数字地面模型的建立与应用

第一页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第二页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第三页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第四页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第五页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第六页，共四十五页，编辑于2023年，星期日§6.1概述数字地面模型DTM（DigitalTerrainModel）最初是美国麻省理工学院Miller教授为了高速公路的自动设计于1956年提出的。数字地面模型DTM的理论与实践由数据采集、数据处理与应用三个部分组成。对它的研究经历了四个时期。20世纪50年代是其概念形成的时期；60年代至70年代对其内插问题进行了大量的研究。80年代以来，对DTM系统的各个环节包括数据采集，粗差探测、数据压缩、DTM应用进行了研究。第七页，共四十五页，编辑于2023年，星期日§6.2数字地面模型的概念及表达形式•与传统的地图相比较，DTM作为地表信息的一种数字表达形式有着无可比拟的优越性。①可以直接输入计算机，供各种计算机辅助设计使用。②可以运用多层数据结构存储丰富的信息（地形图无法表达的垂直分布地物信息）。③存储形式是数字形式的，便于修改、更新、管理、转换。第八页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第九页，共四十五页，编辑于2023年，星期日•DTM（DigitalTerrainModels）即数字地面模型，它是地形起伏的数字表达，它由对地形表面取样所得到的一组点的x、y、Z坐标数据和一套对地面提供连续的描述的算法组成。简单地说，数字地面模型是按一定结构组织在一起的数据组，它代表着地形特征的空间分布。DTM是建立地形数据库的基本数据，可以用来制作等高线图、坡度图、专题图等多种图解产品。

•DTM是地形表面形态等多种信息的一个数字表示。严格地说，DTM是定义在某一区域D上的维向量有限序列：地形，环境，资源，土地利用，人口分布等多种信息的定量或定性描述。第十页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期日DTM的表达形式（GRID，TIN）1、规则矩形格网（GRID）第十二页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第十三页，共四十五页，编辑于2023年，星期日§6.3DEM的数据获取及预处理为了建立DEM，必须量测一些点的三维坐标，这就是DEM的数据采集或数据获取。通常是按一定的测量方法（野外直接测量、数字摄影测量等），在测区内测量一定数量的离散点的平面位置和高程，这些点称为控制点（数据点或参考点）。接着，以控制点为网络框架，在其中内插大量的高程点，第十四页，共四十五页，编辑于2023年，星期日数字地面模型的数据来源主要有两个方面：一是直接取自地形表面，二是间接取自地形表面的模拟模型。根据数据获取的方法不同，数据来源可分为以下几种：1、野外实地测量。即在实地直接测量地面点的平面位置和高程。一般使用电子速测仪进行观测。一、DEM数据点的采集方法第十五页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第十六页，共四十五页，编辑于2023年，星期日2、由现有地形图上采集。最简单的方法是在数字化台上手工跟踪等高线。现在常用的方法是使用扫描装置采集。（扫描数字化仪）手扶跟踪数字化：利用数字化仪将地图上的空间实体进行离散化采点。数字化仪是通过串口与计算机相联的，它可以设置一系列参数（包括通信参数和数字化仪操作参数）以保证数据录入的准确性和精度。数字化仪的主要工作部分就是面板和游标。第十七页，共四十五页，编辑于2023年，星期日5006573.25358.55573.80357.45575.55356.50578.10355.95579.67356.63580.00358.3840011571.20358.40571.83356.85573.15355.92575.15355.45577.05354.77580.08353.60582.85352.77584.60354.17584.42356.13582.83357.08582.00358.35第十八页，共四十五页，编辑于2023年，星期日3、由遥感系统直接测得。如航空和航天飞行器搭载雷达和激光测高仪获得的数据。（LIDAR）第十九页，共四十五页，编辑于2023年，星期日4、数字摄影测量方法是DEM数据点采集最常用的方法。可利用数字摄影测量系统，进行半自动或全自动的数据采集。