数字高程模型2

第二讲DEM的数据获取DEM的数据来源数据采集方法采样的理论基础DEM数据采集质量控制DEM的生产项目设计一、

DEM的数据源地形图数据：数字化或由等高线自动生成；

从既有地形图上采集涉及两个问题：一是地图符号的数字化二是这些数字化数据往往不满足现势性要求

既有地形图的特点

地形图现势性：纸质地形图制作工艺复杂，更新周期比较长，一般不能及时反映局部地形地貌的变化情况。

地形图存储介质：地形图的纸质存储介质易受存放环境（温度，湿度等）影响而导致图幅产生不同程度的变形

地形图精度：地形图比例尺越小，对地形的综合程度就越大，所表示的地形就越概括和近似，反之亦然。一、DEM的数据源摄影测量/遥感影像数据：航空摄影测量一直是地形图测绘和更新最有效也是最主要的手段，其获取的影像是高精度大范围DEM生产最有价值的数据源。利用该数据源，可以快速获取或更新大面积的DEM数据，从而满足对数据现势性的要求一、DEM的数据源

遥感影像数据与重建DEM

一、DEM的数据源航空遥感影像数据作为DEM数据源时，应注意以下几个特点：遥感影像的几何畸变；遥感数据的增强处理；遥感影像数据的空间分辨率；遥感影像数据的解译和判读一、

DEM的数据源地面测量数据：用测距仪、GPS接收仪、普通测量设备（如经纬仪）等直接定位测量；用于有限范围内各种大比例尺高精度的地形测图和地形建模；精度高，但是工作量大、效率低，周期长、更新十分困难，费用较高，一般不适合大规模的数据采集。一、

DEM的数据源既有DEM数据

随着国家空间数据基础设施的发展，各种数字地图产品纷纷出现；我国到目前为止，已经建成了覆盖全国范围的1:100万、1:25万、1:5万数字高程模型，以及七大江河重点防洪区的1:1万DEM，省级1:1万数字高程模型的建库工作也已全面展开；在应用时要考虑自身的研究目的以及DEM分辨率、存储格式、数据精度和可信度等因素。一、

DEM的数据源

我国七大江河DEM产品系列与覆盖范围（2004年资料）

一、

DEM的数据源遥感卫星：卫星扫描系统（如SPOT卫星上的多光谱扫描仪）获取的图像也能提供DEM；

SAR：雷达干涉波可直接得到DEM；机载激光扫描仪也可直接获取DEM；一、

DEM的数据源DEM的数据获取DEM的数据来源数据采集方法采样的理论基础DEM数据采集质量控制DEM的生产项目设计

DEM数据源的三大属性数字高程模型的采样就是确定何处的点要量测记录的过程，这个过程取决于三个参数：点的分布（包括位置、结构）、点的密度和点的精度，即数字高程模型数据源的三大属性数据的分布是指采样数据位置及分布；数据的密度是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；采样数据精度与数据源、数据的采集方法和数据采集的仪器密切相关的。二、DEM的数据采集沿等高线采样规则格网采样剖面法渐进采样选择性采样混合采样

自动采样摄影测量数据采集方法：模拟摄影测量；解析摄影测量；数字摄影测量；解析测图仪与模拟测图仪的主要区别在于：前者使用的是数字投影方式，后者使用的是模拟的物理投影方式数字摄影测量与模拟、解析摄影测量的最大区别在于：它处理的原始信息可以是像片，更主要的是数字影像(如SPOT影像)或数字化影像；它最终是以计算机视觉代替人眼的立体观测，而且可以数字形式输出结果

