交通地理信息系统DTM与地形分析剖析

1、 课课 题：题： DTM与地形分析 目的要求：目的要求： 理解DTM和DEM概念；掌握DEM的主要表示方 法，并能分析其优缺点；了解DEM的数据采集方法；了解 DEM的插值方法；掌握DEM建立的一般作业过程；了解 DEM在地学分析中的主要用途；了解地形可视化的方法。 教学重点：教学重点：DTM，DEM的概念及相互转换方法，DEM的作 业过程。 教学难点：教学难点：DEM分析和应用 教学课时：教学课时：2课时 教学方法教学方法: 讲授 本次课涉及的学术前沿：本次课涉及的学术前沿： 1概述概述 数字地形模型（数字地形模型（DTM, Digital Terrain Model） ： 是地形表面形态属

2、性信息的数字表达，是带有空间位置特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。通常被描述为地形表面形征和地形属性特征的数字描述。通常被描述为地形表面形 态空间位置和地形属性分布的有序数值阵列。它是地表单态空间位置和地形属性分布的有序数值阵列。它是地表单 元上地形参数的集合，通常元上地形参数的集合，通常DTM可由可由DEM生成。生成。 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。 1概述概述 高程模型：高程高程模型：高程Z关于平面坐标关于平面坐标X，Y两个自变量的连续函两个自变量

3、的连续函 数，数字高程模型（数，数字高程模型（DEM）只是它的一个有限的离散表示。）只是它的一个有限的离散表示。 数字高程模型数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）：当数字）：当数字 地形模型中地形属性为高程时即为地形模型中地形属性为高程时即为DEM；它是地表单元上；它是地表单元上 高程的集合高程的集合,通常用矩阵表示；通常用矩阵表示； 广义的广义的DEM可包括等高线，三角网等。这里我们特指由地可包括等高线，三角网等。这里我们特指由地 表矩阵单元构成的高程矩阵。表矩阵单元构成的高程矩阵。DEM是是DTM的一个子集，是的一个子集，是 DTM的一个特例。的一个特例。

4、2 DEM的表示法的表示法 DEM的表示法 数学方法数学方法 整体拟合 局部拟合 图形方法图形方法 等高线 规则格网 不规则格网 DEM 表示方法 数学方法 图形法 整体 局部 傅立叶级数 高次多项式 规则数学分块 不规则数学分块 点数据 线数据 规 则 不规则 水平线 典型线 典型特征 密度一致 密度不一致 三角网 邻近网 山峰、洼坑 隘口、边界 垂直线 山脊线 谷底线 海岸线 坡度变换线 DEM的表示方法 2DEM的主要表示模型的主要表示模型 21 规则格网模型规则格网模型 22 等高线模型等高线模型 23 不规则三角网（不规则三角网（TIN）模型）模型 24 层次模型层次模型 2.1规则

5、格网模型 规则格网：规则格网：将区域空间 切分成为规则的格网单元， 每个格网单元对应一个数 值。数学上有一个矩阵表 示，计算机里面表示为一 个二维数组。 2.1规则格网模型 格网值的两种观点：格网值的两种观点： 格网栅格观点：格网栅格观点：格网值是该格网高程内所有高程点的值 点栅格观点点栅格观点：格网值是中心点的值或平均高程值 规则格网的优缺点：规则格网的优缺点： 优点：优点：结构简单，计算机处理方便 缺点：缺点： 在平坦地区出现大量的数据冗余； 若不改变格网大小，就不能适应不同的地形条件；因此 无法准确表示地形结构和细部特征 在视线计算中过分依赖格网轴线 2.2 等高线模型 等高线 B A

6、F C G E H D 等高线和相应的自由树 等高线模型中，高程值的集等高线模型中，高程值的集 合是已知的。每条等高线对合是已知的。每条等高线对 应一个已知的高程值，一系应一个已知的高程值，一系 列等高线集合和它们的高程列等高线集合和它们的高程 值一起构成了一种地面高程值一起构成了一种地面高程 模型。模型。 等高线的拓扑关系可以用 图来表达，等高线之间的 区域为图的节点，边表示 等高线本身。 等高线存储：等高线通常被存成等高线存储：等高线通常被存成 一个有序的坐标点对序列，即可一个有序的坐标点对序列，即可 以看成是带有高程属性的简单多以看成是带有高程属性的简单多 边形或多边形弧段。边形或多边形

