铁路选线作业

适用于铁路选线设计的数字地形模型的生成及应用方法介绍

主要内容：

1、GIS概述

2、数据源

3、几种常用的数字地形模型建立方法介绍

4、v-图

5、三角网数字地形模型的建立方法

6、数字地形模型的应用

7、大型带状数字地形的应用

8、既有铁路数字地形模型的建立方法研究

第一讲GIS原理精选

1.1GIS概述

GIS定义：GIS是一个基于计算机的系统，它提供四类功能处理带有地理位置信息的数据：

1)数据输入；

2)数据管理(存储及使用)；

3)数据分析处理；

4)数据输出。

GIS的学习也围绕着四个方面进行：

数据获取/输入；

数据管理与更新；

地理分析；

结果展不

GIS组成：软件、硬件、数据、人、规则和流程

GIS的基础是计算机科学，灵魂是地理学。

计算机软硬件价格的不断下降及运算处理能力的迅速上升是GIS发展和普及的先决条件；计

算机科学技术中的新理论和新方法；

地理学(包含地图学)为GIS提供了待解决问题、表示和解决问题而设计的概念模式、规则、

知识、模型和分析方法；

使用GIS是因为：

地理信息是决策过程中不可缺少的一个组成部分；各种来源的信息，包括空间信息和非空间信

息(属性信息)能够在GIS中综合使用；

可视化表达的需要；

数据共享的需要；

实现空间分析、信息提取和新知识发现

GIS需要表示两类信息：位置(locational)信息和描述(descriptive)信息；

1.2地图如何表现信息？

对现实世界进行抽象：点、线、区域、表面

在地图上表现描述信息：使用符号(symbols)和注记(labels)=有的是国家标准，有的是约

定俗成。

在地图上表现空间关系：相连(connected),相邻(adjacent),包含于(containedin),相交

(intersect),接近(proximity),上下游/高差(uphillordownhill),相对位置。

1.3地图基本概念

比例尺：只存在于硬拷贝(如屏幕显示或打印出来的地图)中。电子地图只有精度概念。

举例：网上电子地图搜索

湛同京,尼崎市•

猪名川。大山的M

大阪府

市

夕六甲［0

神巨港

:

天

夕、六和j神司5

青

摩二

ML,,而大A

宁）神声空》送

神户空港

QU＞工力」

神声港

大阪港

(C)ALPSI

笛卡尔坐标系统（平面直角坐标系统）：

一个点是以一对坐标（X,y）表示的。

用以表示真实世界的坐标系统：

经纬度：球坐标

y

5,(«-2,y-0

球坐标

笛卡尔坐标系统

地图投影：将作为曲面的地表映射到平面直角坐标系的方法。由于球面的不可展开性，投影时必然

有变形。但可以根据要求选择变形的方式，以保持所需的最好信息量。

一个投影的定义由椭球体及其位置调整参数，投影方式、投影参数组成

实践中，在地图的输入、数据的对准和地图输出时用到地图投影的一系列操作。

地图投影变换:

某种地图投影某种地图投影

投影方式（PROJECTION）投影方式（PROJECTION）

坐标单位（UNITS）坐标单位（UNITS）

椭球体（SPHEROID）椭球体（SPHEROID）

椭球体调整参数集（DATUM）椭球体调整参数集（DATUM）

投影参数（PARAMETERS投影参数（PARAMETERS

常用曜零嗔

椭球体/参

名称投影方式坐标单位需要指定匕

数集

中央经线:参考纬线:I"1.V

北京1954横轴黑卡托Krasovskj

处变花系数：东洞;化洞

(Transverse

ti安19X0

Mercator)

UTM（通用横轴墨MetersKrasovsky分度带；

中央火线:普考纬编标准纬线

Lambert圆锥投影Krasovskj

1：标准纬线2：东偏；北偏

（Conic）

AlbersKrasovsky同1

1.4GIS数据模型（Arc/lnfo的实现方法）

三种地理数据模型：矢量、栅格、TIN

矢量（vector）数据模型：适宜表示离散要素：建筑、管道、道路、城市…

简单要素：点、线、多边形（面）

点：不能表示其长宽和面积；其位置由一对（x,y）坐标表示；

线：不能表示其宽度和面积；其位置和形状由一系列点的（x,y）坐标表示;

多边形：均质（homogenous）要素；其位置和形状由一系列线围成；

要素拓扑关系(topology)