二、DEM的数据采集现有摄影测量数据采集方法：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的方式进行数据采集，而在平坦地区，则不宜采用沿等高线采样的方法规则格网采样－适于自动或半自动的数据采集；规则格网采样能确保所采集的数据具有规则的格网形式二、DEM的数据采集现有摄影测量数据采集方法：剖面法－与正射影像相关；区别是在格网法中量测点在格网的两个方向上都均匀采样，而在剖面法中，只是在一个方向即剖面方向上均匀采样。优缺点：效率高，精度低。渐进采样；为了使采样点分布合理，即平坦地区样点较少，地形复杂地区的样点较多，可采用渐近采样方法。在这种方法中，小区域的格网间距逐渐改变，而采样也由粗到精地逐渐进行。渐进采样能解决规则格网采样方法所固有的数据冗余问题，但这种方法仍然存在一些缺点：在地表突变邻近区域内的采样数据仍有较高的冗余度；有些相关特性在第一轮粗略采样中有可能丢失，并且不能在其后的任一轮采样中恢复；跟踪路径太长，导致时间效率降低。二、DEM的数据采集选择性采样；为了准确反映地形，可根据地形特征进行选择性的采样，例如沿山脊线、山谷线、断裂线以及离散特征点(如山顶点)等进行采集。突出优点：只需以少量的点便能使其所代表的地面具有足够的可信度。缺点：需要受到专业训练的观测者对立体模型进行大量内插，所以并非一种高效的采样方法。二、DEM的数据采集混合采样：选择性采样与规则格网采样结合或选择采样与渐进采样结合；这种方法在地形突变处(如山脊线、断裂线等)以选择采样的方式进行，然后这些特征线和另外一些特征点如山顶点、谷底点等，被加入规则格网数据中。实践证明，使用混合采样能解决很多在规则格网采样和渐进采样中遇到的问题。优点：混合采样可建立附加地形特征的规则矩形格网DEM，也可建立沿特征附加三角网(Grid—Tin)混合形式的DEM；缺点：数据的存贮管理与应用均较复杂。

二、DEM的数据采集

自动采样（数字摄影测量）；数字摄影测量系统最主要的特征,自动采集方法按照像片上的规则格网利用数字影像匹配进行数据采集，若利用高程直接求解的影像匹配方法，也可按模型上的规则格网进行数据采集。全数字化摄影测量系统在市场上已有比较成熟的产品，比如适普的全数字测量系统优点：许多操作是自动化的，用户不需要做太多的干预。

二、DEM的数据采集由地形图获取数据：手扶跟踪数字化；将地图平放在数字化仪的台面上，用一个带有十字丝的游标，手扶跟踪等高线或其他地物符号，按等时间间隔或等距离间隔的数据流模式记录平面坐标，或由人工按键控制平面坐标的记录，高程则需由人工从键盘输入。优点：所获取的向量形式的数据在计算机中比较容易处理；缺点：速度慢、人工劳动强度大扫描仪数字化；二、DEM的数据采集DEM数据采集的几点结论摄影测量是DEM的重要数据源，是进行数据库更新的最有效方法之一；现有地形图是DEM的另一重要数据源，从等高线生产DEM的方法已经完全成熟，被广泛地用于生产；使用GPS、激光扫描、干涉雷达等新型技术进行DEM数据采集是很有发展前景的方法；无论哪种方法，最大限度地采集重要的地形特征点是保证DEM质量和提高作业效率的基本前提；利用基于不规则三角网TIN的方法进行数据建模和栅格转换，是快速可靠地生产高精度DEM的切实可行方案；二、DEM的数据采集关于采样理论：用有限的地面点表达完整的地形几何特征，必须进行采样；按采样理论，少数的采样点有可能完全恢复对整体的描述：采样点数据分布：二维规则格网（矩形格网、正方形格网）；一维线形（剖面线、等高线）；特殊规则格网（三角形、六边形等）；链表结构（断裂线）；随机分布点；地形测量碎部点；二、DEM的数据采集二、DEM的数据采集DEM的数据获取DEM的数据来源数据采集方法采样的理论基础DEM数据采集质量控制DEM的生产项目设计

三、采样的理论基础DEM是实际地形表面的再现，其对地形表达的可信程度很大程度上取决于原始地形采样点的分布和密度。DEM数据采样要求对研究区域的地形表面结构特征和地形复杂程度有深入的了解，从而正确地选择地形特征点和线，合理地分布采样点。DEM用户应把重点放在数据来源和输入质量的控制上，而不是学习复杂的内插方法地形曲面几何特征分布在地形表面上的点和线具有不同的地形信息，一般分为特征要素和非特征要素两类。特征要素包括地形特征点和特征线，特征点如山顶、洼地、鞍部、山脚点、山脊点、山谷点等，特征线包括山脊线、山谷线、各种断裂线（陡坎、海岸线、水涯线等）非特征要素是分布在各个地形单元上的点和线，是为满足采样点密度要求而加测的点，这些点线主要是用来辅助地形重建（地形测图中的辅助等高线勾绘等）

