DEM与可视化第章2

第二章数字地形模型概述

江文萍武汉大学资源与环境科学学院2015.9§2.1数字地形模型一、数字地面模型数字地面模型（DigitalTerrainModel,DTM）是由美国麻省理工学院的Miller教授针对高速公路的自动设计于1956年提出来的。Miller和Laflamme在1958年给出DTM如下的定义 数字地面模型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知x、y、z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，DTM就是地形表面简单的数字表示。§2.1数字地形模型数字地面模型更通用的定义：

描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角度，可以用下述二维函数系列取值的有序集合来概括地表示数字地面模型的丰富内容和多样形式：

上式记为(1-2-1)形如Kp为第p号地面点(可以是单一的点，但一般是某点及其微小邻域所划定的一个地表面元)上的第k类地面特性情息的取值；up,vp为第p号地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等；m(m大于等于1)为地面特性信息类型的数目；n为地面点的个数。当上述函数的定义城为二维地理空间上的面域、线段或网络时，n趋于正无穷大；当定义域为离散点集时，n一般为有限正整数。§2.1数字地形模型例如，假定将土壤类型编作第i类地面特性信息。则数字地面模型的第i个组成部分为：

(1-2-2)数字地面模型是对某一种或多种地面特性空间分布的数字描述，是叠加在二维地理空间上的一维或多维地面特性向量空间，是地理信息系统空间数据库的某类实体或所有这些实体的总和。数字地面模型的本质共性是二维地理空间定位和数字描述。§2.1数字地形模型数字地形模型

测绘学从地形测绘的角度来研究数字地面模型，一般仅把基本地形图中的地形要素，特别是高程信息，作为数字地面模型的内容。测绘学家心目中的数字地面模型是新一代的地形图，地貌和地物不再用直观的等高线和图例符号在纸上表达，而是通过储存在磁性介质中的大量密集的(一般是规则的)地面点的空间坐标和地形属性编码，以数字的形式描述。正因为如此，很多测绘学学家把“Terrain”一词理解为地形，称DTM为数字地形模型。其他非测绘应用的课题，通常都根据各自的具体褐要，将某些非地形的特性信息与地形信息结合在一起，构成数字地面模型。§2.1数字地形模型二、数字高程模型在上式中，当m＝1且f1为对地面高程的映射，(up，vp)为矩阵行列号时，该式表达的数字地面模型即所谓的数字高程模型(DigitalElevationModel，简称DEM)。显然，DEM是DTM的一个子集。实际上，DEM是DTM中最基本的部分，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。数字高程模型DEM是表示区域D上的三维向量有限序列，用函数的形式描述为：

(1-2-3)

Xi，Yi---平面坐标

Zi-对应的高程§2.1数字地形模型一般可以认为，DEM是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形态和地貌起伏的数字描述。DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法。最基本的DEM是由一系列地面点x,y位置及其相联系的高程z所组成，用数学函数是的表达是：

z=f(x,y)x,y∈DEM所在的区域§2.1数字地形模型三、数字高程模型的特点

与传统地形图比较，DEM作为地形表面的一种数字表达形式有如下特点：

(1)容易以多种形式显示地形信息。DEM:多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。常规地形图:制作完成后，比例尺不容易改变，改变或者绘制其他形式的地形图，则需要人工处理。

(2)精度不会损失。常规地图:图纸变形，失掉原有的精度。用人工的方法制作其他种类的地图，精度会受到损失DEM:采用数字媒介，保持精度不变。由DEM直接输出其他类型的地图，精度可得到控制。

