《地理信息系统应用》实训指导书-实习十八数字高程模型建立与应

1、实习十八 数字高程模型建立与应用一目的意义掌握基于MAPGIS系统数字高程模型的建立方法与应用分析基本技巧。二. 实习项目1数字高程模型的建立；2数字高程模型的应用分析。三实习环境多用户环境的MAPGIS6.5。四MAPGIS数字地面模型子系统简介 数字高程模型(Digital Elevation Model),简称DEM。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支。一般认为,DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单

2、纯的单项数字地貌模型，其他如坡 度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。 1.主要功能MAPGIS数字高程模型子系统是MAPGIS系统空间分析功能子系统之一，主要实现以下具体功能：图18-1 数字高程模型子系统主窗口 （1）网格化功能：可对离散的、随机采样的高程数据点进行网格化处理，将不规则的离散高程数据点网格化为规则的高程数据点。系统提供有距离加权平均、距离加权最小二乘、三角剖分插值及克立金等网格化模型算法；同时系统可对高程数据点进行可视编辑校对，检验数据的正确性。 （2）数据插密功能：可对规则网高程数据按双三次曲面或线性进行网格的加密内插，减小模型数据的失真。 （3）规则网数

3、学计算及拼接功能：可对规则网数据进行例如加、减、乘、除、平方等数学运算；同时，可以完成规则网的拼接工作。 （4）绘制等值线图功能：根据插密生成的数据文件，系统可生成矢量式彩色等值线图件；追踪等值线层的设置方式有自动、手动、半自动等多种方式供用户灵活选择。 （5）绘制彩色立体图功能：系统提供生成矢量式三维彩色立体图功能，在完成高程数据到二维平面数据透视交换的同时，根据在等值线追踪过程中提供的信息数据，对面域着色，产生彩色网状立体图。 （6）剖面分析、面积体积量算功能：系统提供剖面图绘制分析功能，可对剖面套色成区；量算功能可实现高程范围内任意区域的地表面积、体积及按给定高程后拉平区域所需的搬去方量

4、、外运方量及区域总方量等的量算输出。 （7）专业分析功能-根据高程数据：系统可作坡度坡向分析、山脊沟谷提取(分水岭汇水)分析、日照遮蔽区提取分析及趋势分析等。 （8）TIN模型分析：系统可对离散点数据快速生成Delaunay剖分三角网，在三角剖分的基础上可以进行手工调整、生成矢量式彩色等值线图及相关专业分析功能。2。菜单操作MAPGIS数字地面模型子系统主界面包括文件、窗口、Grd模型、TIN模型、模型应用、设置、处理点线和帮助等一级菜单。（1）文件操作：主要实现三角剖分文件的装入、存储；输出高程数据文件；存取点线区文件。（2）窗口操作：主要用来三维动态显示分析、显示输入的点信息、三角剖分和经

5、本系统处理自动生成的MAPGIS标准格式的点、线、面图元文件。（3）GRD模型：GRD模型操作专门针对以栅格为基础的高程格网数据。在GRD模型中，我们可以对输入的离散数据进行显示、交互式地修改、离散数据网格化、稀疏网格插密、绘制各种图形等各种分析操作。其中，除了“离散数据网格化”只针对非规则网数据进行操作以外,其它功能都只针对规则网数据进行操作；如果当前的数据格式不正确，系统会拒绝执行并给出相关信息。GRD模型的具体菜单如图18-2。浏览高程数据信息: 选择此项后,系统将弹出一对话框显示原高程的最大、最小值,X、Y的最大最小值及是否网格化数据,总点个数及数据是否取对数等高程数据的信息。GRD预

6、处理：GRD模型分析是建立在网格化的数据的基础上的,故对于未网格化数据必须先网格化才能进行有关分析。在以下操作中除了离散数据网格化只能对非网格数据操作外，其它都只对网格化数据进行操作。（1）离散数据网络化（2）稀疏网格插密（3）多波束数据网格化（4）未知点控制插值（5）有效点滤波处理（6）规则网拼接（7）规则网数学计算（8）函数生成GRD数据（9）方位变换（10）局部数据提取（11）局部数据无效化（12）重要点集提取模型分析：GRD模型中的分析主要提供“规则网沟脊提取分析”、“格网日照晕渲图绘制”、“格网坡向图绘制”、“坡度、坡向、粗糙度分析”。图件绘制分析： GRD模型中的图件绘制分析提供“

