高程模型（ 地面高程信息 起伏形态）的数字表达。 （起伏形态）的数字表达。 数字地面模型中所包含的地面信息比较丰富，主要有： 数字地面模型中所包含的地面信息比较丰富，主要有： 中所包含的地面信息比较丰富 （1）地貌信息 ） 比如高程、坡度、坡向等地貌因子。 比如高程、坡度、坡向等地貌因子。 （2）基本地物信息 ） 比如水系、交通网、居民点和工矿企业等。 比如水系、交通网、居民点和工矿企业等。
3．空间传感器：利用GPS、雷达、遥感卫星和激光扫描系统 ．空间传感器：利用 、雷达、 等进行数据采集。 等进行数据采集。 速度快，可快速的进行大区域数据采集。 速度快，可快速的进行大区域数据采集。 4. 摄影测量方法：在模拟摄影测量、解析摄影测量时代，可利 摄影测量方法：在模拟摄影测量、解析摄影测量时代， 用附有自动记录装置的立体测图仪或立体坐标量测仪、 用附有自动记录装置的立体测图仪或立体坐标量测仪、解析 测图仪，进行人工、半自动或全自动的量测来获取DEM数 测图仪，进行人工、半自动或全自动的量测来获取 数 据。目前可利用全数字摄影测量系统对数字影像进行影像处 理后，自动获取DEM数据。 数据。 理后，自动获取 数据

渐进采样:先按预定的比较稀疏的间 隔进行采样，获得一个较稀疏的格网， 然后分析是否需要对格网加密
沿断面采集
数字摄影测量的DEM数据采集方式
•选择采样 :可根据 地形特征进行选择采样 •混合采样:将规则采样与选择采样结合起 来进行 •自动化 DEM 数据采集 : 按影像上的规则 格网利用数字影像匹配进行数据采集。
4. 空间传感器进行数据采集
利用GPS、雷达和激光测高仪等进行数据采集。 GPS的特点是： a.精度高 b.选点灵活，测站之间不需通视 c.全天候作业 d.可以单点作Light Detection and Ranging)
LIDAR



使用全球定位系统GPS、激光扫描、干涉雷 达等新型技术进行DTM/DEM数据采集是很 有发展前景的DTM/DEM采集方式，也不应 当忽视。 不论从何种数据源获取DTM/DEM数据，在 采集等高线或规则格网点的同时采集重要 的地形特征点线是保证DTM/DEM质量和提 高作业效率的重要的措施。 利用基于不规则三角网TIN的方法进行数据 建模和随机栅格转换，是快速可靠地生产 高精度格网DTM/DEM切实可行的方案。
8）生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等；
9）作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，以进行 显示与分析； 10）与GIS联合进行空间分析； 11）虚拟现实(Virtual Reality)； 此外，从DEM还能派生以下主要产品：平面等高线图、立体等高线图、等坡 度图、晕渲图、通视图、纵横断面图、三维立体透视图、三维立体彩色图等。
根据有限个离散点的高程，采用多项式或样条函数求得拟合公式， 再逐个计算各点的高程，得到拟合的DEM。可反映总的地势，但局部误 差较大。 可分为： 整体拟合：根据研究区域内所有采样点的观测值建立趋势面模型。特 点是不能反映内插区域内的局部特征。 局部拟合：利用邻近的数据点估计未知点的值，能反映局部特征。

《摄影测量学》第七章
数字高程模型及其应用
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
概述 数据预处理 数字高程模型数据内插方法 数字高程模型的数据存储 数字高程模型应用算法
概述
数 字 地 面 模 型 DTM （ Digital Terrain Model）Miller教授1956年提出 来。用于各种线路(铁路、公路、输电 线)的设计、各种工程面积、体积、坡 度的计算，任意两点间可视性判断及绘 制任意断面图。
建立误差方程式
vi X i A X iYi B Yi C X i D Yi E F Z i
2 2
由n个数据点列出误差方程：
V MX Z
v1 v2 V v n
A B X C F
军事上，用于导航及导弹制导； 在遥感中，可作为分类的辅助数据； 是GIS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； 工业上，可利用数字表面模型（DSM）绘制出表面结构复杂 的物体的形状。
六、数字地面模型的发展过程
50年代末概念形成 60-70年代对DTM的内插问题进行研究 70年代中、后期对采样方法进行研究
Grid-TIN混合网 德国Ebner教授等提出了 Grid-TIN混合形式的DEM, 一般地区使用矩形网数 据结构（根据地形采用 不同密度的格网），沿 地形特征则附加三角网 数据结构
矩形格网三 角同混合形 式DEM
数字高程模型的数据获取
为了建立DEM，必需量测一些点的三维坐标， 被量测三维坐标的这些点称为数据点。
DEM的数据采集，有野外常规数据采集、现有地形 图数字化、摄影测量法数据采集和由遥感系统直接 测得。