地形曲面几何特征地形结构特征图（实线为山脊线，虚线为山谷线，三角形表示山顶，小圆为鞍部，正方形为方向变化点和坡度变化点）

地形的复杂程度地形曲面的复杂程度是地形数据采样时必须考虑的又一个因素。地形复杂度可以通过粗糙度和不规则性来描述，可用不同参数来表达，这些参数能够描述地形曲面的总体特征。目前常用的地形复杂度表达方法有光谱频率法、分数维、地形曲率、相似性、坡度等。地貌单元类型除地形的几何特征、复杂度外，地貌类型也对采样数据点的分布和精度有一定影响。可以对整个DEM采样区域根据坡度值来决定采样点的密度。当根据坡度值来确定采样的密度时，关键的问题是坡度的估算。

DEM的数据获取DEM的数据来源数据采集方法采样的理论基础DEM数据采集质量控制DEM的生产项目设计四、DEM数据采集质量控制原始数据粗差检测与剔除基于趋势面的粗差探测与处理基于趋势面的粗差探测基础是地形所具有的自相关性，即地形表面变化符合一定的自然趋势，表现为连续空间的渐变模型，可用以光滑的曲面来描述。需要注意两点，一是趋势面函数的确定，二是阈值问题特点是能将问题简单化、局部化，能找出大部分的可疑数据点，但不能确定该点是否为真正的粗差，需要用其它的方法进行进一步的分析。

原始数据粗差检测与剔除三维可视化粗差检测技术

对含有粗差的原始数据建立三维表面模型（一般为三角不规则网结构），并将其置于三维可视化环境下，通过人机交互的方式可有效的检测粗差点。

这种方法需要高效可靠的构网技术、快速的交互相应效率以及对异常值敏感的可视化图形。

线框透视图、晕渲图

四、DEM数据采集质量控制原始数据粗差检测与剔除基于坡度信息的规则格网分布数据粗差探测技术采用采样点与周围点的坡度变化是否一致来检测采样点是否含有粗差

这种方法适合于规则分布的采样点的粗差探测，不适合边界部分粗差点的检测。

主要原理和步骤为：坡度差计算；通过相邻两个网格之间的坡度差确定衡量坡度是否变化一致的阈值；怀疑一点；粗差剔除与数据点改正

四、DEM数据采集质量控制原始数据粗差检测与剔除基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法

在原理上与规则格网比较类似，但由于散乱分布的数据点的分布特征，坡度信息获取比较困难

不同在于：一是窗口确定；二是一致性标准确定

四、DEM数据采集质量控制原始数据粗差检测与剔除基于等高线采样数据的粗差探测方法

可采用以下方式进行粗差探测：将所有等高线上的点作为离散点，用上述任何一种方法进行粗差剔除；按等高线的拓扑关系进行粗差探测与剔除；可视化检查；

等高线回放检查

四、DEM数据采集质量控制原始数据的滤波处理基于等高线采样数据的粗差探测方法

原始数据的滤波处理主要是去掉原始数据中的随机误差因素，以提高数据质量和DEM地形表达精度。

数据滤波的方式很多，如最邻近重采样、基于局部移动窗口的中值滤波、平均值滤波以及基于频率域的低通滤波等。

四、DEM数据采集质量控制DEM的数据获取DEM的数据来源数据采集方法采样的理论基础DEM数据采集质量控制DEM的生产项目设计五、DEM的生产项目设计对于一个DEM项目，最终目标是要经济、快速地生产满足一定精度要求的DEM产品。DEM的生产涉及三个基本问题，即DEM的精度、土产成本和效率，而精度在大多数情况下是最重要的。在DEM生产中，首先数据源要有足够的精度和采样密度；其次，表面重建的方法或算法要完美。五、DEM的生产项目设计数字高程模型生产技术设计项目情况汇总资料搜集与分析确定作业依据与技术标准生产设备及技术力量（包括硬件、软件、技术力量等）的配置制定技术路线与工艺流程制定操作规程制定质量控制方案确定上交成果进度计划

根据工序划分的DEMs生产的工艺流程

五、DEM的生产项目设计五、DEM的生产项目设计数字高程模型生产中的注意事项

根据DEM生产项目所涉及的具体应用领域，确定需要加测的重要地物。高程精度难以达到正常规定精度要求的，应使用一定的方法圈出其范围，作为DEM推测区。应对原始数据做严格的检查，包括检测系统误差、偶然误差，以及对粗差的剔除，