DEM数据组织与管理课件

1、数字高程模型数字高程模型第二章第二章 DEM数据组织与管数据组织与管理理 2.1概述 数字高程模型是地形曲面的数字化表达，也就是说，DEM是在计算机存储介质上科学、真实地描述、表达和模拟地形曲面实体，因此它的建立实际上是一种地形数据的建模过程。 DEM的建立首先要对地形曲面进行抽象、总结和提炼，形成高度概括的地形曲面数据模型，然后在此数据模型基础上，将观测数据按照一定的结构组织在一起，形成对数据模型的表述，最后借助计算机实现数据管理和地形重建。 按一定结构组织在一起的地形数据，一般通过数据库进行管理和调度（当然小范围的数据也可采用文件形式进行管理）。 DEM数据设计一般遵循以下的基本原则：数据

2、设计一般遵循以下的基本原则：适用性，满足主要用户的需求，并充分兼适用性，满足主要用户的需求，并充分兼顾潜在用户的需求；顾潜在用户的需求；运行性，快速显示和查询，保持正常运行，运行性，快速显示和查询，保持正常运行，可以及时提供数据产品；可以及时提供数据产品；更新性，能对数据库中的数据进行增加、更新性，能对数据库中的数据进行增加、修改和删除，方便地扩充和进行数据更新；修改和删除，方便地扩充和进行数据更新；相关性，保证与其他基础地理信息产品的相关性，保证与其他基础地理信息产品的相关性，使数据库在数学基础、坐标系统以及产相关性，使数据库在数学基础、坐标系统以及产品一致性方面相关；品一致性方面相关； 相

3、容性，与其他类型数据库系统兼容，可相容性，与其他类型数据库系统兼容，可以共享或相互交换数据；以共享或相互交换数据；先进性，采用科学的技术手段，使系统保先进性，采用科学的技术手段，使系统保持一定的先进性；持一定的先进性；高质量，与原始资料一致，数据质量可靠，高质量，与原始资料一致，数据质量可靠，数据标准、规范；数据标准、规范；完备性，除了基本的数据体外，有完备的完备性，除了基本的数据体外，有完备的元数据内容；元数据内容；安全性，有严密的权限控制机制。安全性，有严密的权限控制机制。 2.2 DEM数据模型数据模型GIS的空间数据模型从认知角度讲有三类：基于对的空间数据模型从认知角度讲有三类：基于对

4、象的模型、基于网络的模型和基于场的模型；从象的模型、基于网络的模型和基于场的模型；从表达上讲有矢量数据模型、镶嵌数据模型（栅格表达上讲有矢量数据模型、镶嵌数据模型（栅格数据模型）和组合数据模型。数字高程模型主要数据模型）和组合数据模型。数字高程模型主要刻画具有连续变化的空间对象，因此属于基于场刻画具有连续变化的空间对象，因此属于基于场的镶嵌数据模型。的镶嵌数据模型。2.2.1镶嵌数据模型镶嵌数据模型 镶嵌数据模型（镶嵌数据模型（Tessellation model）源）源于这样的思想：空间对象可用相互连接在一起的于这样的思想：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

5、网网络来覆盖和逼近，或者说用在二维区域上的网络划分来覆盖整个研究区域。络划分来覆盖整个研究区域。 镶嵌数据模型特别适合于对三维离散空间镶嵌数据模型特别适合于对三维离散空间数据的表达，以及对具有连续变化的空间对象的数据的表达，以及对具有连续变化的空间对象的模拟。网络的特征参数包括网格尺寸、形状、方模拟。网络的特征参数包括网格尺寸、形状、方位等，对同一地理现象可以由若干不同的尺度、位等，对同一地理现象可以由若干不同的尺度、不同的聚分性网络来覆盖。不同的聚分性网络来覆盖。 镶嵌数据模型按照网格形状可分为规则镶镶嵌数据模型按照网格形状可分为规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型，镶嵌模型的嵌数据模型和不

