DEM数据获取方法

数字地面模型张菊清长安大学地测学院2/4/20231长安大学数字地面模型第三章DEM数据获取方法§3.1DEM数据源1、地形图2、摄影测量/遥感影像数据3、地面测量数据4、既有DEM数据2/4/20232长安大学数字地面模型地形图地形图的缺点：地形图现势性地形图存储介质地形图精度1:10,0001:25,0001:50,0002/4/20233长安大学数字地面模型摄影测量与遥感影像遥感影像存在的问题：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数字摄影测量工作站2/4/20234长安大学数字地面模型地面测量数据用GPS、全站仪、电子平板仪等一起可以实测目标点的三维坐标，作为DEM的数据源。一般来讲以地面测量方式获取的数据精度高，但其工作量大，周期长、更新困难，费用较高，一般不适合大规模的数据采集。2/4/20235长安大学数字地面模型§3.2DEM数据采样理论基础地表是由无数个点构成的，获取地表的全部信息是不可能，也没有必要的。在大多数情况下，仅需获取有限的点，它能够以一定的精度和可信度来表达地形表面即可。2/4/20236长安大学数字地面模型§3.2DEM数据采样理论基础基本采样理论：如果对某一函数g（x）以间隔D（X）进行抽样，则函数高于1/（2DX）的频率部分将不能通过对采样数据的重建而恢复。2/4/20237长安大学数字地面模型§3.2DEM数据采样理论基础（1）、地形曲面几何特征

地形表面千变万化，但这些变化可通过具有特征意义的点和线划分成一系列单一的地貌形态，复杂的地形表面即是由这些单一形态的几何表面组合而成。2/4/20238长安大学数字地面模型§3.2DEM数据采样理论基础（2）、地形的复杂程度

地形曲面的复杂程度是地形数据采样必需考虑的又一个因素。一般来讲地形越破碎，应设的采样点越多。（3）、地貌单元类型2/4/20239地形曲面几何特征特征要素非特征要素特征点特征线地形曲面几何特征2/4/202310长安大学数字地面模型§3.3DEM数据采样策略与采样方法1、采样数据的三大属性数据分布采样数据的分布通常由数据位置和结构来确定。位置：由地理坐标系中的经纬度或格网坐标系统中的东北向坐标决定。

结构：规则与不规则

2/4/202311长安大学数字地面模型数据分布二维规则格网正方形格网一维分布剖面等高线特殊规则结构三角形六边形链表结构随机分布断裂线随机点矩形格网§3.3DEM数据采样策略与采样方法2/4/202312长安大学数字地面模型采样密度指采样数据的密集程度，它与研究区域的地貌类型和地形复杂程度有关。可由几种方式指定：如相邻两点之间的距离、单元面积内的点数、截止频率等。§3.3DEM数据采样策略与采样方法2/4/202313长安大学数字地面模型数据精度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。一般来讲，各种数据源的精度从高到低是野外测量、影像、地形图扫描。§3.3DEM数据采样策略与采样方法2/4/202314长安大学数字地面模型§3.3DEM数据采样策略与采样方法2、采样的布点原则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2/4/202315长安大学数字地面模型§3.3DEM数据采样策略与采样方法3、DEM数据采集方法（1）地形图数据采集方法手扶跟踪数字化扫描数字化2/4/202316长安大学数字地面模型§3.3DEM数据采样策略与采样方法（2）、摄影测量数据采集方法数字摄影测量工作站2/4/202317长安大学数字地面模型§3.3DEM数据采样策略与采样方法（3）、野外测量数据采集方法野外测量：大平板、全站仪、GPS、移动测绘系统特点：精度高、效率较低适合范围：小范围GIS数据采集或局部数据更新2/4/202318长安大学数字地面模型（4）、DEM数据采集的新方法合成孔径雷达干涉测量（InSAR）机载激光扫描数据采集§3.3DEM数据采样策略与采样方法2/4/202319长安大学数字地面模型获取方式DEM的精度速度成本更新程度应用范围地面测量非常高（cm）耗时很高很困难小范围区域，特别的工程项目摄影测量比较高（cm~m）比较快比较高周期性大的工程项目，国家范围内的数据采集立体遥感低很快低很容易国家范围乃至全球范围内的数据收集GPS比较高（cm~m）很快比较高容易小范围，特别的项目地形图手扶跟踪数字化比较低（图上精度0.2~0.4mm）比较耗时低周期性国家范围内以及军事上的数据采集，中小比例尺地形图的数据获取地形图屏幕数字化比较低（图上精度0.1~0.3mm）非常快比较低激光扫描、干涉雷达非常高（cm）很快非常高容易高分辨率、各种范围各种数据源的比较2/4/202320长安大学数字地面模型§3.4DEM数据采集质量控制Eklundh、Martensson（1995) DEM用户应把重点放在数据来源和输入质量控制上，而不是学习复杂的内插方法。 2/4/2023211、原始数据粗差检测与剔除（1）基于趋势面的粗差检测与处理基本思想：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，可用光滑的曲面来描述。趋势面表达了地形的宏观变化趋势，当某一采样点的观测值和趋势面计算值相差较大时，该点可能含有粗差。因此趋势面分析的一个典型应用是揭示区域中不同于总趋势的最大偏离部分。2/4/202322（2）、三维可视化粗差检测1、原始数据粗差检测与剔除2/4/202323长安大学数字地面模型在局部连续空间的渐变模型上，坡度变化也是连续的，因此可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。1、原始数据粗差检测与剔除（3）、基于坡度信息的规则格网分布数据粗差探测技术2/4/202324长安大学数字地面模型（i，j）（i-1，j）（i-1，j-1）（i-1，j+1）（i，j+1）（i+1，j+1）（i+1，j）（i，j-1）（i+1，j-1）p（3）、基于坡度信息的规则格网分布数据粗差探测技术2/4/202325长安大学数字地面模型J方向的坡度：坡度变化值：坡度变化差值（3）、基于坡度信息的规则格网分布数据粗差探测技术2/4/202326（3）、基于坡度信息的规则格网分布数据粗差探测技术基本步骤：（1）坡度差计算（2）通过相邻两格网之间的坡度差确定衡量坡度是否变化一致的阀值。（3）怀疑一点（4）粗差剔除与数据点改正2/4/202327长安大学数字地面模型（4）、基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法全局法：基本思想：使用所有的数据点拟合一高次多项式函数，然后计算每一数据点对所建表面的粗差。若某点的偏差大于阈值，则认为此点可能含有粗差。