交换法 链指针法
（1）交换法
将数据按分块格网的顺序进行交换，使属 于同一分块格网的数据点连续存放在一片连续 的存储区域中，同时建立一个索引文件，记录 每一块数据的第一点在数据文件中的记录号， 由后一块数据第一点的序号减去该块数据第一 点的序号，就能得到这个块中数据点的个数， 从而迅速找出属于该块的所有数据点。
不需要增加存储量，但计算处理时间较多。
（2）链指针法
对于每一个数据点，增加一个存储单元 （链指针），存放属于同一个分块格网中下一 个点在数据文件中的序号，对该分块格网中的 最后一个点存放一个结束标志。同时建立一个 索引文件，记录每一块数据的第一点在数据文 件中的记录号。
检索时由索引文件得到该块的第一个数据 点，再由第一个点的链指针检索出该块的下一 个点，直到检索出该块中的所有数据点。
7.1 概述
一、数字地面模型的含义（DTM）
DTM是以数字形式描述地球表面形态多种信息（地 形、资源、人口分布、环境、土地利用等等）空间分 布的有序阵列 。简单地说，数字地面模型是地表形态 多种信息的数字表示。
从数学角度看，可用如下公式表示：
K P f k xP , y p
k 1,2, , m p 1,2, , n
规则格网结构DEM的缺点：
➢ 不能准确表示地形的结构与细部；格网过于粗略， 不能精确表达某些重要的地形特征，如山峰、洼坑 、山脊、山谷等。
➢ 如不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同的 地区；
➢ 在地形简单、平坦的地区存在大量冗余数据；
2.不规则三角网DEM（TIN Triangulated Irregular Network ）
四、DEM的建立过程
数据采样 按一定的数据采集方法，在测区内采集一 定数量离散点的平面位置和高程，称为控 制点（也称为数据点或参考点）。

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目录
01. 数字高程模型的基本概念 02. 数字高程模型的制作方法 03. 数字高程模型的应用案例
数字高程模型的定义
数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM） 是一种表示地面高程的数字模型。
DEM通常以网格的形式表示，每个网格单元都有一个 对应的高程值。
DEM可以用于各种地理信息系统（GIS）和遥感（RS） 应用，如地形分析、洪水模拟、土地利用规划等。
DEM的精度和分辨率可以根据实际需求进行调整，以1
规则格网数字 高程模型：将 地表划分为规 则格网，每个 格网内的高程 值相同
数据预处理：对数据进行清洗、去 噪、平滑等处理
数据融合：将不同来源的高程数据 融合，形成统一的高程模型
数据可视化：将高程数据以图形、 图像等形式展示，便于理解和分析
数据可视化
01 02 03 04
01
数字高程模型：将地形数据转化 为可视化的三维模型
02
数据来源：遥感影像、地形图、 实地测量等
03
数据处理：对数据进行预处理， 包括去噪、滤波等
伏等
城市规划：用于城 市规划，如土地利 用、交通规划、环
境评估等
水文分析：用于水 文特征分析，如流 域、河流、湖泊等
灾害预警：用于灾 害预警，如洪水、
滑坡、泥石流等
地质分析：用于地 质特征分析，如地 质构造、地层、岩
石等
军事应用：用于军 事应用，如战场地 形分析、军事设施
规划等
数据采集
地形测量：使 用GPS、激光 雷达等设备获 取地形数据
02
不规则三角网 数字高程模型： 将地表划分为 不规则三角网， 每个三角网内 的高程值相同

3.3 等高线转换成格网DEM
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， 可以通过数字化好的等高线数据插值得到 格网DEM。 一般有三种方法：
等高线离散化法
等高线内插法
等高线构建TIN法
3.3.1等高线离散化法
– 所谓的等高线离散化法，实际上就是用等高线
上的高程点插值，并将这些高程点看作是不规
规则格网模型DEM，可以很容易地用计算机进行处理， 特别是栅格数据结构的地理信息系统。它可以很容易地计
算等高线、坡度、坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，
使它成为DEM最为广泛的使用格式，目前许多国家提供的 DEM数据都是以规则格网模型形式提供的。 以至于一提到DEM，人们往往认为就是规则格网DEM。 从目前的发展趋势看，DEM已经成为规则格网DEM的代
彩色地形图还应经色彩校正，使每幅图像的色彩基本一致。 数字栅格地图在内容上、几何精度和色彩上与国家基本比 例尺地形图保持一致。 应用领域：基础测绘、城市规划、国土资源调查、铁
路、公路、水利、电力、能源、环保、农业、林业、海洋、
电信等。
DLG
数字线划地图（Digital Line Graphic，缩写DLG）是
第七章 DEM与数字地形分析
表面分析
第一节
概述
地表形态的表达 ——从模拟到数字
早期由于测绘知识的缺乏，对地形表面形态的描述主要采 用象形绘图方法进行，例如山体用岩石堆符号表示，山体 范围用一系列的“鱼鳞”符号或类似锥形的符号表示。
17世纪以后，人们逐步意识到地面起伏变化对气温、植被、
环境等的深刻影响，对地面形态的表达成为人们愈来愈关 心的问题，因此以写景方式进行地形刻画成为这一时期的 主流，如先后出现的透视写真图、晕渲法、斜视区域图、 地貌写景图、地貌形态图等等。