7、弧段。 等高线模型只表达了区域的部分等高线模型只表达了区域的部分 高程值，因此等高线以外的其他高程值，因此等高线以外的其他 点的高程，要通过插值进行计算，点的高程，要通过插值进行计算， 通常只使用外包的两条等高线高通常只使用外包的两条等高线高 程进行插值。程进行插值。 2.3 不规则三角网（TIN）模型 邻接三角形 1 X Y Z 2 X Y Z 3 X Y Z 4 X Y Z 5 X Y Z 6 X Y Z 7 X Y Z 8 X Y Z 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 顶点 5 6 8 7 5 4 2 3 6 5 7 4 6 5 4 4 8

8、8 8 7 2 1 X 3 1 2 6 4 5 3 4 X X 5 8 7 X 6 2 8 6 7 X X 点文件 三角形文件 1 1 1 2 5 4 4 3 三角网的一种存储方式 若对于每个三角形、边和节点都对应一个记录，三角形记 录三条边的指针、边记录两个顶点以及相邻多边形指针， 怎么表达？（用表格表示） 2.4 层次模型 层次模型层次模型 一种表达多种不同精度水平的数字高程模型， 大多数层次模型是基于不规则三角网模型的。 层次模型目前还存在一些尚需解决的问题， 没有公认的最好解决方案。 3DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换 不规则点集生成不规则点集生成TIN 不规则三角网（不规则

9、三角网（Triangulated Irregular Network, TIN） 是另外一种表示数字高程模型的方法，它既减少规则是另外一种表示数字高程模型的方法，它既减少规则 格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效 率方面又优于纯粹基于等高线的方法。率方面又优于纯粹基于等高线的方法。 TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角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角形内。如果点不在顶点上

10、，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，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）。所以在三角形内则用三个顶点的高程）。所以TIN是一个三是一个三 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 不规则点集生成不规则点集生成TIN Delauney三角网和Voronoi图（偶图）： Voronoi图即泰森多边形，由一组连续多边形组 成，多边形的边界是由连接两邻点直线的垂直 平分线组成。每个点与它的最近邻域有关，将 相邻的Voronoi图中的点连接而成的三角形即 Delauney三

11、角形。 不规则点集生成不规则点集生成TIN 局部优化过程（LOP）（Lawson，1997） 3DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换 格网DEM转成TIN 保留重要点（VIP）法 启发丢弃法 (DHDrop Heuristic ) P A B C D E F G H Z AEP d VIP方法示意 DH方法转换格网DEM成TIN 过O点与三角形 BCE的交点O的高 程差d与阈值比较 3DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换 等高线转成格网DEM 使用局部插值算法往往 出现问题，阶梯地形的 出现 解决方法是使用针对等 高线插值的专用方法， 或者将等高线数据点减 至最少，增加标识山峰、

12、山脊、谷底和坡度突变 的数据点，并使用较大 的搜索窗口 等值线插值造成“阶梯地形” 3DEM模型之间的相互转换模型之间的相互转换 利用格网DEM提取等高线 将格网中的每个点视为几何点而不是矩形区域 TIN转成格网DEM 看做是不规则点生成规则格网DEM，方法是按 要求的分辨率大小和方向生成规则格网，对每 一个格网搜索最近的TIN数据点，然后按插值 函数计算格网点高程。 26242324283532 34383534404332 31434847524130 26364759443527 314348373022 273743342316 11192825311123 17 24 4DEM的建立