2/4/202328长安大学数字地面模型（4）、基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法存在的问题：

由于地面起伏状况极少相似，因此使用相同方式对地面进行处理的全局法在起伏不平但数据不包含粗差的地区可能认为很多点含有粗差，而在相对光滑的地区又不能有效地将粗差检测出来。2/4/202329区域法与全局法相似，只是拟合时所采用的数据点不是全部而是某一区域范围。（4）、基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法2/4/202330点位法

基本思想：将待检查点的高程值与邻域点高程值的统计值如平均值进行求差，如果差值超过一特定阈值，则认为此点含有粗差。（4）、基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法2/4/202331长安大学数字地面模型关键问题：a）统计值如何计算；

b）阈值=？邻域点范围的确定待测点P周围的邻域点范围可根据以P为中心的窗口来指定。可采用两种方式：一种是定义窗口的尺寸，另一种是定义窗口覆盖区域内高程点的数量。（4）、基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法2/4/202332长安大学数字地面模型代表值的计算可将待测点的平均高程作为此点的代表值。有两种方法：一种是计算简单的算术平均值

；另一种是对每个邻域点赋以不同的权值。

（4）、基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法2/4/202333长安大学数字地面模型计算阈值和粗差的检测

设是以第i个点为中心的邻域点的算术平均值，为与第i个点的高程值的差值，即若区域中共有N个点，则用这N个点的V值来计算其统计值，如平均值，取K倍的统计值作为阈值。（4）、基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法2/4/202334长安大学数字地面模型§3.4DEM数据采集质量控制（5）、基于等高线采样数据的粗差探测方法常用的方法有：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探测；按等高线的拓扑关系进行粗差探测与剔除；可视化检查（6）、等高线回放检查2/4/202335长安大学数字地面模型§3.4DEM数据采集质量控制2、原始数据的滤波处理若数据点中含有随机噪声，则DEM生成的等高线不光滑，呈锯齿状。因此为了提高ＤＥＭ对地形的表达精度，有必要对原始数据进行滤波处理。原始数据的滤波处理主要是去掉原始数据中的随机误差，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。2/4/202336长安大学数字地面模型§3.5DEM数据共享和应用国家级的DEM虽然以栅格形式存储，但不宜直接采用TIFF和BMP文件。所以需定义DEM的数据交换格式。数据文件包含两部分：文件头和数据体。数据体主要是点的高程数据，采取从北到南，从西到东的顺序，并以ASCII码方式存储。文件头分两类数据：一类是基本的必须数据，一类是扩充的附加信息。附加部分可省略。文件头的基本组成单元是项目，格式为“项目名：项目值”，每个项目单独占一行。2/4/202337项目名对项目值的说明DataMark中国地球空间数据交换格式—DEMs数据交换格式（CNSDTF—DEM）的标志。基本部分，不可缺省。Version该空间数据交换格式的版本号。基本部分，不可缺省。Unit坐标单位，K表示公里，M表示米，D表示以度为单位的经纬度，S表示以度分秒表示的经纬度。基本部分，不可缺省。Alpha方向角。基本部分，不可缺省Compress压缩方法。0表示不压缩，1表示游程编码。基本部分，不可缺省X0左上角原点X坐标。基本部分，不可缺省Y0左上角原点Y坐标。基本部分，不可缺省DXX方向的间距。基本部分，不可缺省DYY方向的间距。据本部分，不可缺省Row行数。基本部分，不可缺省Col列数。基本部分，不可缺省ValueType高程值的类型。基本部分，不可缺省HZoom