第二章DEM的数据组织与管理

第二章DEM的数据组织与管理2.1概述数字高程模型是地形曲面的数字化表达，也就是说，DEM是在计算机存储介质上科学、真实地描述、表达和模拟地形曲面实体，因此它的建立实际上是一种地形数据的建模过程。DEM的建立首先要对地形曲面进行抽象、总结和提炼，形成高度概括的地形曲面数据模型，然后在此数据模型基础上，将观测数据按照一定的结构组织在一起，形成对数据模型的表述，最后借助计算机实现数据管理和地形重建。按一定结构组织在一起的地形数据，一般通过数据库进行管理和调度（当然小范围的数据也可采用文件形式进行管理）。DEM数据设计基本原则2.2

DEM数据模型：镶嵌数据模型镶嵌数据模型（Tessellationmodel）源于这样的思想：空间对象可用相互连接在一起的网络来覆盖和逼近，或者说用在二维区域上的网络划分来覆盖整个研究区域。镶嵌数据模型特别适合于对三维离散空间数据的表达，以及对具有连续变化的空间对象的模拟。网络的特征参数包括网格尺寸、形状、方位等，对同一地理现象可以由若干不同的尺度、不同的聚分性网络来覆盖。镶嵌数据模型按照网格形状可分为规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型，镶嵌模型的典型应用是地形曲面模拟，即数字高程模型，其中基于正方形网络的镶嵌数据模型为栅格DEM，而基于不规则镶嵌数据模型为不规则三角网DEM。2.2.1规则镶嵌数据模型概念：就是用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。在二维空间中可以有多种可能的规则格网划分方法,如图。2.2.1规则镶嵌数据模型构造规则镶嵌模型的方法用数学手段将研究区域进行网格划分，把连续的地理空间离散为互不覆盖的网格，然后对网格单元附加相应的属性信息（即高程值）。例如对规则格网的DEM而言，一般通过曲面拟合方法求得栅格单元的高程值。2.2.1规则镶嵌数据模型评价

优点：（1）其数据结构为通常的二维矩阵结构，每个网格单元表示二维空间的一个位置，不管是沿水平方向还是垂直方向，均能方便地利用简单的数学公式访问任何位置的格网单元；（2）处理这种结构的算法比较多而且成熟，大多数计算机程序语言都有矩阵处理功能。（3）以矩阵形式存储和组织数据还具有隐式坐标，即格网单元的平面坐标隐含在矩阵的行列号之中，从而不需要进行坐标数字化。

缺点：是不管地形变化复杂还是简单，均采用相同的结构，导致数据冗余而给数据管理带来不便。2.2.2不规则镶嵌数据模型概念：是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界，如图。在DEM中，基于三角形的不规则镶嵌模型又称为不规则三角网（TriangulatedIrregularNetwork，简称TIN），是DEM的又一主要表达形式。TIN模型是三维空间上的分段线性模型，整个区域内连续但不可微。

2.2.2不规则镶嵌数据模型特点：不规则三角网数字高程模型由连续的三角面组成，三角形的形状、大小取决于不规则分布的点的位置和密度。地形变化越简单，采样点就越少，则单元格就越大；反之地形变化比较复杂，数据点分布比较密集，格网单元就越小。与规则格网的区别：TIN模型不需要维护模型的结构规则性，不但能灵活地随地形的复杂程度而改变格网单元大小，避免平坦地形的数据冗余，而且又能按地形特征点线如山脊点、山谷线、地形变化线等表示地形特征。2.3DEM数据结构2.3.1规则格网DEM数据结构（1）简单矩阵结构规则格网DEM的数据在水平方向和垂直方向的间隔相等，格网点的平面坐标隐含在行列号中，故适宜用矩阵形式进行存储，即按行（或列）逐一记录每一个格网单元的高程值。同时为了实现行列号和平面位置坐标之间的转换，还需要记录格网西南角的坐标值、格网间距等。

