《数字地面模型原理及应用》课程复习大纲.docx

数字地面模型原理及应用课程复习大纲第一讲 概论1、熟练掌握地图表达地表形态的内容和基本特点；掌握等高线地形图的特性； 基本内容：对客观存在的特征和变化规则的一种科学的概括（综合）和抽象基本特点：数学法则带来的可量测性；制图综合产生的一览性；内容符号引起 的直观性特性：A用来准确描述地貌形态的地图；B所有的地物信息都正交的投影在水平 面上；C用线化和符号表示缩小后的地物；D地物高度和地形起伏信息 有选择性的用等高线来进行表达2、熟练掌握影像表达地表形态的特点和优势； 特点：周期短、覆盖面广、现势性强、能够重建实际地形的立体模型、能够进 行精确的三维量测优势：细节丰富、成像快速、直观逼真 3、熟练掌握模型的概念；理解模型的目的；熟练掌握模型的层次；理解数学模型的优点和评价标准； 模型：用来表现其它事物的一个对象或概念，是按比例缩减并转变到我们能够理解的形式的事物本体。模型的目的：a预测、控制 b表现系统或现象的最初状态 c 表现假定或预测 的情形模型的层次：概念模型、物质模型、数学模型数学模型的优点：（1） 它是理解现实世界和发现自然规律的工具；（2） 提供了考虑所有可能性、评价选择性和排除不可能性的机会；（3） 帮助在其它领域推广或应用解决问题的结果；（4） 帮助明确思路，集中精力关注问题重要的方面；（5） 使得问题的主要成分能够被更好的观察，同时确保交流，减少模糊，并改进关于问题一致性看法的机会。评价标准:（1） 精确性：模型的输出是正确的或非常接 近正确；（2） 描述的现实性：基于正确的假设；（3） 准确性：模型的预测是确定的数字、函 数或几何图表等；（4） 可靠性：对输入数据中的错误具有相对免疫力（5） 一般性：适用于大多数情况；（6） 成效性：结论有用并可以启发或指导其它好的模型。4、熟练掌握数字高程模型的概念；掌握数字高程模型的分类体系；熟练掌握数字高程模型的特点；概念： 狭义上，DEM是区域地表面海拔高程的数字化表达。广义上，DEM是地理空间中地理对象表面海拔高度的数字化表达。数学意义上，DEM是定义在二维空间上的连续函数H=f(x,y)，即区域D的采样点或内插点Pj按某种规则连接成的面片M的集合。分类：1、按结构分:基于面单元的DEM、基于先单元的DEM、基于点单元的DEM 2、按连续性分：不连续性DEM、连续不光滑DEM、光滑DEM 3、按范围分：局部DEM、地区DEM、全局DEM数字高程模型的特点: 精度的恒定性；表达的多样性；更新的实时性；尺度的综合性。5、熟练掌握数字高程模型与数字地面模型的联系与区别； 数字地面模型描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列。数字地面模型是对某一种或多种地面特性空间分布的数字描述，是叠加在二维地理空间上的一维或多维地面特性向量空间，是地理信息系统（GIS）空间数据库的某类实体或所有这些实体的总和。数字地面模型的本质共性是二维地理空间定位和数字描述。6、熟练掌握地形高程数据的获取方法； （1）地形图数字化: 主要数据源，可通过手工数字化、半自动等高线跟踪、扫描数字化等方式实现。（2）影像数据: 包括航空影像和卫星影像数据，是大范围、高精度、高分辨率DEM建立的最有价值的数据源。（3）野外（地面测量）: 可获得最精确的高程和平面数据，但工作量大、周期长、成本高。7、了解数字高程模型的应用范畴与前景。 第二讲 DEM数据组织与管理1、理解空间数据模型的概念及特性； 概念：对空间对象及其关系的描述，根据空间对象与应用有关的目标的需要而对空间对象的一种提取，是空间数据组织和空间数据库设计的基础；属于概念层次的空间对象语义描述，具体表达要按一定的结构对空间数据进行组织特性：2、掌握空间数据模型设计的基本原则； 适用性、运行性、更新性、相关性、相容性、先进性、高质量、完备性、安全性、3、熟练掌握镶嵌数据模型的概念和基本思想；掌握镶嵌数据模型的基本原理和构造方法；概念：基本思想：空间对象可用相互连接在一起的网络来覆盖和逼近，或者说用在二维区域上的网络划分来覆盖整个区域。