13、 DEM数据采集方法 地面测量地面测量 现有地图数字化现有地图数字化 空间传感器空间传感器 数字摄影测量获取数字摄影测量获取DEM DEM生成方法 DEM数据质量控制 渐进采样 4DEM的建立 1. 地面测量法地面测量法 这种方法以地面实测记录为数据源，利用GPS、 全站仪和电子手簿或测距经纬仪等设备，在已知 点位的测站上，观测到目标点的方向、距离和高 差3个要素。计算出目标点的（x,y,z）三维坐标， 存储于电子手簿或袖珍计算机中，成为建立DEM 的原始数据。这种方法一般用于建立小范围大比 例尺区域的DEM，对高程的精度要求较高。 DEM数据采集方法数据采集方法 4DEM的建立 2.地形图数

14、字化法地形图数字化法 这种方法以比例尺大于1:1万的国家近期地形图为 数据源，从中量取中等密度地面点集的高程数据， 建立DEM。其方法有下面几种： （1）手工采集法）手工采集法 采用方格膜片、网点板或带刻划的平移角尺叠置 在地形图上，并使地形图的格网与网点板或膜片 的格网线逐格匹配定位，自上而下，逐行从左到 右量取高程。当格网交点落在相邻等高线之间时， 用目视线性内插法估计高程值。它的优点是几乎 不需要购置仪器设备，而且操作简便，但效率低。 DEM数据采集方法数据采集方法 4DEM的建立 （2）手扶跟踪数字化仪采集法）手扶跟踪数字化仪采集法 可采用如下3种方式进行采集： 逐条等高线的线方式连续

15、采集样点，并采集所有高程注 记点作补充，这种方式适合于等高线较稀疏的平坦地区。 沿主要等高线采集特征点，并选择采集高程注记点和线 性加密点作补充。 沿曲线和坡折线采集特征点，并补采峰鞍线和水边线 的支撑点，分别以等高线，峰鞍链和边界格式存储。 （3）扫描采集法）扫描采集法 这种方法利用扫描仪扫描地图，从地图扫描数据中自动地 建立DEM。这种方式采集速度快。随着研究的不断深入， 一些难点和瓶颈问题被逐步解决，目前自动建立DEM技术 已达到实用水平。 DEM数据采集方法数据采集方法 4DEM的建立 3.空间传感器空间传感器 利用GPS，结合雷达和激光测高仪进行数据采集 4. 摄影测量法摄影测量法

16、摄影测量法以航空或航天遥感图像为数据源，利 用遥感立体像对，采用摄影测量的方法建立空间 地形立体模型，量取密集数字高程数据，建立 DEM。采集数据的摄影测量仪器包括附有自动记 录装置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。 DEM数据采集方法数据采集方法 4DEM的建立 涉及涉及DEM数据采集的摄影测量采样方法如下：数据采集的摄影测量采样方法如下： （1）沿等高线采样 在地形复杂及陡峭地区，可采用沿等高线跟踪方 式进行数据采集，而在平坦地区，则不宜沿等高 线采样。 （2）规则格网采样 利用解析测图仪在立体模型中按规则矩形格网进行 采样，直接构成规则格网DEM。 DEM数据采集

17、方法数据采集方法 4DEM的建立 （3）选择采样 为了准确反映地形，可根据地形特征进行选择采根据地形特征进行选择采 样样，例如沿山脊线、山谷线、断裂线等进行采集 以及离散碎部点（如山顶）的采集。这种方法获这种方法获 取的数据尤其适合于不规则三角网取的数据尤其适合于不规则三角网DEMDEM的建立的建立。 （4）渐进采样 这种采样方法的目的是使采样点分布合理，即平 坦地区样点少，地形复杂区的样点较多。 DEM数据采集方法数据采集方法 4DEM的建立 （5）混合采样 为了同步考虑采样的合理性和效率，可将规则采规则采 样或渐进采样样或渐进采样与选择采样选择采样结合进行混合采样，即即 在规则采样的基础上

18、再进行沿特征线、点采样在规则采样的基础上再进行沿特征线、点采样。 利用混合采样可建立附加地形特征的规则格网 DEM，也可建立附加特征的不规则三角网DEM。 DEM数据采集方法数据采集方法 4DEM的建立 （6）自动化DEM数据采集 上述方法均是基于解析测图仪或机助制图系 统利用半自动的方法进行DEM数据采集，现在已 经可以利用自动化测图系统进行完全自动化的完全自动化的 DEM数据采集数据采集。此时可按相片上的规则格网利用 数字影像匹配进行数据采集。 最后摄影测量获取的DEM数据点都要按一定插值 方法转成规则格网DEM或规则三角网DEM格式数 据。 DEM数据采集方法数据采集方法 4DEM的建立