§2.1数字地形模型(3)容易实现自动化、实时化。常规地图：增加和修改都必须重复相同的工序，劳动强度大而且周期长，不利于地图的实时更新。DEM：增加或改变地形信息只需将修改信息直接输入列计算机，经软件处理后立即可产生实时化的各种地形图。数字高程模型具有以下显著的特点：便于存储、更新、传播和计算机自动处理；具有多比例尺特性，如lm分辨串的DEM自动涵盖了更小分辨串如10m和100m的DEM内容；特别适合于各种定量分析与三维建模。§2.2数字地形模型的应用范畴一、相关学科和技术1、基础理论与技术支持计算机科学是数字高程模型产生和发展的最重要的基础之一，计算机科学的技术突破必将对数字高程模型的技术理论体系产生深远的影响。数值逼近、计算几何、图论和数学形态学等数学分支的有关理论和方法则奠定了数字地形模型的数学基础。各种数字技术如编码、数据压缩、数据结构和数据库技术等则是组织数字高程模型数据的理论依据。地形的三维逼真显示(仿真)技术，一直是计算机图形学的重要研究内容。数字高程模型的可视表现更是依托于计算机图形学的发展。§2.2数字地形模型的应用范畴2、测绘学数字地形模型的原始数据采集主要依靠测绘学的支持。对于不同的数据源，可分别借助摄影测量与遥感(RS)、GPS、计算机地图制图的图形数字化输入和编辑以及野外数字测图等技术，进行数字地形模型原始数据的采集工作。特别是在摄影测量领域，DEM已经成为主要的产品形式和正射影像生产的基础。DEM辅助遥感影像的处理，则可提高影像分类及解译的成功率。§2.2数字地形模型的应用范畴3、地理信息系统(G1S)DEM作为地球空间框架数据的基本内容和其他各种地理信息的载体，是各种地学分析的基础数据，自然也是GIS的基本内容。特别是GIS中的三维可视化和虚拟现实更是离不开DEM。§2.2数字地形模型的应用范畴二、应用数字地形模型既然是地理空间定位的数字数据集合，因此凡牵涉到地理空间定位，在研究过程中又依靠计算机系统支持的课题，一般都要建立数字地形模型。从这个角度看，建立数字地形模型是对地面特性进行空间描述的一种数字方法途径，数字地形模型的应用可遍及整个地学领域。§2艺.2数字素地形竭模型泊的应舟用范收畴1、可非将DT嘱M的主论要应泄用归驶纳为作为俩国家果地理惜信息谅的基季础数傲据美国岸地质凑测量辫局US腊GS鲜--也-国家督基础血地理欧信息宣产品数字居线化值图(D敏ig螺it汽al昆L侦in述e深Gr隔ap蒙hs脾,D逢LG工)数字毙高程狭模型(D婶ig竭it办al腔E紫le悄va痕ti功on匹M紫od各el盖,D沉EM旧)数字洲正射糊影像(D驱ig驼it苍al消O傲rt捡ho餐ph表ot荒o抓Ma拨p,浩DO刺M)地理子名字(G当eo朗gr侧ap总hi孙c远Na滚me骗)数字留栅格冈图(D昼ig浊it状al板R你as毒te孩r妨Gr岛ap弃hs，简统称DR聪G)我国4D产品DL饥G、DE凳M、DO讽M、DR题G的生奴产和拴管理国家怎空间凤数据杜基础破设施(N障SD扒I)的框材架数池据:3坟D,挨D盏LG、DE喜M、DO遵M。§2两.2数字坡地形队模型干的应轻用范框畴土木忘工程谜、景恭观建污筑与愚矿山抓工程灯的规惹划与言设计为军功事目黑的(军事远模拟葱等)而进蚊行的挥地表皇三维单显示景观死设计炊与城洋市规氏划流水洁线分挡析、男可视盼性分脏析交通汪路线奴的规辆划与码大坝狠的选转址不同秃地表税的统控计分功析与果比较生成掠坡度量图、庸坡向榆图、域剖面台图，另辅助灰地貌冻分析醋，估鲜计侵析蚀和问泾流挥等§2撤.2数字回地形扛模型伪的应谢用范店畴作为钱背景微叠加省各种作专题喷信息拿如土吉壤、狮土地些利用亿及植拌被覆傻盖数意据等油，以籍进行青显示遇与分扎析为棉遥感咳、环扁境规岔划中听的处症理提侮供数责据辅助泻影像住解译叔、遥保感分墓类将DE坟M概念完扩充缘瑞到表片示与斑地表杰相关捆的各掏种属焦性，疏如人包口、锯交通维、旅赖行时我间等与GI惠S联合列进行皇空间撑分析虚拟吗现实(V语ir例tu尖al延R寻ea浑li侦ty长)§2犯.2数字拢地形沃模型瞎的应换用范亚畴2、DE排M的派辰生产始品平面谊等高神线图立体迷等高桥线固等坡虚度图晕渲鞠图通视小图纵、降横断怨面团三维佣立体机透视供图三维舍立体锅彩色沉图景观谜图§2蔽.3数字楼地形瓶模型萍的数丈据结此构DT作M的数听据结说构对勒其应毕用有爱着重絮要影植响，醉不同扎的数默据结肿构采惨用的话算法插不同蝴，占剩用的像存储渴空间视大小准不同遣，进够行计魄算时礼的效黎率也床不相捉同。DT羽M常用涨的数煤据结兴构主特要分冒为：仍规则漆网格歌结构睡和不筒规则叙三角混网结龙构。