基本原理：用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。构造方法：用数学手段将研究区域进行网格划分，把连续的地理空间离散为互不覆盖的网格，然后对网格单元附加相应的属性信息。4、熟练掌握规则镶嵌数据模型的优点和缺点； 优点：其数据结构为二维矩阵结构，格网单元表示二维空间位置，利用数学公 式访问方便，算法多且成熟；具有隐式坐标，不需要进行坐标数字化。缺点：不管地形变化复杂还是简单，均采用相同的结构，导致数据冗余而给数 据管理带来不便5、理解行程编码结构的基本思路：对于一幅DEM，常常在行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的高程值，因而从第一列开始，在格网单元数值发生变化时依次纪录该值以及重复的个数，应用时可利用重复个数恢复DEM矩阵。理解块状编码结构的基本原理：行程编码方案从一维到二维的扩展，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。理解四叉树数据结构的基本思想：首先把一幅图象或一幅栅格地图(2n2n，n1)等分成4部分，逐块检查其栅格值，若每个子区中所有栅格都含有相同值，则该子区不再往下分割，否则，将该区域再分割成4个子区域，如此递归地分割，直到每个子块都含有相同的灰度或属性值为止，称为自上往下(Top to Down)的四叉树 。6、熟练掌握规则格网DEM与不规则三角网（TIN）数据结构之间优缺点比较，并熟练掌握模型采用何种结构主要考虑的因素； 规则格网DEM不规则三角网TIN优点简单的数据存储结构较少的点可获取较高的精度与遥感影像数据的相合性可变分辨率良好的表面分析功能良好的拓扑结构缺点计算效率较低表面分析能力较差数据冗余构建比较费时格网结构规则算法设计比较复杂主要考虑的因素：数据的可获取性；地形曲面特点以及是否考虑特征点、线；目的和应用；原始数据的比例尺和分辨率。7、理解DEM数据库的内容和实现方式；了解DEM数据库结构；了解细节层次模型的概念； DEM数据库的内容：数据库设计、数据组织方法、元数据、数据库功能等。实现方式： （1）基于文件系统和空间索引的方式；（2）基于关系数据库的方式DEM数据库结构：实质为DEM的数据结构8、熟练掌握元数据的概念；掌握DEM元数据的基本作用。 概念：关于数据的数据，是对有关数据体、数据集合等在内容、性能、特征、规律等方面的解释和说明。DEM元数据的基本作用：（1）可用性(availability)：用以确定是否存在关于某个地理位置的一组数据； (2)适用性(fitness for use)：用以评估这组数据是否适用； (3)存取(access)：用以确定获得验证过的数据的手段；(4)变换(transfer)：用以成功地处理（如变换）和使用这组数据。第三讲 DEM数据获取方法1、理解既有地形图的特点； （1）地形图现势性（2）地形图储存介质（3）地形图精度2、理解地形的结构特征； 变坡点：坡度发生变化的点，是一种特征点。 凹（凸）点：以直角的坡度来突然变化的点。 断裂线：特殊情况下，坡度突然变化的线。