19、 将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角点 的高程值、构成数字高程模型。 1）人工网格法）人工网格法 DEM的生成方法的生成方法 2）立体像对分析）立体像对分析 通过遥感立体像对，根据视差模型、自动 选配左右影像的同名点，可建立数字高程 模型。 4DEM的建立 对有限个离散点，每三个邻近点联接成三 角形，每个三角形代表一个局部平面，再 根据每个平面方程，可计算各格网点高程， 生成DEM。 3）三角网方法（）三角网方法（TIN） DEM的生成方法的生成方法 4DEM的建立 根据有限个离散点的高程、采用多项式或 样务函数求得拟合公式，再逐一计算各点 的高程，可得到拟合的DEM。 DEM的生成方法的生成

20、方法 4）曲面拟合）曲面拟合 4DEM的建立 根据各局部等值线上的高程点，通过插值 公式计算各点的高程，得到DEM。 等值线插值法是比较常用的方法，输入等 值线后，可在矢量格式的等值线数据基础 上进行，插值效果较好。 5）等值线插值）等值线插值 DEM的生成方法的生成方法 4DEM的建立 DEM生成的全过程包括： 原始数据获取、 DEM模型构造， 数据插值、 在所定的数据结构支持下的数据存储和模型输出。 DEM的生成流程的生成流程 全要素地形图 地图扫描 人机交互等高线矢量化 加测注记点 等高线赋值与检查 周边等高线地图的数据获取 构造三角网 内插DEM网格 DEM建库与刻盘质量检测与元数据文

21、件记录 以地形图数字化为例，说明以地形图数字化为例，说明DEM的生成过程的生成过程 (见图见图) 从等高线可以直 接生成TIN，也 可以直接生成 DEM，另外DEM 也可以通过等高 线生成TIN后， 再内插得到。 4DEM的建立 DEM数据采集之前，按照所需的精度要求确定合 理的取样密度，或者在DEM数据采集过程中根据 地形复杂程度动态调整采样点密度。太稀，会降 低精度，过密，会增大数据量，和不必要的存储 量。 很多DEM来源于地形图，因此其精度不会高于原 始地形图。 DEM的数据质量可以参考美国USGS的分级标准 DEM数据的质量控制数据的质量控制 5DEM的分析和应用 格网格网DEM应用应

22、用 地形曲面拟合 立体透视图 通视分析 流域特征地貌提取与地形自动分割 DEM计算地形属性 光源来自西北产生正立体光源来自西北产生正立体 光源来自东南产生反立体光源来自东南产生反立体 由由DEMDEM产生的地面晕渲图产生的地面晕渲图 5DEM的分析和应用 立体透视图立体透视图 透视立体图能更好地反映地形的立体形态，非常透视立体图能更好地反映地形的立体形态，非常 直观。与采用等高线表示地形形态相比有其自身直观。与采用等高线表示地形形态相比有其自身 独特的优点，更接近人们的直观视觉独特的优点，更接近人们的直观视觉 例如局部放大，改变高程值例如局部放大，改变高程值Z的放大倍率以夸大立的放大倍率以夸大

23、立 体形态；改变视点的位置以便从不同的角度进行体形态；改变视点的位置以便从不同的角度进行 观察，甚至可以使立体图形转动，使人们更好地观察，甚至可以使立体图形转动，使人们更好地 研究地形的空间形态研究地形的空间形态 格网格网DEM应用应用 建立透视变换基础 DEM高程阵列剖面布设 消除隐藏线处理 粘贴表面影象与纹理 制作透视立体图的基本流程制作透视立体图的基本流程 透视变换原理透视变换原理TINTIN构成的三维模型构成的三维模型 DEMDEM与正射影像叠合的地面三维模型与正射影像叠合的地面三维模型 5DEM的分析和应用 通视分析通视分析 通视分析有着广泛的应用背景。典型的例子是观通视分析有着广泛