6、规则镶嵌数据模型，镶嵌模型的典型应用是地形曲面模拟，即数字高程模型，其典型应用是地形曲面模拟，即数字高程模型，其中基于正方形网络的镶嵌数据模型为栅格中基于正方形网络的镶嵌数据模型为栅格DEM，而基于不规则镶嵌数据模型为不规则三角网而基于不规则镶嵌数据模型为不规则三角网DEM。 2.2.2规则镶嵌数据模型规则镶嵌数据模型 所谓规则镶嵌数据模型，就是用规则的小所谓规则镶嵌数据模型，就是用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。在二维面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。在二维空间中可以有多种可能的规则格网划分方法，如空间中可以有多种可能的规则格网划分方法，如图图1。 构造规则镶嵌模型的方法是：用

7、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，例如对规则格网的DEM而言，一般通过曲面拟合方法求得栅格单元的高程值。 从数据结构上看，规则格网的主要优点是其数据结构为通常的二维矩阵结构，每个网格单元表示二维空间的一个位置，不管是沿水平方向还是垂直方向，均能方便地利用简单的数学公式访问任何位置的格网单元；同时，处理这种结构的算法比较多而且成熟，大多数计算机程序语言都有矩阵处理功能。此外，以矩阵形式存储和组织数据还具有隐式坐标，即格网单元的平面坐标隐含在矩阵的行列号之中，从而不需要进行坐标数字化。 基于规则镶嵌数据模型DEM的缺点是不管地形

8、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。 2.2.3不规则镶嵌数据模型不规则镶嵌数据模型 不规则镶嵌数据模型是指用来进行镶嵌的不规则镶嵌数据模型是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界。按照小面块的小面块具有不规则的形状和边界。按照小面块的几何形状，不规则镶嵌模型有基于三角形、四边几何形状，不规则镶嵌模型有基于三角形、四边形、六边形、多边形等（如图形、六边形、多边形等（如图2）。）。 在DEM中，基于三角形的不规则镶嵌模型又称为不规则三角网（Triangulated Irregular Network，简称TIN），是DEM的又一主要表达形式。TIN模型是三

9、维空间上的分段线性模型，整个区域内连续但不可微。 不规则三角网数字高程模型由连续的三角面组成，三角形的形状、大小取决于不规则分布的点的位置和密度。地形变化越简单，采样点就越少，则单元格就越大；反之地形变化比较复杂，数据点分布比较密集，格网单元就越小。 TIN与规则格网DEM显著不同之处在于TIN模型不需要维护模型的结构规则性，不但能灵活地随地形的复杂程度而改变格网单元大小，避免平坦地形的数据冗余，而且又能按地形特征点线如山脊点、山谷线、地形变化线等表示地形特征。 2.3 DEM数据结构数据结构 2.3.1规则格网规则格网DEM数据结构数据结构1）简单矩阵结构）简单矩阵结构 规则格网规则格网DE

10、M的数据在水平方向和垂直方向的间隔的数据在水平方向和垂直方向的间隔相等，格网点的平面坐标隐含在行列号中，故适宜用矩阵相等，格网点的平面坐标隐含在行列号中，故适宜用矩阵形式进行存储，即按行（或列）逐一纪录每一个格网单元形式进行存储，即按行（或列）逐一纪录每一个格网单元的高程值。同时为了实现行列号和平面位置坐标之间的转的高程值。同时为了实现行列号和平面位置坐标之间的转换，还需要记录格网西南角的坐标值、格网间距等。换，还需要记录格网西南角的坐标值、格网间距等。规则格网规则格网DEM的数据文件一般包含用来进行的数据文件一般包含用来进行DEM数数据说明的数据头和据说明的数据头和DEM数据体两部分。数据体

11、两部分。数据头：定义数据头：定义DEM西南角起点坐标、坐标类型、格西南角起点坐标、坐标类型、格网间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等内容；网间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等内容；数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列；数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列； ArcView DEM 文本文件格式 2）行程编码结构）行程编码结构 对于一幅对于一幅DEM，常常在行（或）列方向上相邻的若干，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一次纪录该值以及重复的个数，应用时利用值发生变化时一次纪