7、网格立体图绘制”、“平面等值线图绘制”及“彩色等值立体图绘制”三大功能，它们都只能处理网格化的数据。图18-2 数字高程GRD模型菜单（4）TIN模型：TIN模型可以不必对原始离散数据进行网格化处理，而是直接对这些非网格化数据直接建立三角剖分，进行分析。其具体操作菜单如下：图18-3 数字高程TIN模型菜单（5）模型应用：模型应用将GRD模型 和TIN模型中的公共功能提出来，主要服务于实际工程应用中，例如：土方量的计算。其具体操作菜单如下：图18-4 数字高程模型应用菜单（6）处理点线：为将矢量点、线数据转换为离散或网格化的高程数据，本部分特提供“线数据高程点提取”、“点数据高程点提取”、“高

8、程数据栅格化”及相应辅助点、线编辑、属性连接编辑等功能。图18-5 数字高程模型数据处理菜单五、MAPGIS数字地面模型子系统操作方法 1MAPGIS系统提供的DEM建模方法：MPAGIS为为用户提供了两种原始数据建模的方法：A等值线数据建模法:当用户的观测数据是等值线数据（*.WL）的时候，用户可选择使用下面的流程形成高程数据文件：(1) 由“等值线高程栅格化”- 直接形成规则网GRD高程文件； (2) 由“线数据提取高程点”- 先形成离散高程点文件 - 再由“快速生成三角剖分” - 形成三角网（TIN）高程文件。B离散点数据建模法： 当用户的观测数据是离散点数据的时候，用户可选择使用下面的

9、流程形成高程数据文件：(1) 由“快速生成三角剖分”- 直接形成三角网（TIN）高程文件。(2) 由“离散数据网格化” - 直接形成规则网GRD高程文件。2. GRD(规则格网)的建立与应用分析步骤（1）利用等值线生成GRD模型：鼠标选择文件菜单的“打开数据文件的线数据”子菜单，将指定目录下的线数据文件当前工作区，然后执行“处理点线”菜单的“值线高程格网化”子菜单，启动格网化参数对话框，设置有关参数后，点击确定生成GRD模型。（2）利用离散点生成GRD模型：鼠标选择文件菜单的“打开数据文件的点数据”子菜单，将指定目录下的点数据文件当前工作区，然后执行“处理点线”菜单的“高程点/线格网化”子菜单

10、，启动格网化参数对话框，设置有关参数后，点击确定生成GRD模型。 （1）装入GRD文件：鼠标选择文件菜单的“装入”或“打开.”子菜单，将指定目录下的GRD文件装入当前工作区。（2）数据信息的显示及交互式修改浏览高程数据信息:选择此项后,系统将弹出一对话框显示原高程的最大、最小值,X、Y的最大最小值及是否网格化数据,总点个数及数据是否取对数等高程数据的信息. 编辑高程点数据:本菜单允许用户交互式地编辑高程数据。具体使用方式为：选择本菜单项后，用鼠标左键定位一空间点，接下来系统会弹出一对话框给出所定位点的地性码及高程值，用户可修改有关数据，然后按“”按钮保存有关信息。 高程点坡度、坡向计算:本功能

11、允许用户用鼠标点取格网范围内的任意位置，计算该点处的坡度值和坡向值，以对话框的形式显示计算后的信息。注意：原始数据应在X、Y、Z三个方向上单位一致. （3）GRD预处理GRD模型分析是建立在网格化的数据的基础上的,故对于未网格化数据必须先网格化才能进行有关分析。在以下操作中除了离散数据网格化只能对非网格数据操作外，其它都只对网格化数据进行操作。项目包括:离散数据网络化、稀疏网格插密、多波束数据网格化、未知点控制插值、有效点滤波处理、规则网拼接、规则网数学计算、函数生成GRD数据、方位变换、局部数据提取、局部数据无效化、重要点集提取、模型分析、图件绘制分析。 （4）GRD模型分析1）规则网沟脊提

