数字高程模型10课件

1、 概述；概述； DEM模型分析；模型分析； DEM辅助模型分析；辅助模型分析； DEM分辨率对模型分析的影响分辨率对模型分析的影响1 1、地学模型按其建立的方法主要有以下三地学模型按其建立的方法主要有以下三种类型种类型：q概念模型概念模型：又称为逻辑模型，主要指通过观察、总结、：又称为逻辑模型，主要指通过观察、总结、提炼而得到的文字描述或逻辑表达式，常由此构成专提炼而得到的文字描述或逻辑表达式，常由此构成专家系统的知识库；家系统的知识库；q数学模型数学模型：又称为理论模型，是应用数学分析方法建：又称为理论模型，是应用数学分析方法建立的数学表达式，反映地理过程本质的物理规律；立的数学表达式，反映

2、地理过程本质的物理规律；q统计模型统计模型：包括经验模型，是通过数理统计方法和大：包括经验模型，是通过数理统计方法和大量观察实验得到的定量模型，具有简单实用的优点。量观察实验得到的定量模型，具有简单实用的优点。2 2、地学模型的独特特点：、地学模型的独特特点：q空间性空间性；q动态性动态性；q多元性多元性；q综合性综合性； 新的数据基础新的数据基础； 在通过地学模型的构建研究地学问题的过程中，在通过地学模型的构建研究地学问题的过程中，DEMDEM作为一个新的作为一个新的数据基础扮演着重要的角色。它是地球空间框架数据的基本内容，数据基础扮演着重要的角色。它是地球空间框架数据的基本内容，是各种地学

3、信息的载体，在空间数据基础设施的建设和数字地球战是各种地学信息的载体，在空间数据基础设施的建设和数字地球战略的实施过程中都具有十分重要的作用，同时也是某些地学问题数略的实施过程中都具有十分重要的作用，同时也是某些地学问题数字化定量研究的基础。字化定量研究的基础。 新的研究手段新的研究手段； 如地形结构层次是地貌学研究中的一个重要信息，过去通常是采用如地形结构层次是地貌学研究中的一个重要信息，过去通常是采用对地形图上高程注记进行统计来研究区域不同高程所占的面积，用对地形图上高程注记进行统计来研究区域不同高程所占的面积，用各级高程注记出现的频数代替对面积的统计，这种方法效率低下，各级高程注记出现的

4、频数代替对面积的统计，这种方法效率低下，而且不确定性很大。而且不确定性很大。DEMDEM引入以后，我们可以统计高程值在某一范引入以后，我们可以统计高程值在某一范围内的栅格的个数，从而很容易的求出研究区域内不同高程所占的围内的栅格的个数，从而很容易的求出研究区域内不同高程所占的面积。面积。 优化模型优化模型； DEMDEM的引入可以使某些地学模型得到优化，而且可以基于的引入可以使某些地学模型得到优化，而且可以基于DEMDEM本身构建本身构建模型来对地学问题进行研究。例如在地形描述精度、地形遮蔽度、太模型来对地学问题进行研究。例如在地形描述精度、地形遮蔽度、太阳辐射等问题的模型中，阳辐射等问题的模

5、型中，DEMDEM自身就参与了模型的建立而且是这些模自身就参与了模型的建立而且是这些模型的基础，而且在型的基础，而且在DEMDEM的基础上很方便快捷的进行各种因子的求取和的基础上很方便快捷的进行各种因子的求取和运算以及进行多层面复合分析。运算以及进行多层面复合分析。 与多学科的结合与多学科的结合； DEMDEM在其它领域有着非常广泛的应用，在工程建设上，可用于土方量在其它领域有着非常广泛的应用，在工程建设上，可用于土方量计算、通视分析等；在防洪减灾方面，计算、通视分析等；在防洪减灾方面，DEMDEM是进行水文分析如汇水区是进行水文分析如汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的