规则格网DEM的数据文件一般包含数据头和数据体。

数据头：定义DEM西南角起点坐标、坐标类型、格网间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等内容。数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列。Arcview的文本文件格式（2）行程编码结构DEM行程编码的基本思路是：对于一幅DEM，常常在行(或列)方向上相邻的若干点具有相同的高程值，因而从第一列开始，在格网单元数值发生变化时依次记录该值以及重复的个数，应用时可利用重复个数恢复DEM矩阵。

行程编码方案实际上是一种栅格数据的压缩方案，能够有效的减少DEM数据存储量，特别是对平坦地区。（3）块状编码结构块状编码方案是行程编码方案从一维扩展到二维的情况，它采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。该数据结构是由记录单元的初始位置(行、列号)、格网单元高程值和方形区域半径(正方形区域的边长，采用格网间距倍数表示)所组成的单元组，即(行号，列号，格网高程值，区域半径)，整个DEM数据文件由该单元组组成，根据初始位置和区域半径可恢复高程矩阵。（4）四鹅叉树两结构四叉芝树数丢据结康构是画一种汤对栅博格数渴据的压缩箩编码扭方法。基本考思想府是将雀一幅受栅格赞数据赵层或扬图像疯等分痰为四虏个部和分，哥逐块除检查忍其格特网属辽性值治（或僻灰度价）；触如果忆某个钞子区滔的所袄有格禁网值真都具经有相先同的友值，电则这亡个子爹区就航不再恨继续爽分割吸，否需则还袄要把邮这个企子区牌分割库为四纲个子核区；肺这样壤依次拴分割堤，直崭到每谱个子午块都消只含接有相同交的属嚼性值海或灰秀度为止锐。2.盟3.陕2吨TI处N结译构不规城则三其角网DE品M直接姥利用盈原始恨采样汗点进豪行地杯形表悄面的省重建免，由己连续誓的相圆互联题接的遗三角预面组经成，绩三角置面的惯形状下和大误小取易决于受不规市则分为布的焰观测贩点的沟密度屋和位氏置。AEDCB165432TI变N捡模型魔基本设结构益元素拓扑脑关系TI泳N筐文件厨组成AEDCB165432三角形节点A1，5，6B4，5，6C3，4，6D2，3，6E1，2，6三角稻形/节点惊关系擦表坐标腔表节点坐标1X1，Y1，Z12X2，Y2，Z23X3，Y3，Z34X4，Y4，,Z45X5，Y5，Z56X6，Y6，Z6TI铁N沈的数丑据结涨构类芒型TI钟N确的面叨结构TI伶N的面占结构巨在基黑本链榨表结严构基绘础上拾增加狂了用领来描而述三角忘形之瞎间拓评扑关鹊系的数栏据，财也就梨是说TI乏N的面煎结构猜一般桥由三撒个表罢组成回，即治坐标找表、抗三角盗形顶父点表械以及卵邻接轻三角警形表轮。特点杀：由滴于存沈储了绳三角既形之营间的犹邻接火关系袜，TI狮N内插籍、检性索、抗等高也线提怨取、日显示绳及局绸部结拜构分初析都灿比较隆方便渴。不足仿：存池储量间较大腔，而愈且在TI迟N的编听辑中疏要随心时维哭护这戴种关奖系。TI宴N其的点荷结构TI趋N的点乒结构谊由坐血标文季件和茫三角洲形顶培点的猜邻接声指针番链组远成。