12、取分析: 该功能用于提取地面高程模型中的沟谷及山脊，用于地貌、汇水等分析。此功能先对原始稀疏数据加密，然后提取模型中的沟谷及山脊，并将结果数据以“.BMP”或“.GRD”（其高程信息为提取的沟脊系数）格式保存到用户指定的文件中，供制图或分析时使用。该功能提供数据投影转换功能。2）格网日照晕渲图绘制: 该功能用于制作地面模型的日照晕渲图。此功能先对原始稀疏数据加密，然后计算各单元的日照参量，并将结果数据以“.BMP”或“.GRD”（其高程信息为计算日照参量）格式保存到用户指定的文件中，供制图或分析时使用。该功能提供数据投影转换功能。3）格网坡向图绘制：该功能用于制作地面模型的坡向图。此功能提供了

13、两种分类方式供用户选择：一种是传统的9级坡向分类（请参考相关书籍）；另一种是用户自定义的分类方式，允许用户修改分级数目、每级的上下限值。缺省的分级方式是9级。用户可选择输出结果是否光滑、是否进行滤波处理（指的是小范围的区域是否归并到周围的大范围区域中）。用户在修改完某一级的上下限值后，点取“应用”按钮将引起分类信息的更新显示。用户确认后，坡向图将保存为MAPGIS的点线面文件中，供制图或分析时使用。4）坡度、坡向、粗糙度分析：该功能用于作地面模型的坡度、坡向、粗糙度分析。此功能先对原始稀疏数据加密，然后计算各单元的坡度、坡向或粗糙度，并将结果数据以“.BMP”或“.GRD”（其高程信息为高程点

14、的坡度、坡向或粗糙度）格式保存到用户指定的文件中，供制图或分析时使用。用户如果想绘制坡度图，可以先用此功能产生坡度GRD文件，然后运用“平面等值线图绘制”功能就可以出坡度图了。3.TIN(不规则格网)分析步骤(1)生成三角剖分网生成初始三角剖分网：选中本菜单项后，系统将进行三角剖分，然后自动建立邻接拓扑关系，完成后可进行窗口操作，以显示所得的剖分结果；也可直接执行追踪剖分等值线的操作，以生成等值线。优化初始三角剖分网：选中本菜单项后，系统将在初始三角剖分的基础之上进行优化。完成后可进行窗口操作，以显示所得的剖分结果。快速生成三角剖分网：该功能是将“生成三角剖分网”和“优化三角剖分网”两个功能结

15、合起来，直接生成优化过的三角剖分网，以简化用户操作步骤。生成约束三角剖分网：约束三角剖分网是在指定了“约束特征码”的等值线的基础上，通过对等值线数据进行“线数据高程点提取”后，对这些离散高程点建立的三角剖分网。(2)调整三角剖分网交换三角剖分网边:选中本菜单项后，用户可以用鼠标选取任一条三角形边，如果共此边的两个三角形组成的四边形不是凹多边形，那末该三角边将被调整为多边形的另一对角边。删除三角剖分网边:选中本菜单项后，用户可以用鼠标选取单条三角形边进行删除；也可以用鼠标拉出一个矩形区域，删除区域内的部分三角网边。注意：当需要保存时，应选择“压缩”存储方式。整理三角剖分网:该功能是删除三角网边缘

16、的一些满足条件的狭长的三角形。选中本菜单项后，系统将弹出下图的对话框。确认后，系统即进行整理工作。删除无效三角形:无效三角形是指三角形的三个顶点中至少有一个点是“未知点”。 选中本菜单项后，系统即进行删除工作。若当前三角网中没有无效三角形，则系统会提示用户。重建邻接拓扑关系:在进行本操作前必须先执行有关的三角剖分操作，选中菜单即可进行本操作。事实上，该功能是对已建的三角剖分重建邻接拓扑关系。(3)三角剖分网分析 产生离散点凸包线：数据点凸包线是指整个三角网的最小外边界线。选中本菜单项后，结果将存放在MAPGIS线文件中。追踪剖分等值线：在前面的基础上，本功能完成有关的等值线图形绘制。具体操作时