6、基础；在分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础；在无线通讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等等，在各个方面无线通讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等等，在各个方面DEMDEM都能都能发挥作用并带来方便。发挥作用并带来方便。 1 1、以以DEM为主体的模型构建为主体的模型构建主要是指模型的数据源是主要是指模型的数据源是DEMDEM或者来自于或者来自于DEMDEM，模型分析的手段以模型分析的手段以DEMDEM及其派生数据及其派生数据DTMDTM（指由（指由DEMDEM提取的与地形相关的信息）所表达提取的与地形相关的信息）所表达的地形信息特征为逻辑依据，模型的目标是建的地形信息特征为逻辑依

7、据，模型的目标是建立与地形、地貌相关的地学模型。立与地形、地貌相关的地学模型。这类的地学模型一般是表达连续分布地表现象这类的地学模型一般是表达连续分布地表现象的空间分布特征。的空间分布特征。 基于DEM模型分析方法DEM辅助模型分析DEM模型分析以DEM为主体DEM直接建模DEM多信息复合建模DEM直接应用DEM扩展应用DEM应用层次DEM参与程度面积高程曲线积分地形遮蔽度DEM地貌分类新方法高程的计算高程和位置的计算土方量的计算水库库容量洪水淹没气候资源空间推算辅助遥感影像纠正气象水文土壤地貌地质灾害是否复杂简单简单复杂图图1 DEM模型分析方法体系模型分析方法体系 2 2、DEM的模型分析

8、方法的模型分析方法 指指DEMDEM与地学模型相结合的方法，即与地学模型相结合的方法，即DEMDEM是如何参与模是如何参与模型的计算、判断、分析以及模拟等过程。型的计算、判断、分析以及模拟等过程。（1）基于基于DEMDEM的直接应用分析的直接应用分析； 指指DEMDEM在此类地学模型中，只是简单的用到其自身的数据特征、在此类地学模型中，只是简单的用到其自身的数据特征、高程和位置信息，而高程和位置信息，而DEMDEM本身不需要进行任何复杂的操作与变换，本身不需要进行任何复杂的操作与变换，是直接使用的结果。是直接使用的结果。 常见的地学模型有气候资源空间推算模型、辅助常见的地学模型有气候资源空间推

9、算模型、辅助RSRS影响纠正、影响纠正、土方计算模型、实际库容量的计算模型等。土方计算模型、实际库容量的计算模型等。 （2）基于基于DEMDEM的扩展应用分析的扩展应用分析； 指指DEMDEM经过二次或多次变换后的结果作为数据经过二次或多次变换后的结果作为数据源，或是作为模型分析的条件参与模型的运源，或是作为模型分析的条件参与模型的运算。算。 常用于土壤侵蚀模型；辅助常用于土壤侵蚀模型；辅助RSRS影像的地物影像的地物分类；滑坡、雪灾评价；分布式水文模型等。分类；滑坡、雪灾评价；分布式水文模型等。 数字高程模型数字高程模型空间几何关系空间几何关系高程信息特点高程信息特点概念模型概念模型数学模型

10、数学模型计算机技术计算机技术数学原理数学原理模模 型型 实实 现现图图2 DEM直接建模流程图直接建模流程图 指利用指利用DEM的高程信息和其空间位置关系，的高程信息和其空间位置关系，建立空间几何关系或是地学原理的概念模建立空间几何关系或是地学原理的概念模型，应用数学方法和计算机计算技术，实型，应用数学方法和计算机计算技术，实现模型的运算和结果表达。现模型的运算和结果表达。 以以地形遮蔽度模型地形遮蔽度模型和和面积高程曲线积分模面积高程曲线积分模型型为例介绍为例介绍 地形遮蔽度模型是一个与光照密切联系的概念，它主要反地形遮蔽度模型是一个与光照密切联系的概念，它主要反映由于地形遮挡的作用造成的地

11、表接受光照不均匀的分布映由于地形遮挡的作用造成的地表接受光照不均匀的分布情况。情况。 模型建立思路是，首先计算测点的自身遮蔽角，然后沿着模型建立思路是，首先计算测点的自身遮蔽角，然后沿着太阳入射方向，搜索入射路径上的所有格网点，并计算每太阳入射方向，搜索入射路径上的所有格网点，并计算每个格网点与测点之间的高度角（仰角），再与该点的自身个格网点与测点之间的高度角（仰角），再与该点的自身遮蔽角组成集合后，求取这个集合中的最大仰角，如果这遮蔽角组成集合后，求取这个集合中的最大仰角，如果这个仰角大于当前的太阳高度角，则该测点受到遮蔽，否则个仰角大于当前的太阳高度角，则该测点受到遮蔽，否则不被遮蔽。不被

