数字化测图系统概述

第一章数字测图概述

随着电子技术和计算机技术日新月异的发展及其在测绘领域的广泛应用，20世纪80

年代产生了电子速测仪、电子数据终端，并逐步地构成了野外数据采集系统，将其与内业机助制图系统结合，形成了一套从野外数据采集到内业制图全过程的、实现数字化和自动化的测量制图系统，人们通常称作为数字化测图（简称数字测图）或机助成图。广义的数字测图主要包括：全野外数字测图（或称地面数字测图、内外一体化测图）、地图数字化成图、摄影测量和遥感数字测图。狭义的数字测图指全野外数字测图。本书主要介绍全野外数字测图技术。

1.1 数字地形表达

一．地形表达的方法

人们生活在地球上并与地球表面处处发生联系：建筑师在地表设计、构筑楼房；地质学家研究地表结构；地质生态学家想了解地表形态和地物形成的过程；测绘工作者则对地形起伏进行各种测量，并用各种方式如地图和正射影像图等描述地形。尽管专业领域不同，研究的侧重点各异，但所有的工作都希望能用一种既方便又准确的方法来表达实际地表现象。

人类在很早以前就开始想方设法来描述自己所熟悉的地表现象，绘图是最古老的一种，但仅是很粗略地反映所见到的地形景观，但这些信息反映的主要是对象的形态特征和色彩特征，定量的描述则非常有限。

另外一种古老而有效并一直沿用至今的精确表达地表现象的方式是地图。地图对人类社会发展的作用如同语言和文字对社会发展的作用一样，具有不言而喻的重要性。地图是记录和传达关于自然世界、社会和人文的位置与空间特性信息最卓越的工具。早期地图用半符号、半写景的方法来表示地形，实现了在各种二维介质平面上对实际的三维地形表面的表示和描述。现代地图按照一定的数学法则，运用符号系统概括地将地面上各种自然和社会现象表示在平面上。地图具有三个基本的特性：数学法则性、制图综合性和内容符号性。现代地图的最大优点在于具有可量测性。

在各种地图中，用来准确描述地貌形态的是等高线地图。用等高线来表达地形表面起伏可追溯到18 世纪，它的方便性和直观性使得人们认为在制图学的历史上等高线是一项最重要的发明。在等高线地形图上，所有的地形信息都正交地投影在水平面上，用线划或符号表示成比例缩小后的地物，而地物高度和地形起伏的信息则有选择地用等高线进行表达。

与各种线划图形相比，影像无疑具有更大的优点，如细节丰富、成像快速、直观逼

真等，因此摄影术一出现就被广泛用于记录我们生活的这个世界。1849 年出现了利用地面摄影相片进行地形图的编绘，而航空摄影由于周期短、覆盖面广、现势性强而广泛采用。利用多张具有一定重迭度的像片还能重建实际地形的立体模型，并可以进行精确进行三维定位。

20 世纪60 年代初，遥感技术随着空间科学的发展面兴起。70 年代美国地球资源卫星上天后，遥感技术获得了极为广泛的应用。在遥感技术中除了使用对可见光摄影的框幅式黑白摄影机，还使用彩色或彩红外摄影机、全景摄影机、红外扫描仪、雷达、CCD 推扫式行扫描仪和矩阵数字摄影机等，它们能提供比原先黑白像片更丰富的影像信息。

从本质上讲，地图是对客观存在的特征和变化规则的一种科学的概括和抽象。对于地图中最典型也是最重要的地形图而言，由于其描述的客观世界是丰富多彩、千姿百态的三维空间实体，其二维空间的表达与所表示的三维现实世界之间有着不可逾越的鸿沟。因此，地图学者们一直致力于地形图的立体表示，试图寻求一种既能符合人们的视觉生理习惯，又能恢复真实世界的表示方法。在此过程中先后出现了写景法、地貌晕翁法、地貌晕渲法、分层设色法等，但由于这些方法缺乏严密的数学理论以及绘制复杂等而使其受到了很大局限。