3、了解地貌类型的划分； 地貌学：黄土地貌、风成地貌、喀斯特地貌、丹霞地貌等地理学：平原、高原、丘陵、低山、高山、极高山等测绘学：根据地表坡度和高差对地形进行分类地形类别基本等高距/m地形坡度/()高差/m平地10（5）2小于80丘陵地102680300山地20625300600高山地20256004、掌握坡度的概念和计算方法； 坡度表示地表面在该点倾斜程度的一个量；从数学上来讲，坡度等于地表曲面函数在该点的切平面与水平面夹角的正切5、熟练掌握DEM数据源的三大属性； 数据分布：指采样数据位置及分布。位置可由地理坐标系中的经纬度或直角坐标系中的东北向坐标值决定。数据密度：指采样数据的密集程度，与研究区域的地貌类型和地形复杂程度相关。数据精度：与数据源、数据采集方法和数据采集的仪器密切相关。6、熟练掌握采样的理论背景；理解基本采样理论的概念； 理论背景：地表包含无穷多的点； 特定区域的地表信息可通过DEM的重建完整表达出来； 只需要测量表达相应地表所需要的数据点以达到一定的地形表面精度和可信度即可。 概念：由采样数据而获得的格网点信息仅能表述哪些波长大于（或等于）2倍采样间隔的信息。7、掌握基本的采样方法； 1） 沿等高线采样 在模型上沿等高线采集高程点， 可按等距离间隔记录数据或按等时间间隔记录数 据方式进行，适合于地形复杂及陡峭地区。2） 规则格网采样 通过规定X和Y轴方向的间距来 形成平面格网，在立体模型上量测这些格网点的高程。方法简单、精度较高、作业效率也较高；特征点可能丢失；3） 剖面法采样 方法类似规则格网采样，区别在于 格网法中量测点是在格网的两个方向上都规则采样，而剖面线法只沿一个方向即剖面方向采样；其采样速度优于格网采样，但精度较格网采样低。4） 渐进采样法 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。5） 选择性采样 为了准确反映地形信息，根据地形 特征进行的选择性采样。突出优点在于只需少量的点便能使其所代表的地面具有足够的可信度 。6） 混合采样 选择采样与规则格网采样或选择采样与渐进采样相结合，在地形突变处以选择采样的方式进行，然后将这些特征线和另外一些特征点加入到规则格网数据中。具有格则格网采样与渐进采样的优点，但数据的存储管理与应用均较复杂。8、熟练掌握DEM原始数据粗差处理的特殊性。 不存在平差问题；粗差大小难于界定第四讲 DEM内插1、熟练掌握DEM内插的概念；根据相邻若干参考点高程值求出待定点高程值。2、熟练掌握必须进行DEM内插的情况；(1)现有的离散点的分辨率与所要求的不符，需要重新插值；(2)现有的连续曲面的数据模型与所需的数据模型不符，需要重新插值；(3)现有的数据不能完全覆盖所要求的区域范围，需要插值。 3、掌握DEM的本质； DEM的实质就是一个分片的曲面（平面）模型，无论是DEM建立还是DEM点的高程内插，一般都是在局部范围进行。4、理解地形空间的分布特征和DEM的数学特征； 空间分布特征：（1）各向异性：地形起伏在空间上的分布随方向的变化而变化，即在地形单元的微小范围内，高程在各个方向上的变化是不一样的；（2）自相关性：在空间上越靠近的事物或现象就越相似。（正相关、负相关、不相关）DEM数学特征：单值性DEM只能表达地表单元处的一个属性值，而不能表达同一个位置上的多个属性值；DEM所表达的地形表面连续而不光滑，DEM单元内部是光滑的数学曲面函数，但单元之间的曲面法向量并不是平缓过渡，而是在单元连接处存在突变。5、熟练掌握DEM内插的基本原理和方法分类； 基本原理:（1）任意一种内插方法都是基于原始地形起伏变化的连续光滑性，或者说邻近的数据点间有很大的相关性才可能由邻近的数据点内插出待定点的高程；(2)对高程点的位置变换和加密处理，其数学基础是二元函数逼近，即利用已知地形采样点集的三维空间数据坐标，展铺一张连续的数学曲面，将任一待求点的平面坐标代入曲面方程，可求得该点的高程数据。方法分类：书上 P936、理解整体内插的优、缺点； 在整个区域用一个数学函数来表达地形曲面。