12、遮蔽。 地形遮蔽度是用来进行起伏地区日照条件分析的前提。地形遮蔽度是用来进行起伏地区日照条件分析的前提。 判断判断A A点是否被点是否被B B点遮蔽，主要判断点遮蔽，主要判断A A与与B B之间的仰角是否大于太阳高度之间的仰角是否大于太阳高度角，如果仰角大于太阳高度角则角，如果仰角大于太阳高度角则A A点被遮蔽，否则点被遮蔽，否则A A点不被遮蔽，即可点不被遮蔽，即可见。见。 太阳光线太阳光线AB水平面水平面山体山体图图3 地形遮蔽示意图地形遮蔽示意图 面积高程曲线积分是反映流域的发育阶段一种地面积高程曲线积分是反映流域的发育阶段一种地学模型，它反映了地貌流域可被侵蚀的程度学模型，它反映了地貌

13、流域可被侵蚀的程度 ； 它利用水平断面面积与其高程之间的关系建立模它利用水平断面面积与其高程之间的关系建立模型，具体讲就是表示流域的水平断面面积与高出型，具体讲就是表示流域的水平断面面积与高出河口的相对高程之间的关系曲线河口的相对高程之间的关系曲线； 绘制高程曲线的方法很简单，在纵坐标轴上划出绘制高程曲线的方法很简单，在纵坐标轴上划出高程（米），在横坐标轴上表示一定高程的等高高程（米），在横坐标轴上表示一定高程的等高线以上的面积（平方公里），这个面积指水平断线以上的面积（平方公里），这个面积指水平断面的面积面的面积； 面积高程曲线积分方法分为两方面：流域分析和面积高程曲线积分方法分为两方面：流

14、域分析和高程分析。高程分析。 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.20.40.60.81神木榆林绥德延川延安甘泉宜君淳化图图4 陕北黄土高原地区由北向南不同陕北黄土高原地区由北向南不同地貌类型区的地貌类型区的面积面积-高程积分曲线高程积分曲线 DEM多信息复合建模是以多信息复合建模是以DEM为数据源并复合其提取的派为数据源并复合其提取的派生数据或是其它数据，共同构建反映地形信息的地学模型。生数据或是其它数据，共同构建反映地形信息的地学模型。即指以即指以DEM及其派生的数据作为模型构建的主体，建立一及其派生的数据作为模型构建的主体，建立一种以技术流程为主体的概念模型，

15、或是有一定表达式的数学种以技术流程为主体的概念模型，或是有一定表达式的数学模型，实现对地形信息和再生信息计算和可视化的目的；模型，实现对地形信息和再生信息计算和可视化的目的； 这类模型一般以统计分析、聚类分析、叠置分析等方法在多这类模型一般以统计分析、聚类分析、叠置分析等方法在多信息数据支持下构建相应的概念模型和数学模型。信息数据支持下构建相应的概念模型和数学模型。 数字高程数字高程模型模型数字地面数字地面模型模型多层面复合多层面复合信息信息统计信息统计信息概念模型概念模型数学模型数学模型统计模型统计模型结果输出结果输出可视化可视化显示显示图图5 DEM多信息复合建模多信息复合建模 DEM辅助

16、模型分析是指辅助模型分析是指DEM作为数据源、数据作为数据源、数据参量以及分析手段等方式参与模型的建立和实现；参量以及分析手段等方式参与模型的建立和实现； 在这类模型中，模型的构建不依赖于在这类模型中，模型的构建不依赖于DEM，但是，但是DEM在模型的实现中不可或缺；在模型的实现中不可或缺； 根据根据DEM参与应用模型方式的不同，可分为基于参与应用模型方式的不同，可分为基于DEM的直接应用分析和扩展应用分析的直接应用分析和扩展应用分析 。 DEM直接应用于地学模型是指直接应用于地学模型是指DEM不参与模型的构建，不参与模型的构建，只是简单的参与模型的计算，即只是简单的参与模型的计算，即DEM不