§2乱.3数字患地形岭模型谢的数洪据结板构一、非规则胞网格打结构规则幕网格革，通荣常是亏正方诞形，洽也可尺以是惯矩形区、三览角形理等规宰则网波格。结以正合方形昂格网爹（Gr抵id）为揪主。规则体网格幕将区役域空歼间切漂分为硬规则宇的格罪网单前元，伞每个仰格网茅单元烂对应愿一个昼数值捡。数恨学上漂可以玻表示铅为一索个矩劫阵，怜在计爸算机泉实现输中则爹是一前个二善维数鞭组。迷每个坛格网么单元线或数次组的扮一个水元素兄，对旺应一摩个高嫂程值援。H1汪1黑H1守2假…叠……摔……烫H师1n倚H陷21组H畜22全……括……页…屡H2锁n……浓……茅…土……纤……户……………移……征…烧……壤……蛙……彼………搂……再…旬……喘……展……坛………蔑……葵…捧……挠……督……内…Hm浸1答Hm冲2碗…本……万……问H缘瑞mn§2颂.3数字收地形皱模型积的数避据结卵构规则葛格网家的高撇程矩喊阵，挥可以痰很容纠易地锯用计锻算机虑进行斧处理瞧，特雄别是魔栅格虫数据锣结构转的地抗理信素息系参统。斗它还缓可以佣很容季易地甘计算夫等高狐线、装坡度缺坡向狭、山玻坡阴聋影和比自动月提取专流域和地形沙，使渴得它舟成为DE笑M最广潮泛使添用的它格式盖，目桥前许碑多国有家的DE循M数据纺都是悄以规绢则格取网的排数据懂矩阵似形式罩提供铺的。规则逮格网追结构DE建M的缺窃点：在地商形简泡单、挎平坦如的地公区存辟在大谜量冗泡余数爬据；如不屡改变草格网吸大小全，则例无法短适用洋于起炒伏程吸度不中同的抖地区聪；由于砖栅格静过于踩粗略材，不诊能精练确表先达某响些重齿要的辆地形川特征桌，如俊山峰缺、洼席坑、馋山脊邪、山痛谷等竭。用于扯非矩今形的斧不规垂则区骡域时馋，边游界要庆做特顾殊处真理。§2唐.3数字撕地形洁模型参的数挑据结稍构二、鱼不规傲则三顶角网瓜（TI客N）模棍型1、概舱念不规毁则三揭角网(T怕ri秀an双gu稻la川te险d格Ir四re分gu限la岔r叫Ne毙tw难or桐k，TI匆N)是另用外一雅种表钓示数种字高旨程模黄型的惹方法购，是替由Pe讯uk钉er和他甜的同已事19脾78年设唐计的由一个处系统种。它是笔由不晒规则教分布笑的离刑散数诞据点冤构造坊出邻驱接的阀三角真形（竟三角许面）心而组盘成的沟格网鸣结构牧。它既洞减少朋规则妈格网哀方法扒带来速的数炕据冗德余，霞同时品在计卸算（炕如坡姨度）耐效率固方面五又优摩于纯柔粹基吉于等郑高线罪的方虾法。§2较.3数字壤地形垒模型览的数哲据结打构TI役N是一械个三峰维空河间的耗分段顶线性租模型砌，在劈燕整个啊区域价内连谷续但票不可驴微。不则紧三角拖网数冶字高请程由抗连续担的三臂角面慕组成音，三跳角面逃的形拳状和罗大小慢取决晋于不阔规则侵分布乌的测岔点或播节点巴的位菌置和机密度银。TI捞N表示志法利驶用所救有采瓣样点贡取得枝的离消散数霞据，牵按照塞优化江组合述的原尾则，脚把这秆些离葛散点(各三册角形草的顶杆点)连接饶成相府互连疗续的爪三角障面(在连陆接时腐，尽批可能唇地确泥保每肃个三崇角形芽都是帖锐角爽三角脾形或匀是三妈边的格长度毛近似殿相等)§2利.3数字社地形剧模型蹲的数云据结惧构2、基嘴于TI扣N的DE反M特点TI葛N是不填规则滩格网牢中最真简单晋的形灵态，诉在等蜡高线描追踪首、三湖维显慨示及燥其他殃方面厉也是链最常毅用、浓最简毫单的结结构去。基健于TI衫N建立放的DE霞M的特穿点：TI霉N能随虑地形浆起伏锅变化量的复梁杂性勒而灵恒活地颂改变桑采样莲点的陡密度及和确术定离患散采恼样点富的位盟置因川而它即克服将了因凳地形胳起伏庄不大宗而产建生的虹高程宅矩阵别中冗对余数雪据的梯问题堤；能按裹地形未特征攀点和王线，袭如山避脊线贪、沟欢谷线诊、地滑形变偶换线负和其房诚它能碍按精肉度要奇求进撇行数叙字化读的重佳要地质形特楼征来行获取DE术M数据股，不让改变茄原始伍数据舱及其丽精度瓣，保议持原援有的俩关键意地形全特征纵；能较涉好地占处理渴不规指则形遵状的枯区域教边界牙；有足印够离劫散点称的情厌况下结效果翻较好叶。§2脑.3数字陷地形品模型围的数币据结鄙构3、TI即N的存君储结循构TI倚N的数荡据存丘储方车式比奴格网DE廉M复杂岛，它绒不仅日要存挤储每缓个点敏的高阶程，粉还要伍存储顽其平鸟面坐赶标、寸节点填连接热的拓蜓扑关雾系，衰三角全形及居邻接乡丰三角骨形等泥关系颜。在矮概念柏上，TI扒N模型惠类似捷于多袭边形挠网络伙中的掉矢量淡拓扑汽结构凭，只易是T1粱N中不批必要坑规定“岛屿”或“洞”的拓库扑关廊系。有许及多种暮表达TI序N拓扑亏结构中的存孝储方土式，绢一个