第七章 数字地面模型及其应用

第七章数字地面模型及其应用~第1页，共30页，2023年，2月20日，星期三7.1数字地面模型的概念

地理空间实质是三维的，只是人们通常在二维地理空间上描述和分析空间的分布。如专题图大多数是平面图。DTM模型（DigitalTerrainModel)于50年代由MIT摄影测量实验室提出，是用数字形式描述地形表面的模型。实质上这是对地面形态和属性信息的数字表达。当DTM模型中数字属性为高程时称数字高程模型，即DEM模型（DigitalElevationModel)。DEM模型是DTM模型的一种特例。从测绘的角度看，DEM模型是新一代的地形图，它通过存储在介质上的大量地面点空间数据和地形属性数据，以数字形式来描述地形地貌。

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7.2DEM的常用数据模型一、规则格网（grid)模型1、模型的表示

Z11Z12Z13Z1nDTM=Z21Z22Z23Z2n

ZM1ZM2ZM3ZMn

平面上的任意一点Zij的坐标为xiyi，其中

xi=x0+idxyi=

y0+jdydx,dy分别是格网在x和y方向上的间隔；nx,ny分别为x和y方向上的格网数；i=0,1,2…..nx-1;j=0,1,2……ny-1;第3页，共30页，2023年，2月20日，星期三2、格网的含义用规则采样点，或把不用规则采样点内插成规则点，以矩阵形式来表地面形状。它已成为栅格数据结构中DTM的通用形式。第4页，共30页，2023年，2月20日，星期三3、格网的生成内插方法：1）距离加权法2）双线性插值法3）趋势面插值法4）样条插值法5）克吕格插值法第5页，共30页，2023年，2月20日，星期三4、规则格网模型的优缺点优点1）数据结构简单，算法实现容易。2）容易计算等高线、坡度、坡向、自动提取地域地形等。缺点1）数据量大；2）对不同地形采用一律平等的规则格网，不利于表示复杂地形。第6页，共30页，2023年，2月20日，星期三二、不规则三角网(TriangulatedIrregularNetworkTIN）模型

1、模型的表示

点文件三角形文件点号坐标点三角形号顶点邻接三角形N1X1Y1Z1T1N1N5N6T2T5/

N2X2Y2Z1T2N1N4N3T1T3T6N3X3Y3Z1T3N1N2N4/

T4T2

N4X4Y4Z4T4N2N3N4T3/

T8

N5X5Y5Z5T5N8N5N6T1/

T6

N6X6Y6Z6T6N4N5N8T2T5T7

N7X7Y7Z7T7N4N7N8T6T8/

N8X8Y8Z8T8N3N4N7T4T7/

T1T2T3T4T5T6T7T8N1N6N2N8N7N3N4N5第7页，共30页，2023年，2月20日，星期三

2、不规则三角网规则的生成

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3、不规则三角网规则格网模型的优缺点不规则三角网模型的优点：1）克服栅格数据中的数据允余问题2）可充分表示复杂的地形特征，它能适应起伏不同的地形，用大量三角形地面形态效率高，数据精度高。不规则三角网模型的缺点：1）算法实现复杂，由于形成三角网方法不同有不同算法2）对特殊的地形线要调整

第9页，共30页，2023年，2月20日，星期三7.3DTM数据的采集1、DTM数据源的种类1）航空航天遥感影像为数据源2）以地形图为数据源3）以地面实測记录为数据源4）其它数据源第10页，共30页，2023年，2月20日，星期三2、DTM数据源的采集1）数据采集的方法2）数据采集的原则第11页，共30页，2023年，2月20日，星期三

3、数据采集的后处理采集的DEM数据必需进行后处理方可应用，后处理包括：1）格式转换2）坐标转换3）数据编辑处理4)数据分块第12页，共30页，2023年，2月20日，星期三

4、数据密加的增加和插值数据加密和插值的核心问题是确定内插方法，任何一种内插方法都是基于原始函数光滑性，也就是说认为临近数据点之间存在很大的相关性。第13页，共30页，2023年，2月20日，星期三7.4DTM模型的建立