拓扑关系：刻划点、线、面间关系，为解决共用边问题、空间关系(如相连、相邻)问题、层

次数据问题而引入。

Polygon-ArcTopuiugy

多边形(Polygon)

◊由若干条射围成

◊有公共arc的polygon称

为“相邻”

Aic是有方向的，沿前

进方向确定其左、右

多边形

复合要素(compositefeatures)

区域(region):由若干多边形组成；

线路(route)：由若干弧段(弧段部分)组成;

栅格(raster)：把表示的区域规则地划分成按行列排列的单元格(cell)或称像元(pixel)适宜

表示连续的地理要素：航片、卫片、污染物浓度分布、地形

按照每个单元格的值来区分它的要素类型。如果单元格的值为整数，还可以利用对照表索引更

为丰富的值。

TIN(Triangulatedirregularnetwork)：以三角形模拟地表(或其他抽象的三维数据)：是一

种矢量化的表面模型

AttributesofToursites.shp」口”1

史源代号名原

PoirtL20501小街曼蚌温泉巨珍珠上

PointE30201劭养象格树对高2房I

PortF412O1嘎林景洪农场周恩来总理纪念㈱士自I

PoirtE42501勖养曼么用村9腰俸L

PointE50501劭养三岔河森林公园为一以专

PoinJF20301劫返Bi邦水摩而城面更

PointL30201格朗和南橘山茶树王系人工耒

PointF40702勖遮曼短佛寺该寺为广

Poin»F41003劫返曼M佛塔为傣族、।

为纪念夕1

PointK410O1劭混景恩塔

E42503黝海早回像村寨为信仰华二］

花3

属性数据(attributedata)

也称描述性数据(descriptivedata)：一个二维表(和数据库中的表相同)。表中一列描述一个

属性，一行表示一条记录(record)。一条记录对应图形中的一个图形要素。

1.5常见图形图像处理系统及其文件格式

ARCARCShape!