17、需要做任何形式的不需要做任何形式的变换。变换。 此类模型在没有此类模型在没有DEM参与的情况下也能应用，但利用参与的情况下也能应用，但利用DEM后，提高了计算精度和工作效率。后，提高了计算精度和工作效率。DEM应用模型：与高程和位置有关应用模型：与高程和位置有关F=f(h)或者或者F=f(x，y，h)代入代入可视化显示与分析可视化显示与分析 图图6 DEM直接应用分析流程直接应用分析流程图图7 土方量的计算示意图土方量的计算示意图x原地面原地面zy栅格大小栅格大小（LL L）D假想假想标高标高o图图8 挖填方计算示意图挖填方计算示意图x挖方挖方zyD设计设计标高标高o填方填方 首先建立库区的数

18、字高程模型；其次，利用遥感影像首先建立库区的数字高程模型；其次，利用遥感影像获得水域的面积并实测水位的高度，利用公式就可以获得水域的面积并实测水位的高度，利用公式就可以获得水库的实际库容量。获得水库的实际库容量。 V = s V = s ( H-hi ) S = s nS = s n V、S为水库实际库容和水域面积；为水库实际库容和水域面积；s为为DEM栅格象元栅格象元面积；面积；H为水库水位高程；为水库水位高程；h hi i为库域为库域DEM各象元高程各象元高程值；值；n为库域为库域DEM象元数。象元数。 （2 2）水库库容量）水库库容量 )(ihHsV)(ihHsV)(ihHsV 可以基于

19、数字高程模型的数据结构，即采用栅格图像模可以基于数字高程模型的数据结构，即采用栅格图像模式下特征点网格蔓延算法，计算在一定的降水量或洪水式下特征点网格蔓延算法，计算在一定的降水量或洪水水位下的淹没区范围，并可以将结果三维可视化显示。水位下的淹没区范围，并可以将结果三维可视化显示。 洪水淹没区涉及的主要问题是洪水水位给定情况下的淹洪水淹没区涉及的主要问题是洪水水位给定情况下的淹没区范围的确定。洪水水位数据可以通过测报装置获得，没区范围的确定。洪水水位数据可以通过测报装置获得，也可以是来自水动力水文模型计算、预测的数据。也可以是来自水动力水文模型计算、预测的数据。 （3 3）洪水淹没分析洪水淹没分

20、析 由地面高差引起的影像象点位置的偏移是多山地区由地面高差引起的影像象点位置的偏移是多山地区RS影影像上的主要误差，利用像上的主要误差，利用DEM辅助遥感影像的几何纠正，辅助遥感影像的几何纠正，就是为了减弱或消除这样的影响。就是为了减弱或消除这样的影响。 考虑地面起伏对图像畸变的影响，必须将考虑地面起伏对图像畸变的影响，必须将DEM格网点的格网点的X X、Y Y、Z Z坐标用中心投影共线方程变换到影像上去，从而获得坐标用中心投影共线方程变换到影像上去，从而获得正射影像。正射影像。 （1 1）DEM用于遥感影像的几何纠正用于遥感影像的几何纠正 （2 2）基于）基于DEM的气候资源的空间推算的气候

21、资源的空间推算 图图9 基于基于DEM模拟气候资源的技术流程图模拟气候资源的技术流程图 气象因子回归气象因子回归方程方程数字高程模型数字高程模型（DEM）各因子的各因子的分值图分值图总分值图总分值图区划结果图区划结果图计算计算打分打分累加累加分区气象因子的确定气象因子的确定年总降水量年总降水量分布图分布图年平均温度的年平均温度的分布图分布图最低温分布图最低温分布图最高温分布图最高温分布图 DEMDEM扩展应用是指扩展应用是指DEMDEM通过变换，以其提取的地形因子的形通过变换，以其提取的地形因子的形式作为模型的数据源，或是模型分析的手段，参与模型的式作为模型的数据源，或是模型分析的手段，参与模