这里举例说明用地形图生成格网DEM扫描仪扫入地形图预处理获得二值等值线细化二值等高线图跟踪赋值高程值插值生成DTM数据显示三维地面模型第14页，共30页，2023年，2月20日，星期三7.5DTM模型的可视性化在GIS的发展历程中，一开始就十分重视利用计算机技术，实现空间数据的图形显示和分析。以充分直观的表示空间数据处理分析的结果。因此，从某种意义上说GIS的可视化研究早于科学计算可视化的研究。第15页，共30页，2023年，2月20日，星期三一、地形三维显示的步骤1、获取地形数据2、生成数据高程模型3、进行可视化处理4、进行三维显示第16页，共30页，2023年，2月20日，星期三二、GIS可视化研究的几个技术地形三维可视化的主要内容：1）建立数字高程模型；2）图形的投影变换技术；3）图形的消隐技术和裁剪技术；4）光照模型和彩色合成技术。

第17页，共30页，2023年，2月20日，星期三三、地形三维显示的方式1、线框法通过物体的三维边缘框架来表示物体的几何形状。即将地物表面按一定间隔获取数据点，连成折线或曲线，经投影变换后显示。

第18页，共30页，2023年，2月20日，星期三2、表面法线框法用地物的边线来显示表面形状。表面法将整个数据模型看作一个大的复杂空间曲面，来显示地物表面形状。具体安排时将表面分成很多格网以此为面元，作为基本单元进行处理。面元具有各自的属性可独立进行填充消阴显示。3、体素法体素法具有真正意义上的三维显示，它将空间物体分成很多的体元素，如长方体、台面体，作为基本单元进行处理。体元具有真三唯特性。第19页，共30页，2023年，2月20日，星期三四、地形的三维叠置技术1）点要素和三维地形的叠置2）线要素和三维地形的叠置3）面要素和三维地形的叠置第20页，共30页，2023年，2月20日，星期三五、DTM模型的可视化分析

1、通视性分析两点之间的通视性（intervisibility)指在A点是否能看到B点。常用的方法：1）剖面线分析法2）射线追踪分析法ABAB第21页，共30页，2023年，2月20日，星期三第22页，共30页，2023年，2月20日，星期三2、可视域分析第23页，共30页，2023年，2月20日，星期三7.6DTM模型的应用

一、DTM模型在地图制图中的应用第24页，共30页，2023年，2月20日，星期三二、DTM模型在地形分析中的应用1、用DTM模型定义坡度和坡向坡度定义为地形表面和水平面之间夹角的正切值；坡向定义为地形表面法线在水平面上的投影与正北方向之间夹角。阴阴半阴半阴半阳半阳阳阳坡度的定义坡向的定义

坡度角

法线地面第25页，共30页，2023年，2月20日，星期三2、用DTM模型计算坡度和坡向坡度和坡向的计算通常使用3*3的窗口，将其在DEM高程矩阵中连续移动，从而完成整幅图的计算Z2Z2xy

ZZi,j+1-Zi,j-1

x=2x

ZZi+1,j-Zi-1,j

y=2y

xy分别是格网在x方向和y方向上间隔坡向Dir=-Zy坡度=tg=i-1j-1i-1,ji-1,j+1i+1j-1i+1,ji+1,j+1ij-1i,ji,,j+1Z/x=tgA-<A<第26页，共30页，2023年，2月20日，星期三3、山谷山脊特性的分析1）谷点满足下面4个条件(Zi,j-1-

Zi,j)*(Zi,j+1-

Zi,j)>0AND(Zi-1,j-

Zi,j)*(Zi+1,j-

Zi,j)>0ANDZi,j+1>

Zi,jANDZi+1,j>

Zi,j

2)脊点满足下面4个条件(Zi,j-1-

Zi,j)*(Zi,j+1-

Zi,j)>0AND(Zi,j-1-

Zi,j)*(Zi+1,j-

Zi,j)>0ANDZi,j+1<

Zi,jANDZi+1,j<

Zi,j

3)沟谷密度D=L/A其中A是区域的面积；L是区域内沟谷总长度。4)沟谷深度i,j-1i,ji,j+1i-1,j-1i-1,ji-1,j+1i+1,j-1i+1,ji+1,j+1第27页，共30页，2023年，2月20日，星期