12、录该值以及重复的个数，应用时利用重复个数恢复重复个数恢复DEM矩阵。对矩阵。对DEM每一行均按上述结构组每一行均按上述结构组织，则实现织，则实现DEM行程编码方案。行程编码方案。 行程编码实际上是一种栅格数据的压缩方案，能有效行程编码实际上是一种栅格数据的压缩方案，能有效地减少数据存储量，特别在平坦地区。地减少数据存储量，特别在平坦地区。3）块状编码结构）块状编码结构 块状编码方案是将行程编码方案从一维扩展到二维的块状编码方案是将行程编码方案从一维扩展到二维的情况，它采用方形区域作为纪录单元，每个纪录单元包括情况，它采用方形区域作为纪录单元，每个纪录单元包括相邻的若干栅格。数据结构是由纪录单元

13、的初始位置（行相邻的若干栅格。数据结构是由纪录单元的初始位置（行列号）、格网单元高程值和方形区域半径（正方形区域的列号）、格网单元高程值和方形区域半径（正方形区域的边长，采用格网间距倍数表示）所组成的单元组。整个边长，采用格网间距倍数表示）所组成的单元组。整个DEM数据文件由该单元组组成，根据初始位置和区域半数据文件由该单元组组成，根据初始位置和区域半径可恢复高程矩阵。径可恢复高程矩阵。4）四叉树数据结构四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一种更有效地四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一种更有效地压编数据的方法。它将压编数据的方法。它将2n2n像元阵列连续进行像元阵列连续进行4等分，

14、等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止（如下一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止（如下图），而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编图），而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码码。9999000099090000900977000000770000007777000077770000777700007777999900000009999900707000000777777000000077777777000077007070000007007099 9 90 0 9 0 0 9000NWNESWSE2.3.2不规则三角网不规则三角网DEM数据结构数据结构 由于三

15、角形的不规则型，三角形定义及其与由于三角形的不规则型，三角形定义及其与相邻三角形的关系要显式地表达出来，即相邻三角形的关系要显式地表达出来，即TIN模模型不但要存储每个顶点的高程，还要存储三角形型不但要存储每个顶点的高程，还要存储三角形顶点的平面坐标、顶点之间的连接关系和邻接三顶点的平面坐标、顶点之间的连接关系和邻接三角形等拓扑关系。角形等拓扑关系。 在在TIN模型中，基本的结构元素有三角形顶点、模型中，基本的结构元素有三角形顶点、边、面。它们之间存在着点与线、点与面、线与边、面。它们之间存在着点与线、点与面、线与面、面与面等拓扑关系。面、面与面等拓扑关系。 通过组成三角形的三顶通过组成三角形

16、的三顶点可完整地表达三角形的构成以及三角形顶点、点可完整地表达三角形的构成以及三角形顶点、三角形边、三角形之间的拓扑关系。三角形边、三角形之间的拓扑关系。这种结构只需要两个文件：三角形顶点坐标文件和组这种结构只需要两个文件：三角形顶点坐标文件和组成三角形三顶点（用点在坐标文件中的序号表示）成三角形三顶点（用点在坐标文件中的序号表示）文件。文件。模型基本链表结构坐标表三角形表这种结构简单但拓扑关系是隐含的，不利于这种结构简单但拓扑关系是隐含的，不利于TIN模型的检索与模型的检索与应用。因此围绕着拓扑关系的描述产生了多种应用。因此围绕着拓扑关系的描述产生了多种TIN的数据结的数据结构。构。1.TI

17、N的面结构：面结构在基本链表结构基础上增加了用来描的面结构：面结构在基本链表结构基础上增加了用来描述三角形之间拓扑关系的数据，即使用坐标表、三角形顶述三角形之间拓扑关系的数据，即使用坐标表、三角形顶点表以及邻接三角形表构成。点表以及邻接三角形表构成。TIN模型面结构的特点是：检索网点拓扑关系模型面结构的特点是：检索网点拓扑关系效率高（由于存储了三角形之间的邻接关效率高（由于存储了三角形之间的邻接关系，系，TIN内插、检索、等高线提取、显示以内插、检索、等高线提取、显示以及局部分析都比较方便）；存储量大，不及局部分析都比较方便）；存储量大，不便于编辑（在便于编辑（在TIN的编辑中要随时维护这种的