第二十页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第二十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期日利用影像匹配获得的同名点进行相对定向第二十二页，共四十五页，编辑于2023年，星期日2、一维相关•目标区：一维相关是在核线影像上只进行一维搜索。理论上，目标区与搜索区可以是一维窗口。但是由于两影像窗口的相似性测度一般为统计量，为了保证相关结果的可靠性，应有较多的样本进行估计，因此，目标窗口的像素不应太少。取一个以待定点为中心，个像素的窗口，此时，搜索区为个像素的灰度阵列，搜索工作只在一个方向进行，计算相似性测度目标区搜索区第二十三页，共四十五页，编辑于2023年，星期日二、核线几何关系解析与核线排列（P28）第二十四页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第二十五页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第二十六页，共四十五页，编辑于2023年，星期日1、核线几何关系解析确定同名核线的方法很多，但基本上可以分为两类：一是基于数字影像的几何纠正；二是基于共面条件。（1）基于数字影像几何纠正的核线解析关系•核线在航空摄影像片上的扫描行与核线不重合（是互相不平行的），它们交于一个点-核点，但是如果将像片上的核线投影到一对相对水平的像片对上（平行于摄影基线的像片对）则核线相互平行。•此方法的实质是将倾斜像片上的核线投影到“水平像片”对上，求得“水平像片”对上的同名核线。P2P1S1S2a1a2J1J2O1O2A第二十七页，共四十五页，编辑于2023年，星期日核面同名核线A第二十八页，共四十五页，编辑于2023年，星期日核线重排列vu第二十九页，共四十五页，编辑于2023年，星期日X,Y,Z第三十页，共四十五页，编辑于2023年，星期日EpipolarrectificationRectifiedImagePair第三十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期日（2）、基于共面条件的同名核线几何关系第三十二页，共四十五页，编辑于2023年，星期日§6.3DEM的内插方法•DEM内插就是根据参考点上的高程求出其它待定点的高程，在数学上属于插值问题。由于所采集的原始数据排列一般是不规则的，因此，为了获得规则格网的DEM，内插是必不可少的一个步骤。由离散点内插出规则格网（1）有限元法；（2）移动曲面拟合法。第三十三页，共四十五页，编辑于2023年，星期日§6.5三角网数字地面模型（DTM）第三十四页，共四十五页，编辑于2023年，星期日有兴趣的同学参考《数字高程模型》李志林，朱庆，武汉测绘科技大学出版社，2000第三十五页，共四十五页，编辑于2023年，星期日3、二者的优缺点比较（1）GRID是目前使用最广泛的一种形式，因为GRIDDEM存储量小（还可进行压缩存储），同时，由于计算机处理矩阵比较方便，因此，GRID非常便于使用和管理。GRID适用与大范围的地形起伏不大的地区。但GRID的缺点是不能准确表示地形的结构与细部。（2）TIN能较好的顾及地貌特征点、线，表达复杂的地形表面比GRID要准确，其缺点是数据量大，数据结构复杂，因而使用及管理也较复杂。不仅要存储三角形的顶点，还要存储各三角形的邻接关系。第三十六页，共四十五页，编辑于2023年，星期日§6.6DTM的应用•数字地面模型的应用非常广泛，在测绘中可用于绘制等高线、坡度和坡向图、立体透视图、制作正射影像图（DOM）、立体景观图、立体匹配片、立体地形模型及地图的修测。•在各种工程中可用于体积、面积的计算、各种剖面图的绘制及线路的设计。•在遥感中可作为分类辅助的数据。第三十七页，共四十五页，编辑于2023年，星期日一、基于矩形格网的DEM多项式内插DEM最基础的应用（也是各种应用的基础）是求DEM范围内任意一点P（X，Y）的高程，利用这些格网点的高程拟合一定的曲面，然后计算该点的高程。1、双线性多项式内插第三十八页，共四十五页，编辑于2023年，星期日(627.00,570.00)(627.00,580.00)(637.00,570.00)(637.00,580.00)第三十九页，共四十五页，编辑于2023年，星期日2、双三次多项式内插1234567813245678第四十页，共四十五页，编辑于2023年，星期日第四十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期日二、三角网中的内插（参考《数字地面模型》）三、等高线的绘制（基于矩形格网）主要包含两个步骤：①利用DEM矩形格网点的高程内插出格网边上的等高线点。②利用这些等高线点的平面坐标进一步加密等高线。15014016015015215415615815215415615810m第四十二页，共四十五页，编辑于2023年，星期日等高线的绘制（基于矩形格网）第四十三页，共四十五页，编辑于2023年，星期日四、立体透视图绘制立体透视图所