三角斗形顶振点的屑邻接旨点是静指共用肯该顶蔑点的灾所有拿三角碑形其老余两混顶点墓的不绑重复粱顶点纺的集邪合，可肠按顺从时针杯或逆膏时针毙方向涛顺序怖组成哄。每个夕顶点春的邻载接点欲顺次添存储贤在一雾个链鸽表中厨。特点诊：存献储量森小，棒编辑损方便橡。不足迁：但贩三角惰形及呆其邻国接关跑系需瓜实时候再生饿成，秒计算随量比信较大鸽。TI保N凳的点恼面结均构在点桌结构花基础丧上，赶增加性组成达三角教形三胆顶点泊的数羡表。特点期：结宪构存除储量涨与面室结构情的大框致相背当，埋编辑另、显锋示比填较方唯便。不足怀；由晒于三亏角形判之间容的关司系是茧隐式蓝的，这检索吼与内边插效畅率不芒太高更。TI县N境的边肤结构TI奏N的边疾结构按是从幅组成摆整个TI芽N模型董的所孟有三邀角形浊中，怨抽取派其不礼重复让边集繁所组轧成。特点亡：存搂储量覆比较堡小，脂非常元适合坝等高竖线的狂提取不足渡：编剪辑、嫌内插争以及爹检索匀不太行方便默。TI亭N写的边肺面结愚构边面脊结构叮重点勒在于拨刻画薄三角微形边失和三片角形课面之按间的贤拓扑买关系锹，一汤般由边表孕和邻广接三肺角形寄表组成争。在论边表带中，煌定义泪该边鹿的起绩点、音终点辜和左抹右相卖邻三娱角形影，而消邻接进三角妻形表妨中则略记录副三角古形之妨间的鹅拓扑多关系腹。特点：为升上述饺所有努结构让中存椒储量乘最大脉的，笼虽然忆在检竖索、乒等高掠线提神取等鼻方面蚁比较虾方便絮。不足：不稠利于恨动态略更新娇和维并护。不规认则三础角网DE逢M的优点是：能充好分利芽用地茶貌的晶特征折点和竹特征弄线，毁较好暗地表乐示复旗杂地图形；可根睬据不衰同的剥地形炭，选芳取合跳适的贱采样毕点数快；进行烫地形盐分析狠和绘奥制立酒体图禾也很若方便情。其缺点是：栽由于惹数据页结构诉复杂战，因蚕而不餐便于碑规范请化管需理，找难以涨与矢远量和衫栅格懒数据脏进行演联合策分析忽。格网富DE担M和顽TI执N的对比2.欢3.润3诉格网秩与不危规则咬三角城网结驻构混克合结厌构由于攻规则吗格网DE悉M和不配规则轰三角魄网各德有优脸缺点竞，在我实际佳应用裁中，骂在大范永围内雁一般军采用辨规则流格网命附加姑地形征特征漠数据，如浑地形威特征亭点、欧山脊财线、沸山谷涌线、合断裂恢线等执，构将成全倒局高摸效、末局部狐完美刑的DE水M，规述则格乌网DE菜M被分顶割而随形成前一个御局部补的不严规则漠三角却网。由于膜特征狸线作犬为矢胖量数谅据具最有比备规则计格网罗复杂拳得多炭的拓君扑结亩构和鞭属性尼内容肉，一段般还录是采磨用混推合的管数据赢结构纠分别两进行滨处理洪。当然占也可周以设角计一株个一揉体化渗的数决据结爹构同饺时组疗织这董些不描同类粱型的册数据酷，比拾如将把所有伴矢量缴都栅果格化等。另攀外，律考虑榆到混报合结病构将秃导致迟数据弦管理电复杂电化并出降低晌数据院检索狱的效候率，岛根据纲研究阶区域肌的大耀小和道软件锄性能锯，应挥用时休常常杀将其实董时地旧完全筝转换秤为TI燥N的数拳据结交构。2.裙4监DE怕M数丘据库掩管理2.纵4.栋1尸DE五M数据么库内糟容DE申M已成捆为GI至S的核侵心数哈据库汉和地漫学分遭析的湖基础愿数据。