24、的应用背景。典型的例子是观 察哨所的设定，显然观察哨的位置应该设在能监察哨所的设定，显然观察哨的位置应该设在能监 视某一感兴趣的区域，视线不能被地形挡住。这视某一感兴趣的区域，视线不能被地形挡住。这 就是通视分析中典型的点对区域的通视问题就是通视分析中典型的点对区域的通视问题 与此类似的问题还有森林中火灾监测点的设定，与此类似的问题还有森林中火灾监测点的设定， 无线发射塔的设定等无线发射塔的设定等 有时还可能对不可见区域进行分析，如低空侦察有时还可能对不可见区域进行分析，如低空侦察 飞机在飞行时，要尽可能躲避敌方雷达的捕捉，飞机在飞行时，要尽可能躲避敌方雷达的捕捉， 飞行显然要选择雷达盲区飞行

25、飞行显然要选择雷达盲区飞行 格网格网DEM应用应用 5DEM的分析和应用 通视分析通视分析 通视问题可以分为五类：通视问题可以分为五类： 已知一个或一组观察点，找出某一地形的可见区域已知一个或一组观察点，找出某一地形的可见区域 欲观察到某一区域的全部地形表面，计算最少观察点数量欲观察到某一区域的全部地形表面，计算最少观察点数量 在观察点数量一定的前提下，计算能获得的最大观察区域在观察点数量一定的前提下，计算能获得的最大观察区域 以最小代价建造观察塔，要求全部区域可见以最小代价建造观察塔，要求全部区域可见 在给定建造代价的前提下，求最大可见区在给定建造代价的前提下，求最大可见区 格网格网DEM应

26、用应用 5DEM的分析和应用 通视分析通视分析 根据问题输出维数的不同，通视可分为点的通视，根据问题输出维数的不同，通视可分为点的通视， 线的通视和面的通视线的通视和面的通视 点的通视是指计算视点与待判定点之间的可见性点的通视是指计算视点与待判定点之间的可见性 问题问题 线的通视是指已知视点，计算视点的视野问题线的通视是指已知视点，计算视点的视野问题 区域的通视是指已知视点，计算视点能可视的地区域的通视是指已知视点，计算视点能可视的地 形表面区域集合的问题。基于格网形表面区域集合的问题。基于格网DEM模型与基模型与基 于于TIN模型的模型的DEM计算通视的方法差异很大计算通视的方法差异很大 格

27、网格网DEM应用应用 5DEM的分析和应用 通视分析通视分析 根据问题输出维数的不同，通视可分为点的通视，根据问题输出维数的不同，通视可分为点的通视， 线的通视和面的通视线的通视和面的通视 点的通视是指计算视点与待判定点之间的可见性点的通视是指计算视点与待判定点之间的可见性 问题问题 线的通视是指已知视点，计算视点的视野问题线的通视是指已知视点，计算视点的视野问题 区域的通视是指已知视点，计算视点能可视的地区域的通视是指已知视点，计算视点能可视的地 形表面区域集合的问题。基于格网形表面区域集合的问题。基于格网DEM模型与基模型与基 于于TIN模型的模型的DEM计算通视的方法差异很大计算通视的方

28、法差异很大 格网格网DEM应用应用 5DEM的分析和应用 格网格网DEM应用应用 利用利用DEM做通视分析做通视分析 地形及地形及P P、P P两点位置两点位置 距离 高程 210421631842105212621473168318942104 90895910101061 P点不可见地区P点可见地区 P P v 可视性分析的基本用途可视性分析的基本用途 a a、可视查询。、可视查询。 b b、地形可视结构计算、地形可视结构计算 ( (即可视域的计算即可视域的计算) )。 c c、水平可视计算。、水平可视计算。 ARC/VIEW ARC/VIEW 可视域提取可视域提取 5DEM的分析和应用