18、编辑中要随时维护这种关系）。关系）。2.TIN的点结构：该结构由坐标文件和三角形顶点的邻接指的点结构：该结构由坐标文件和三角形顶点的邻接指针链组成。三角形顶点的邻接点是指共用该顶点的所有三针链组成。三角形顶点的邻接点是指共用该顶点的所有三角形其余两顶点的不重复顶点的集合，可按顺时针或逆时角形其余两顶点的不重复顶点的集合，可按顺时针或逆时针方向顺序组成。针方向顺序组成。点结构的特点是存储量小，编辑方便，但三角形及其邻接关点结构的特点是存储量小，编辑方便，但三角形及其邻接关系需实时再生成，计算量较大，不利于快速检索和显示。系需实时再生成，计算量较大，不利于快速检索和显示。3.TIN的点面结构：在点

19、结构基础上，增加组成该三角形三的点面结构：在点结构基础上，增加组成该三角形三顶点的数表。这种结构存储量与面结构大致相当，编辑、顶点的数表。这种结构存储量与面结构大致相当，编辑、显示比较方便，由于三角形之间的关系是隐式的，检索与显示比较方便，由于三角形之间的关系是隐式的，检索与内插的效率低。内插的效率低。4.TIN的边结构：从组成整个的边结构：从组成整个TIN模型的所有三角形中，抽取模型的所有三角形中，抽取其不重复边集组成，其数据结构由边的两个顶点以及与之其不重复边集组成，其数据结构由边的两个顶点以及与之关联的两条边表达。关联边要满足如下条件：分布在当前关联的两条边表达。关联边要满足如下条件：分

20、布在当前边的两侧；关联边与当前边的夹角最小；关联边顶点不重边的两侧；关联边与当前边的夹角最小；关联边顶点不重复。复。这种结构的存储量比较小，适合等高线的提取，但编辑、内这种结构的存储量比较小，适合等高线的提取，但编辑、内插、检索不方便。插、检索不方便。e1的关联边不是e3和e9，e9的关联边是e1.TIN的边面结构：边面结构主要刻画三角形边和三角形面的边面结构：边面结构主要刻画三角形边和三角形面之间的拓扑关系，一般由边表和邻接三角形表组成。在边之间的拓扑关系，一般由边表和邻接三角形表组成。在边表中定义该边的起点、终点和左右相邻三角形，邻接三角表中定义该边的起点、终点和左右相邻三角形，邻接三角形

21、表中则记录三角形之间的拓扑关系。形表中则记录三角形之间的拓扑关系。边面结构的存储量是最大的，在检索、等高线提取等方面比边面结构的存储量是最大的，在检索、等高线提取等方面比较方便，但不利于动态更新和维护。较方便，但不利于动态更新和维护。2.3.3TIN与格网与格网DEM的对比的对比选择格网DEM和TIN数据模型考虑的因素：数据的可获取性；地形曲面特定以及是否考虑特征点；目的和应用；原始数据的比例尺和分辨率。优缺点规则格网DEMTIN 简单的数据存储结构 较少点可获得较高的精度优点 与遥感影像数据的复合性 可辨分辨率 良好的表面分析功能 良好的拓扑结构 计算效率较低 表面分能力较差缺点 数据冗余

22、构建比较费时 格网结构规则 算法设计比较复杂 规则格网DEM和不规则三角网TIN的对比2.4 DEM数据库管理数据库管理小范围低分辨率的小范围低分辨率的DEM数据量小数据量小可以通过数据文件对其进可以通过数据文件对其进行管理；行管理；覆盖范围大时，数据量巨大覆盖范围大时，数据量巨大存储、检索、操作、与处理非存储、检索、操作、与处理非常低效，普通微机也无法运行。常低效，普通微机也无法运行。发展趋势：发展趋势：DEM已成为已成为GIS的核心数据库和地学分析的基础的核心数据库和地学分析的基础数据，与影像、矢量数据及多媒体数据进行广泛的融合。数据，与影像、矢量数据及多媒体数据进行广泛的融合。因此，因此