TIFBMPJPEGcdrpsdapr

CoverageGRID

类型矢量栅格，栅格(图像)都不是

单父急

<'3扩展名为扩展名扩展名为扩展名为如屣名为犷展Z为

,名、别"dxf的文件

息放在一个文为bmp的文件.jpg的文件.cdr的文件psd的文件apr的文件

件夹下，文件夹Oj.shp..tif

帔名即为

6.dbf.或.tiff

存储方式

|grid名；

.shx.的文件

属性对照表的三个文件

〃为第的文

放在mfo文

中件夹中

Arc.l|显示、编辑显示、编辑显示、编辑显示显示、调整

AivViewJ^^显示显示、调整匚j-「卜显示显示、调整打开、修改

Photoshop显示、编辑打开、修改

CorelDraw显示、编辑显示、调整打开、修改

AutoCAD显示、编辑显示、调整

Windows绘图显示、编辑

1.6介绍三个概念：图层(layer)、视图(view)、通道(channel)/波段

图层：不同的数据放在一起，强调位置关系；

视图：同一种数据用不同的方式表现，强调需要突出表现的信息；

通道：对栅格数据，利用信息产生特殊的视觉效果（如真、假彩色）。

第二讲空间数据的采集与处理

第一节概述

一、数据采集在GIS中的地位

以数据为处理线索

硬件：软件：数据=1：2：7

二、GIS数据的内容

♦数字线化数据

地形测图思想：点、线、面

♦影像数据

♦数据源丰富

♦生产效率高

♦直观详细记录地表自然现象

♦数字高程模型

♦属性数据

♦是什么，判读和考察

♦详细描述信息

三、数据采集任务

1、将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图片数据、文本资料等转换成GIS可以接

受的数字形式。

2、数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑上的一致性。

3、不同的数据来源要用到不同的设备和方法。

4、数据的转换装载

5、数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成等

四、数据源种类

主要分为：图形图像数据和文字数据两类。

图形图像数据：

第一手数据第二手数据

•地图

平板测量数据

•工程图

工程测量数据

•规划图

笔记地图

•照片

非电子数据航空、遥感相片专题地图

•航空与遥感影像等

人口普查统计图表

文字数据：

社会经济调查

•调查报告

各种统计资料

•文件

全站仪、GPS数据

•统计数据已建各种数据库

地球物理、地球化学

•实验数据电子数据GIS数据

遥感数据

•野外调查的原始记录等

•目前各种类型的地图是重要的信息源。这不仅是因为地图的内容直观与丰富，而且是由于在

地理信息系统诞生以前，地图是表示空间与非空间信息强有力的手段，从某种意义上说，一

册完备的专题地图集是一个很好的人工操作地理信息系统。

•遥感影像是地理信息系统中一个极其重要的数据源，它至少具有下列一些特点：

①能取得大面积、综合的信息；②速度快；③降低数据储存冗余和不连续性；④能提供

各类专题所需要的信息。

•文字数据主要用来描述空间对象的属性，比如人口数据、经济数据、土壤成份、环境数据

•确定应用哪些类型的数据是由系统的功能所确定的,例如要建立一个土地的适宜性和承载力

的信息系统，所需要的数据有地形、土壤类型、降雨、地下水位、运输条件等。

五、数据源与相应设备

第二节空间数据采集

一、属性数据的采集

属性数据即空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式，属性数据的

内容有时直接记录在栅格或矢量数据文件中，有时则单独输入数据库存储为属性文件，通过关键码

与图形数据相联系。

属性数据包括各类调查报告、文件、统计数据、实验数据与野外调查的原始记录等，如人口数

据、经济数据、土壤成份、环境数据。

对于要输入属性库的属性数据，通过键盘直接键入或文件、表格、数据库导入。

对于要直接记录到栅格或矢量数据文件中的属性数据，则必须进行编码输入。

国家资源与环境信息系统规范在“专业数据分类和数据项目建议总表”中，将数据分为社会环

境、自然环境和资源与能源三大类共14小项，并规定了每项数据的内容及基本数据来源。

项目内容.基本数据来源

1.辐射餐,目照重和云装（按第ID级格网）国家气象局

2.热好资源（年最高温、录低温.年均温，月均温•积豳国家气象局

等）

3.降水（年最高.年最低，年、月平均，积雪量等）国家气象局

（11）气镶却水热4.风能国家气象局

资源5.陆地水文（最高，最低流量，年、月平均流量，含沙量，水电部

洪峰，石染等）

6.冰川，自被.冻土中科院、交通部、水电部,中科院

7.湖泊，水库,港湾

8.地下水水电部等

二、属性数据的编码

1、编码原则

♦系统性和科学性：满足所涉及学科的科学分类方法，能反映出同一类型中不同的级别特点。

♦一致性：对代码所定义的同一专业名词、术语必须是唯一的。

♦标准化和通用性：有国家或行业标准的要按标准进行，没有标准的必须考虑在有可能的条件

下实现标准化。

♦简捷性：在满足国家标准的前提下、每一种编码应该是以最小的数据量载负最大的信息量。

♦可扩展性：编码的设置应留有扩展的余地，避免新对象的出现而使原编码系统失效、造成编

码错乱现象。

2、编码内容

♦登记部分：用来标识属性数据的序号，可以是简单的连续编号，也可划分不同层次进行顺序

编码；

♦分类部分：用来标识属性的地理特征，可采用多位代码反映多种特征；

♦控制部分：用来通过一定的查错算法，检查在编码、录入和传输中的错误，在属性数据量较

大情况下具有重要意义。

3、编码方法

层次分类编码法：是按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种代码，它的优点是能明

图5-1土地利用类型编码（层次分类编码法）

多源分类编码法：对于一个特定的分类目标，根据诸多不同的分类依据分别进行编码，各位数字代

码之间并没有隶属关系。

表5-1河流编码的标准分类方案和数码系统表

标志编号

分类

IIIIIIIVVVIvnVDIIX

1平原河

2过渡河

3山地河

1常年河

2时令河

3消失河

1通航河

2不通航河

1树状河

2平行河

3筛状河

4辐射河

5扇形河

6迷宫河

1主（要河）流：一级

2支流：二级

3三级

4四级

5五级

6六级

7七级

1河长：一组——1公里以下

2二组——2公里以下

3三组——5公里以下

4四组——10公里以下

5五组一一10公里以上

1河宽：一组----5〜10米

2二组——10-20米

3三组——20-30米

4四组——30-60米

5五组——60〜120米

6六组——120~300米

7七组——300~500米

8八组——500米以上

1河流间的最短距离50米

250~100米

3100—200米

4200~400米

5400~500米

6500〜1000米

71000~2000米

弯曲度：2.5公里弯曲深度宽度

1>40>50>50

2>40>50>75

3>25>50>75

4>25>50>100

5<25>75>150

三、图形数据的采集

采集基本模式有两种:

①将地理信息实体以x,y坐标的形式，以顺时针或逆时针方法依次输入。

②用点、线、多边形和格网邻接的方法表示地理实体。

特征数码位置

点11x,y（点）

线21Xi，y1,x2,y2,---,xn,yn（线）

面31x1,y1,x2,y2,--,xn,y„（面）

空间数据采集方法：

♦手扶跟踪数字化仪采集

♦摄影测量数字化采集

♦扫描跟踪数字化采集

♦外业实地数字化采集

选择采集方法的依据是如何应用图形数据，图形数据类型，现有设备状况，现有人力，物力,

财力状况等。

数据采集示意图：

通向计算机接口

四、数据交换

空间数据采集

数据交怏文侔

GISA->GISA-----►GISB-»GISB

内部女件外部文件内部女件外部文徉

五、空间数据采集的方案及流程

1、方案

.

■

►.

■)

.■

.

族聚采样断面采样等高线采样

2、流程

第三节空间数据的编辑与处理

1、概述

□空间数据编辑的必要性

-修正数据输入错误

-维护数据的完整性和一致性

-更新地理信息

□空间数据一般性错误

-数据不完整、重复

-空间数据位置不正确

-空间数据比例尺不准确

-空间数据变形

-几何和属性连接有误

-属性数据不完整

□错误检查主要方法

-叠合比较法

-目视检查法

-逻辑检查法

数字化几种误差示例

2、编辑与处理方式

误差修正一般过程：

♦设定容许值

♦连接接点

♦重建拓扑关系

边界匹配（图幅接边）

♦不同图幅的连接

♦自动、手工

第一种方法是小心地修改空间数据库中点和矢量的坐标，以维护数据库的连续性;

第二种方法是先对准两幅图的一条边缘线，然后再小心地调整其它线段使其取得连续。

数据格式的转换：

□数据结构转换

相同数据结构的不同组织形式转换

■矢量拓扑结构变换

■栅格数据转换

不同数据结构转换

■矢量到栅格

■栅格到矢量

□不同介质转换

3、投影变换

投影B

（x匕）

4、坐标变换

x=x0cosex—y0sina

y=/sina+y0cosa

x=x+Z)