29、流域特征地貌提取与地形自动分割流域特征地貌提取与地形自动分割 地形因素是影响流域地貌、水文、生物等过程的地形因素是影响流域地貌、水文、生物等过程的 重要因子，地形属性的空间分布特征一直是人们重要因子，地形属性的空间分布特征一直是人们 用于描述这些空间过程变化的重要指标用于描述这些空间过程变化的重要指标 高精度高精度DEM数据和高分辨率、高光谱、多周期的数据和高分辨率、高光谱、多周期的 遥感影像，为人们定量描述流域空间变化过程提遥感影像，为人们定量描述流域空间变化过程提 供了日益丰富的数据源，而且人们对流域地貌、供了日益丰富的数据源，而且人们对流域地貌、 水文和生物等过程空间变化机理理解的不断加

30、深，水文和生物等过程空间变化机理理解的不断加深， 可以说人类已经进入了一个可以说人类已经进入了一个“空间模拟空间模拟”的时代的时代 格网格网DEM应用应用 ARC/VIEWARC/VIEW提取地面水系分布图示例提取地面水系分布图示例 5DEM的分析和应用 流域特征地貌提取与地形自动分割流域特征地貌提取与地形自动分割 基于基于DEM数据自动提取流域地貌特征和进行流域数据自动提取流域地貌特征和进行流域 地形自动分割是进行流域空间模拟的基础技术地形自动分割是进行流域空间模拟的基础技术 基于格网基于格网DEM自动提取流域特征地貌和进行地形自动提取流域特征地貌和进行地形 自动分割技术主要包括两个方面：自

31、动分割技术主要包括两个方面： （1）流域地貌形态结构定义，定义能反映流域结）流域地貌形态结构定义，定义能反映流域结 构的特征地貌，建立格网构的特征地貌，建立格网DEM对应的微地貌特征。对应的微地貌特征。 格网格网DEM应用应用 5DEM的分析和应用 流域特征地貌提取与地形自动分割流域特征地貌提取与地形自动分割 （2）特征地貌自动提取和地形自动分割算法。格）特征地貌自动提取和地形自动分割算法。格 网网DEM数据是一些离散的高程点数据，每个数据数据是一些离散的高程点数据，每个数据 本身不能反映实际地表的复杂性。为了从格网本身不能反映实际地表的复杂性。为了从格网 DEM数据中得到流域地貌形态结构，必

32、须采用一数据中得到流域地貌形态结构，必须采用一 个清晰的流域地貌结构模型，然后针对该结构模个清晰的流域地貌结构模型，然后针对该结构模 型设计自动提取算法型设计自动提取算法 格网格网DEM应用应用 5DEM的分析和应用 DEM计算地形属性计算地形属性 由由DEM派生的地形属性数据可以分为单要素属性派生的地形属性数据可以分为单要素属性 和复合属性二种和复合属性二种 前者可由高程数据直接计算得到，如坡度因子，前者可由高程数据直接计算得到，如坡度因子， 坡向坡向 后者是由几个单要素属性按一定关系组合成的复后者是由几个单要素属性按一定关系组合成的复 合指标，用于描述某种过程的空间变化，合指标，用于描述某

33、种过程的空间变化， 格网格网DEM应用应用 （1） 高程分级高程分级 等间距或不等间距划分为若干高程等级，如用来区 分丘陵、低山、中山、高山等 DEM计算地形属性计算地形属性 式中n的计算单元内栅格个数； h（Pk）为第k点的高程。 n k k ph n h 1 )( 1 （2） 平均高程平均高程 5DEM的分析和应用 （3）相对高程）相对高程 设参考高程为hm，则各栅格点上相对高程为： k=1，Nhmphph kk DEM计算地形属性计算地形属性 5DEM的分析和应用 （4 4）极值高程和高差）极值高程和高差 minmax max max hhh phMINh phMAXh k k （5 5）坡度）坡度 切面方程： 坡度为该平面法线与水平面法线之间的夹角： 将计算结果划分为91级（0-90），为代表水平面的情况。 zbyaxyxZ, 1sec 22 baarca DEM计算地形属性计算