17、，选中该菜单项系统将弹出等值线绘制参数设置对话框，用户设置认可后系统基于工作区中的三角剖分数据绘制等值线图、区图。有关参数设置请参见平面等值线图绘制。三角网高程网格化：功能完成直接从三角网数据生成规则网GRD数据。在本系统中，用户除了可以用等值线高程栅格化来完成等值线数据到规则网GRD数据的转换外，还可以用本功能完成从三角网数据到规则网GRD数据的转换。剖分坡度分级图的绘制：坡度是描述地形特征的一个因子。该功能在对原始数据坡度统计分类的基础上，输出坡度分级图至MAPGIS 区文件保存。用户可以按系统默认的统计分级方式进行坡度分级；这时，用户通过修改阈值（0到1之间）、调整分级数目来改变分级信息

18、。用户也可以通过调整分级数目、修改上下限的值来自定义分级方式。“确认”后，即输出坡度分级图。分坡向分级图的绘制：坡向也是描述地形特征的一个因子。前面GRD模型中的格网坡向图绘制是专门针对规则网数据的，而本功能则偏重于“TIN模型”。这里，坡向按固定的9类分级方式，即：东、南、西、北、东北、西北、东南、西南、平坡。用户可以调整平坡的坡度阈值，改变其分类。“确认”后，输出坡向分级图至MAPGIS 区文件保存。剖分坡元分级图的绘制：坡元是DTM数据组织的另外一种空间多边形结构，在坡元内有“一致”的坡度和坡向。系统先按坡向对数据进行分级，形成坡面；然后在每级坡向中又按坡度进行再分。用户可以调整每级坡向

19、中坡度的分级情况（参考坡度分级图中的说明）。“确认”后，输出坡元分级图至MAPGIS 区文件保存。4三维显示操作三维显示操作包含在MAPGIS文数字高程模型系统的窗口操作中，在窗口菜单中，激活新建三维窗口后，系统将会弹出三维显示窗口。为了简便操作，系统规定世界坐标系如下：X轴为三维显示窗口的水平方向，正X轴方向向右；Y轴为三维显示窗口的垂直方向，正Y轴方向向上；Z轴为三维显示窗口平面的法线方向，正Z轴方向由屏幕内部指向屏幕外部；DTM模型X，Y，Z数据在世界坐标系中的取值范围为-1.0,1.0；世界坐标系的原点为DTM模型的中心位置，即X，Y，Z值的一半。它的主要操作有：（1）投影变换：其目的

20、是要把三维图形变换为二维图形，在屏幕上显示出来。为了提高变换中求交、裁减的处理效率，系统进行了裁减空间（视景体）的规格化处理。平行投影：又叫正射投影，其最大特点是无论物体距离视点有多远，投影后的物体保形输出。它的视景体为正四棱柱。透视投影：它比较符合人们的心理习惯：近大远小，即离视点近的物体大，离视点远的物体小。它的视景体为正四棱台。同时，为了简化透视投影的计算量，我们将投影中心移到无穷远处（图象空间的规格化），这就意味着裁减空间的透视投影会变为图象空间的平行投影。三维实体经过这种变换后，对其作平行投影也会产生近大远小的效果。（2）三维显示：用户可根据不同需求，选择三维线框或三维图象，来显示三维实体（3）光照处理：现实世界中，无光照的对象看上去是没有三维效果的。在系统中，我们建立的是简单光照模型，即：使用简单的定向光源作用于三维实体，并且只考虑反射光，就可产生光照效果（4）明暗效应处理：明暗效应是指对光照射到实体表面所产生的反射/透射现象的模拟，明暗效应处理实际上是计算实体表面的明暗度的过程。由于光滑曲面常由多边形的逼近予以表示，因而系统中可供选择的两种方式为：平滑明暗处理：多边形内各点的明暗度相等；光滑明暗处理：使用Gauraud算法，多边形内各点的明暗度由顶点的明暗度采用双线性内插值