DE滨M数据泼与遥膏感影还像数陕据、乒矢量叠特征蹄数据韵、多葱媒体励数据致等数刮据进挖行融虚合和抚信息杨的复甜合处岗理，DE茎M从单萍一的笨文件饺结构变向复肚杂的趁信息妙系统蒜发展责已成劈燕为一乒种必复然的寨趋势这。DE盗M数据生库属非空间裹数据摄库。DE贩M数据库库的君内容忆如图侍。在一疾个关瓦系数杜据库贞里最成普通厉的对示象是关系腐表，其漆他对涌象如舞索引录、视隐图、刃序列升、同甜义字尖和数列据字拨典等叼都用师来进芹行查翼询和俱数据喇存取幼。表是躬基本经的存术储结谱构，则是一少个由椅若干窄行和迎列的研数据部元素论组成悄的二谊维矩谜阵。表的每一怎行包抄含了全描述焰一个录实体博的所动有信舌息，而枣其中盆的一列烫则表邪示这批个实测体的恩一个例属性。DE晚M数据务库结扣构实承质上刻是DE救M的数镰据结姜构。对旬于TI集N而言衣，一键般是骨把三角攻形的都顶点熟看作雅数据阔库中贼的基酿本实者体，并趋在此堪基础蹄上定渗义是兄三角爆形顶土点、怠三角值形边缝、三耀角形心面之疼间的浮拓扑懂关系街。在DE倾M构建阅过程趋中，题还有召一类湿比较桨重要鼓的数史据，睁即地位形特崇征数盈据，麦如地笔形断开裂线戒、特仰殊边就界线缴、山宫脊线杆、山紫谷线奶等，习它们柳是高外精度卷逼真牺再现沟地形召的保阿证，邪同时猜也是百信息喷复合登的需适要，梦一般伏在DE零M数据寻库中娇也予仁以保肃留。色它们料的结凑构如俯下图宫所示胖。2.奥4.投2齐DE季M数据本库结始构2.售4.忧3桨DE饱M数据默库数捆据组尊织定义劫：DE划M数据炉的管卧理和裂调度把方式鸣。组织豪方式滨：“工歪程-工作航区-图幅帝”工程：是惹指一贱个区待域内湾的全部DE懒M数据。图幅：是貌按照乔一定汁规则偿对研日究区团域进英行二维咐划分是DE哨M数据从采集跌、建缝立、栽操作皂和调移度的绒基本垦单位爆，每嫌一个熟图幅涉由若犁干行伏和若齿干列脉格网煮单元枯组成暖。工作腾区：是贵当前付感兴却趣的占研究池区域闸，一灿般情舰况下胞工作情区就墙是图反幅，务如果住需要嘴，也凶可将多个侧图幅抱定义鹅为一弃个工食作区。图幅混由坐察标范变围定蜻义，梁通过途记录擦每一汪个图遣幅范熟围的掏空间漂索引贯文件(工作尚区范泡围通寸过图蒙幅范右围确件定)，即兵可建名立工沫程与友工作巩区、瓣图幅好之间四的联换系。当一秧个工疾程具埋有不什同的沸分辨鸟率的DE陪M时，赠则形袄成细严节层申次模毯型（le召ve易ls擦o择F竿De火ta哀il洋L阴OD）。LO砌D模型唐形成栏方案个：（1）形拘成某仿一地谁区不厦同分矿辨率影的DE派M，通侨过一傲体化混管理滩建立衫金字芝塔数壮据库—核心纹是不喊同分吵辨率DE送M的融刑合。（2）在狼地形扎可视补化中防，实蹈施细堪节分汤层是一司个热惠点。图幅牌由坐珍标范骨围定洪义，腐例如怀，图饶幅H的范扭围是鲜（27晓0,亿12还0,屠28拣0,匀13洋0）。雷通过配记录姿每一堆个图冲幅范敢围的空间浆索引亡文件（工初作区鱼范围瞧通过瞒图幅马范围痒确定洪），察即可芬建立镰工程甲与工幸作区书、图于幅之个间的仓联系承，用慌户可含以在蔽工程雅界面予下，按确定芒整个驶工程摧内任倒意一识点的DE两M值，恢也可仪在工比程内坐开