口0x

Translation

y=y0+2

x=Sxx0

s

y=yy0

5、图象纠正

□纠正原因

地图变形（均匀变形、非均匀变形）

数字化中的位置移动

遥感影像本身存在几何变形

投影方式不同

分幅扫描

□实质

建立纠正图象与标准地图的一一对应关系

□变换方法

精确方法：仿射变换、双线性变换、平方变换、立方变换等

近似方法：橡皮板变换

□纠正步骤

纠正点一数据采集一函数建立一逐点或网格纠正

注：遥感影象的纠正

遥感影象的纠正，一般选用和遥感影象比例尺相近的地形图或正射影象图作为变换标准，选

用合适的变换函数，分别在要纠正的遥感影象和标准地形图或正射影象图上采集同名地物点。

遥感影象纠正选点示例

具体采点时，要先采源点（影像），后采目标点（地形图）。选点时，要注意选点的均匀分布，

点不能太多（如图所示）。如果在选点时没有注意点位的分布或点太多，这样不但不能保证精度，反

而会使影象产生变形。另外选点时，点位应选由人工建筑构成的并且不会移动的地物点，如渠或道

路交叉点、桥梁等，尽量不要选河床易变动的河流交叉点，以免点的移位影响配准精度。

图像纠正

6、图像解译

从图像中提取有用信息的过程。

图像解译需要一定的能力：

♦研究地理区域的一般知识

♦具有一定的图像处理能力

♦掌握影像分析的经验和技能

♦对影像特征的深入理解

遥感图象的解译有目视判读和计算机自动解译两种方法，其中，自动解译又可分为监督分类和

非监督分类两种。

7、图幅拼接

在相邻图幅的边缘部分，由于原图本身的数字化误差，使得同一实体的线段或弧段的坐标数据

不能相互衔接，或是由于坐标系统、编码方式等不统一，需进行图幅数据边缘匹配处理。

图幅的拼接总是在相邻两图幅之间进行的。要将相邻两图幅之间的数据集中起来，就要求相同

实体的线段或弧的坐标数据相互衔接，也要求同一实体的属性码相同，因此必须进行图幅数据边缘

匹配处理。具体步骤如下：

1、逻辑一致性的处理

由于人工操作的失误，两个相邻图幅的空间数据库在接合处可能出现逻辑裂隙，如一个多边形

在一幅图层中具有属性A,而在另一幅图层中属性为B。此时，必须使用交互编辑的方法，使两相邻

图斑的属性相同，取得逻辑一致性。

2、识别和检索相邻图幅

将待拼接的图幅数据按图幅进行编号，编号有2位，其中十位数指示图幅的横向顺序，个位

数指示纵向顺序（如图所示），并记录图幅的长宽标准尺寸。因此，当进行横向图幅拼接时，总是将

十位数编号相同的图幅数据收集在一起；进行纵向图幅拼接时，是将个位数编号相同的图幅数据收

集在一起。其次，图幅数据的边缘匹配处理主要是针对跨越相邻图幅的线段或弧而的，为了减少数

据容量，提高处理速度，一般只提取图幅边界2cm范围内的数据作为匹配和处理的目标。同时要求,

图幅内空间实体的坐标数据已经进行过投影转换。

313233

2122723

ZzzzzX

111213

图幅编号及图幅边缘数据提取范围

3、相邻图幅边界点坐标数据的匹配

相邻图幅边界点坐标数据的匹配采用追踪拼接法。追踪拼接有四种情况（如下图所示），只要符

合下列条件，两条线段或弧段即可匹配衔接：相邻图幅边界两条线段或弧段的左右码各自相同或相

反；相邻图幅同名边界点坐标在某一允许值范围内（如±0.5mm）o

匹配衔接时是以一条弧或线段作为处理的单元，因此，当边界点位于两个结点之间时，须分别

取出相关的两个结点，然后按照结点之间线段方向一致性的原则进行数据的记录和存储。

4、相同属性多边形公共边界的删除

当图幅内图形数据完成拼接后，相邻图斑会有相同属性。此时，应将相同属性的两个或多个相

邻图斑组合成一个图斑，即消除公共边界，并对共同属性进行合并。

多边形公共界线的删除，可以通过构成每一面域的线段坐标链，删去其中共同的线段，然后重

新建立合并多边形的线段链表（图5-8）o

对于多边形的属性表，除多边形的面积和周长需重新计算外，其余属性保留其中之一图斑的属

性即可。

第三节数字地面模型及其应用

一、DTM与DEM的概念

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。

自从提出DTM的概念以后，相继又出现了许多其他相近的术语。如在德国使用的DHM

(DigitalHeightModel)、英国使用的DGM(DigitalGroundModel),美国地质测量局USGS使用的

DTEM(DigitalTerrainElevationModel)>DEM(DigitalElevationModel)等。这些术语在使用上可能有

些限制，但实质上差别很小。比如height和elevation本身就是同义词。当然，DTM趋向于表达比

DEM和DHM更广意义上的内容，如河流、山脊线、断裂线等也可以包括在内。

数字地面模型更通用的定义是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:

♦DTM与DEM的概念

描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列

数学的角度Kp=fk(up,vp)(k=l,2,3,­••,m;p=l,2,3,•••,n)

DEM是DTM的一个子集。

式中，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类地面特性信息的取值；沏，〜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；机(加大于等于1)为地面特性信息类型的数目；〃为地

面点的个数。当上述函数的定义域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，w一般为有限正整数。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：

Ip=fi(Kp.Vp)(P=l，2,3,…，n)

当加=1且力为对地面高程的映射，(up,V。)为矩阵行列号时，上式表达的数字地面模型即所谓的数

字高程模型(DigitalElevationModel,简称DEM)。

二、DTM的数据采集

数据源决定采集方法：

(1)航空或航天遥感图像为数据源

全数字摄影测量

DEM

利用航片建立DEM

以地形图为数据源建立DEM

(3)以地面实测记录为数据源

(4)其它数据源

三、DTM的表示方法

主要有规则格网(GRID)表示法和不规则三角网(TIN)表示法,此外还有离散点表示法和数学

分块曲面表示法。

规则格网(GRID)表示法结构简单、计算方便，但：

a.地形简单的地区存在大量冗余数据；

b.如不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同的地区；

c.对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大；

d.由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征。

规则格网表示方法是把DTM表示成高程矩阵

DTM；^{Hy},/—12,...m-1,j~~1»2,...

按正方形交点布网按圆锥网交点布网

几种规则格网的DEM

不规则三角网表示方法：

不规则三角网(TIN)表示法克服了高程矩阵中冗余数据的问题，而且能更加有效地用于各类以

DTM为基础的计算。但其结构复杂。

TIN存储方式:

No

NoXYZPNoPlP2P3

12

23

190.010.043.51