22、型的计算和实现。计算和实现。 DEMDEM并不参与模型的构建，只是为模型的实现提供各种条件并不参与模型的构建，只是为模型的实现提供各种条件和分析手段，也可称其为和分析手段，也可称其为DEMDEM二级应用。二级应用。 DEM剖面分析剖面分析地形因子地形因子提取提取分级统计分级统计地学模型地学模型可视化表达可视化表达多层面多层面叠置叠置分析分析图图10 DEM扩展应用分析流程扩展应用分析流程 在气候资源模型的计算中引入在气候资源模型的计算中引入DEM，不仅可以提高计算，不仅可以提高计算速度、增加模拟的精确性，而且还可对模型起到优化的速度、增加模拟的精确性，而且还可对模型起到优化的作用，如作用，如地

23、形调节的气温模型地形调节的气温模型。 在地形调节的气温模型中，在地形调节的气温模型中，DEM将参与气候模型的构建，将参与气候模型的构建，即以即以DEM所具有的地形信息（坡度、坡向）对传统的气所具有的地形信息（坡度、坡向）对传统的气候空间分布模型进行修正，从而提高了模拟精度。候空间分布模型进行修正，从而提高了模拟精度。 暴雨数据暴雨数据土壤数据土壤数据土地利用数据土地利用数据DEM确定确定R值的值的计算方法计算方法确定确定K值的值的计算方法计算方法确定各类型确定各类型的的C值值计算坡长和坡度计算坡长和坡度由离散点栅格化由离散点栅格化计算年平均土壤侵蚀量计算年平均土壤侵蚀量数字化数字化矢量矢量.栅

24、格栅格数据转换数据转换计算计算P值值土壤侵蚀量的分级和输出土壤侵蚀量的分级和输出图图11 土壤侵蚀数据处理流程图土壤侵蚀数据处理流程图TM数据数据数字化地图数字化地图降雨统计数据降雨统计数据判读判读等高线抽出、等高线抽出、表面拟合表面拟合航片航片现有图面资料等现有图面资料等判读判读植被指数植被指数坡度、坡向坡度、坡向海拔、坡型海拔、坡型降雨分布图降雨分布图土壤图、地质图土壤图、地质图滑坡分布图滑坡分布图滑坡及其影响因子空间分布图滑坡及其影响因子空间分布图图形叠加运算及数量化方法图形叠加运算及数量化方法滑坡及其影响因子空间关系滑坡及其影响因子空间关系DEM图图12 滑坡模型研究流程图滑坡模型研究

25、流程图干涉合成干涉合成孔径雷达孔径雷达系统系统阴影阴影地貌图地貌图5M栅格分栅格分辨率辨率DEM坡度图坡度图识别识别断层崖断层崖剖面图剖面图崖高崖高Midsection slope angle图图13 基于基于DEM的断层崖识别流程图的断层崖识别流程图DEM植被植被土壤土壤辐射辐射气温气温降水降水模型分布式输入模块模型分布式输入模块蒸散发蒸散发冠层截留模型冠层截留模型地表水模型地表水模型土壤水模型土壤水模型地下水模型地下水模型网网 格格 单单 元元 模模 型型 河流水模型河流水模型 模拟的河川径流模拟的河川径流网格单元模型网格单元模型图图14 14 基于基于DEMDEM的流域分布式水文模型结构

26、框图的流域分布式水文模型结构框图 DEMDEM分辨率对所提取信息精度的影响，是分辨率对所提取信息精度的影响，是DEMDEM不确不确定性研究的核心内容之一定性研究的核心内容之一； 从理论上讲，从理论上讲，DEMDEM分辨率越高，意味着地面布设分辨率越高，意味着地面布设较多的高程采样点，地形模拟的精度就越高较多的高程采样点，地形模拟的精度就越高 ； 然而，然而，DEMDEM的数据量随分辨率的增加而呈几何级的数据量随分辨率的增加而呈几何级数增加，选择满足应用精度要求又充分顾及计算数增加，选择满足应用精度要求又充分顾及计算机容量与处理能力的最佳机容量与处理能力的最佳DEMDEM分辨率，无疑是科分辨率，