优点：易于理解缺点：整体内插函数保凸性较差；不容易得到稳定的数值解；多项式系数物理意义不明显；解算速度慢且对计算机容量要求较高；不能提供内插区域的局部地形特征。7、理解局部分块内插的基本原理；熟练掌握线性内插和双线性内插的原理； 理解二元样条函数内插和最小二乘配置内插的基本原理； P93局部分块内插：将地形区域按一定的方法进行分块，对每一块根据地形曲面特征单独进行曲面拟合和高程内插。线性内插：线性内插是首先使用最靠近插值点的三个已知数据点确定一个平面，继而求出内插点的高程值的方法。双线性内插：使用最靠近插值点的四个已知数据点组成一个四边形，进而确定一个双线性多项式来内插待插点的高程值的方法。基于格网的内插广泛采用这种方法。二元样条函数内插：曲面与其相邻分块的边界上所有n-1次导数都连续的n次多项式，称为样条函数。最小二乘配置内插:8、熟练掌握逐点内插法的基本概念和原理；掌握逐点内插法的基本步骤；理解逐点内插法的关键问题； 概念：以内插点为中心，确定一个邻域范围，用落在邻域范围内的采样点计算内插点的高程值。基本步骤：（1）定义内插点的邻域范围；（2）确定落在邻域内的采样点；（3）选定内插数学模型；（4）通过邻域内的采样点和内插数学模型计算 内差点的高程。 关键问题 ： 内插函数 ； 邻域大小和形状；邻域内数据点的个数； 采样点的权重； 采样点的分布；附加信息的考虑9、掌握整体内插、分块内插、逐点内插和剖分内插的优缺点比较。 整体内插分块内插逐点内插剖分内插优点易于理解 能够较好保留地物细节，内插面连续（双线性内插）应用简便 能适应各种数据分布，能方便处理地形特征线缺点 对于复杂地形，少量参考点不足以描述整个地形，大量参考点易出现抖动，不稳定 难于确定分块大小计算量大 涉及求解大量复杂方程组，应用不便第五讲 不规则三角网TIN的建立1、熟练掌握基于不规则三角网的数字高程模型的概念； 基于不规则三角网的数字高程模型（TIN）是指用一系列不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形来表示地形表面。2、掌握TIN的基本元素； 节点： 是相邻三角形的公共顶点，也是用来构建TIN的采样数据。边：指两个三角形的公共边界，是TIN不光 滑性的具体反映。面： 由最近的三个节点所组成的三角形面，是TIN描述地形表面的基本单元。3、熟练掌握TIN模型中三角形几何形状的基本原则； 尽量接近正三角形；保证最近的点形成三角形；三角形网络唯一。4、掌握常用的三角剖分准则，熟练掌握空外接圆准则； 空外接圆准则 在TIN中，过每个三角形的外接圆均不包含点集的其余任何点。最大最小角准则 在两相邻三角形形成的凸四边形中，这两三角形中的最小内角一定大于交换凸四边形对角线后所形成的两三角形的最小内角。短距离和准则 在TIN中，一点到基边两端的距离和为最小。张角最大准则 一点到基边的张角为最大。面积比准则 三角形内切圆面积与三角形面积或三角形面积与周长平方之比最小。对角线准则 两三角形组成的凸四边形的两条对角线之比超过给定限定值时，对三角形进行优化。5、掌握Delaunay三角网的概念和特性；熟练掌握局部优化过程(LOP)的概念和基本思想； 概念：指在空外接圆准则、最大最小角准则下进行的三角剖分，简称DT。特性：可最大限度避免狭长三角形的出现以及不管从何处开始构网都能保持三角形网络的唯一性。局部优化过程(LOP)概念：只有在带约束条件的Delaunay法则满足的条件下，由相邻三角形组成的凸四边形的局部最佳对角线才被选取。局部优化过程(LOP)基本思想：运用 DT 三角网的空外接圆性质对两个有公共边的三角形组成的四边形进行判断。如果其中一个三角形的外接圆中含有第四个顶点，则交换四边形的对角线。在任何三角剖分准则下得到的TIN，只要用L