23、，DEM从单一的文件结构向复杂的信息系统发展已从单一的文件结构向复杂的信息系统发展已成为一种必然的趋势。成为一种必然的趋势。信息水平系统地形表面特征的几何描述信息系统和数据库管理系统对数据库的本地和远程存取与其他信息系统的连接CAD模型、DTM二维、三维GIS地学服务器数字地球DEM数据库不同发展层次DEM数据库的内容包括：数据库设计、数据组织方法、元数据、数据库功能等。1. DEM数据库的实现数据库的实现实现方式：一是基于文件系统和空间索引的方式；实现方式：一是基于文件系统和空间索引的方式；二是基于关系型数据库的方式。二是基于关系型数据库的方式。关系型数据库对大数据量关系型数据库对大数据量D

24、EM的访问比文件系统经的访问比文件系统经过更多的步骤，在同样条件下，基于文件系统的过更多的步骤，在同样条件下，基于文件系统的数据库效率要高，但在多事务处理、多用户访问、数据库效率要高，但在多事务处理、多用户访问、网络安全等方面的能力有限。由于网络安全等方面的能力有限。由于DEM数据库的数据库的规则性较强，一般采用文件系统和空间索引的方规则性较强，一般采用文件系统和空间索引的方式进行管理。式进行管理。DEM 数据库结构数据库结构DEM 数据库结构实质上就是数据库结构实质上就是DEM 的数据结构。对的数据结构。对于于TIN 而言，一般是把三角形的顶点看作数据库而言，一般是把三角形的顶点看作数据库中

25、的基本实体，并在此基础上定义是三角形顶点、中的基本实体，并在此基础上定义是三角形顶点、三角形边、三角形面之间的拓扑关系。三角形边、三角形面之间的拓扑关系。在在DEM 构建过程中，还有一类比较重要的数据，即构建过程中，还有一类比较重要的数据，即地形特征数据，如地形断裂线、特殊边界线、山地形特征数据，如地形断裂线、特殊边界线、山脊线、山谷线等，它们是高精度逼真再现地形的脊线、山谷线等，它们是高精度逼真再现地形的保证，同时也是的信息复合的需要，一般在保证，同时也是的信息复合的需要，一般在DEM 数据库中也予以保留。它们的结构如下图所示：数据库中也予以保留。它们的结构如下图所示：2. DEM数据库的数

26、据组织数据库的数据组织DEM数据库组织指数据库组织指DEM数据的管理和调度方式：一般在水数据的管理和调度方式：一般在水平方向上将同一尺度的平方向上将同一尺度的DEM数据划分为一系列的块，在数据划分为一系列的块，在垂直方向上将不同尺度垂直方向上将不同尺度DEM分层组织（不同分辨率）。分层组织（不同分辨率）。“工程工程工作区工作区图幅图幅”的层次结构索引模式是当前的层次结构索引模式是当前GIS空空间数据库数据组织的一种常用方法。间数据库数据组织的一种常用方法。 工程指一个区域内的全部工程指一个区域内的全部DEM数据；数据； 图幅是按照一定规则对研究区域进行的二维划分，是图幅是按照一定规则对研究区域进行的二维划分，是DEM数据采集、建立、操作和调度的基本单位，每个图数据采集、建立、操作和调度的基本单位，每个图幅由若干行、列格网单元组成；幅由若干行、列格网单元组成； 工作区是当前感兴趣的研究区，一般工作区就是图幅，多工作区是当前感兴趣的研究区，一般工作区就是图幅，多个图幅也可合并为一个工作区。个图幅也可合并为一个工作区。图幅由坐标范围定义，例如，图幅