27、无疑是科学家一直追求的目标。学家一直追求的目标。 图图15 DEM所提取的地面坡度随着所提取的地面坡度随着DEM分辨率分辨率的变化而变化的特征的变化而变化的特征5m35m15m25m45m55m坡坡 度度0. 50. 55. 105. 1010. 1510. 1515. 2015. 2020. 2520. 2525. 3025. 3030. 3530. 3535. 4035. 4040. 9040. 90 实测与实测与DEM计算所得地面坡度误差计算所得地面坡度误差黄土黄土塬塬黄土黄土残塬残塬黄土黄土低丘低丘黄土梁状黄土梁状丘陵丘陵黄土粱峁黄土粱峁丘陵丘陵黄土丘陵黄土丘陵沟壑沟壑坡度实地坡度实地

28、采样点数采样点数113170249243456597 坡度坡度中误中误差（差（度）度） 1m分辨率分辨率0.079 0.197 0.1880.2640.7930.7562.5m分辨分辨率率0.084 0.205 0.1900.3910.9151.3735m分辨率分辨率0.193 0.324 0.3190.6981.0031.78312.5m分辨分辨率率0.6482.7933.4053.8024.8876.9412 5 m 分 辨分 辨率率1.9734.8665.1586.9617.40911.001 表表1 1 不同分辨率不同分辨率DEMDEM提取地面坡度中误差实测结果统计提取地面坡度中误差实

29、测结果统计 391521273301020304050607080栅格分辨率（m）地面平均坡度（度）黄土丘陵沟壑黄土粱峁丘陵黄土梁状丘陵黄土低丘黄土残塬黄土塬图图 例例Y =-0.2274X + 30.518 （r2 = 0.9895）Y = -0.1596X + 27.456 (r2 = 0.9763)Y =-0.0772X + 16.407 (r2 = 0.9726)Y = -0.0542X + 11.158 (r2 = 0.9750)Y = -0.0327X+ 6.5795 (r2 = 0.9806)Y = -0.1375X+ 24.515 (r2 = 0.9998)图10.36 DEM

30、所提取的黄土高原地面坡度随分辨率降低而变化的回归模型图图16 DEM所提取的黄土高原地面坡度随分辨率降低而变化的回归模型所提取的黄土高原地面坡度随分辨率降低而变化的回归模型 以径流对以径流对DEMDEM分辨率的敏感性分析为例进行说明。分辨率的敏感性分析为例进行说明。 基于基于DEMDEM建立径流模型时，选取不同分辨率的建立径流模型时，选取不同分辨率的DEMDEM，提取的流域面积、河网结构、高程等空间参数相提取的流域面积、河网结构、高程等空间参数相差较小，但是坡度相关的变化较大，不同分辨率差较小，但是坡度相关的变化较大，不同分辨率的的DEMDEM对流域径流量也有很大影响。对流域径流量也有很大影响

31、。 项目项目实测值实测值mm模拟值模拟值(1)mm模 拟 值模 拟 值 ( 2 ) mmRE1/%(1)RE2/%(2)19921591631112.5230.19199369603710.1446.381994117916913.6841.0319952840232517.86199616513510812.1234.55199723301730.4326.0919981941811616.727.01199929422110.3427.592000951068511.5810.53均值均值98947013.6127.91 表表2 2 基于不同基于不同DEMDEM模拟的年径流量模拟的年径流量

32、 0100200300400500600700800900100019921993 1994 19951996 1997 19981999 20001:2500001:1000000实测值年份图图17 17 基于不同基于不同DEMDEM的年径流量对比的年径流量对比径径流流量量(mm) 一般与研究的目的密切相关一般与研究的目的密切相关 ； 如果是宏观大范围的研究，一般可以选用小比例尺度如果是宏观大范围的研究，一般可以选用小比例尺度的的DEMDEM，即，即DEMDEM的栅格分辨率较低；的栅格分辨率较低； 如果是精细的小范围的研究，当然要选择高分辨率的如果是精细的小范围的研究，当然要选择高分辨率的DEMDEM。 还与还与DEMDEM在地学模