20 世纪中叶后，伴随着计算机科学、现代数学和计算机图形学等的发展，各种数字的地形表达方式也得到迅猛的发展。电子计算机为自然科学的发展提供了进行严密计算和快速演绎的工具。使用计算机和计算机技术是当今信息时代的一个重要标志，其在测绘方面的应用使得测绘学科逐步向数字化与自动化、实时处理与多用途的方向发展。计算机技术在很大程度上改变了地图制图的生产方式，同时也改变着地图产品的样式和用图概念。借助于数字地形表达，现实世界的三维特征得到充分而真实的再现。

总之：数字地形表达的方式可以分为两大类，即数学描述和图像描述。使用傅立叶级数和多项式来描述地形是常用的数学描述方法。规则格网、不规则格网、等高线、剖面图等则是图像描述的常用方式。

二．数字地面模型

模型是用来表现其它事物的一个对象或概念，是按比例缩减并转变到我们能够理解的形式的事物本体。建立模型可以有许多特定的目的，如预测、控制等。在这种情况下，模型只需要具备足够重要的细节来满足即可。同时，模型也可以用来表现系统或现象的最初状态，或者用来表现某些假定或预测的情况等。一般说来，模型可以分为三种不同的层次，即概念模型、物质模型的数学模型。概念模型是基于个人的经验与知识在大脑中形成的关于状况或对象的模型，概念模型往往也形成了模拟的初级阶段。然而，如果事物非常复杂难于描述，则模拟也许只能停留在概念的形式上。物质模型通常是一个模拟的模型，如用橡胶、塑料或泥土制成的地形模型等。数学模型一般是基于数字系统的定量模型，根据问题的确定性和随机性数学模型又有函数模型和随机模型之分。采用数学模型具有以下明显的优点：

1 ．理解现实世界和发现自然规律的工具；

2 ．提供了考虑所有可能性、评价选择性和排除不可能的机会；

3 ．帮助在其它领域推广或应用解决问题的结果；

4 ．帮助明了思路，集中精力关注问题重要的方面；

5 ．使问题的主要成分能被更好地观察，同时确保交流、减少模糊，并提供关于问题一致看法的机会。

评价数学模型的标准：精确性：模型的输出是正确的或是非常接近正确；描述的现实性：基本正确的假设；准确性：模型的预测是确定的数字、函数或几何图表等；可靠性：对输入数据中的错误具有相对免疫力；一般性：适用大多数情况；成效性：结论有用，并可以启发或指导其它好的模型。麻省理工学院教授米勒将计算机和摄影测量技术结合在一起，比较成功地解决了道路工程的计算机辅助设计问题。

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，而是通过储存在磁介质中的大量密集的地面点的空间坐标和地形属性编码，以数字的形式描述。其它非测绘应用的课题，通常根据各自的具体需要，将某些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。20 世纪60 年代出现了地理信息系统，由于具有众多用户共享的特点，它的数字地面模型中所包含的地面特性信息类型就更加丰富。一般可分为下列四组：

1 ．地貌信息：高程、坡度、坡向、坡面形态及描述地表起伏情况的更为复杂的地貌因子；

2 ．基本地物信息：水系、交通网、居民点和工矿企业及境界线；

3 ．主要的自然资源和环境信息：土壤、植被、地质、气候；

4 ．主要的社会经济信息：人口分布、工农业产值、国民收入。

1.2 数字高程模型

一．数字高程模型的含义

从最一般的形式上看，数字地面模型包括平面和地形起伏两种数据，并且从其本身导出的数据如坡度、坡向、可视性也包含其中。

Miller 于1958 年提出：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 是地形表面简单的数字表示。

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，可能用二维函数系统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。

地理空间实质是三维的，但人们往往在二维地理空间上描述并分析地面特性的空间分布，如专题图大多是平面地图。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，在迭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。

数字高程模型是数字地面模型中最基本的部分，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达，是表示区域D 上的三维向量有限序列。

二．数字高程模型的特点

与传统的地形图相比，数字高程模型作为地表的一种数字表达形式有如下特点：

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1 ．容易以多种形式显示地形信息。地形数据经过计算机软件处理后，产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。而常规地形图一经制作完成后，比例尺不易改变，改变或绘制其它形式地形图则需要人工处理。

2 ．精度不会损失。常规地图随着时间的推移，图纸将会变形，失掉原有的精度。而DEM 采用数字媒介，因而能保持精度不变。另外，由常规的地图用人工的方法制作其它种类的地图，精度不会受到损失。

3 ．容易实现自动化、实时化。常规地图要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。而DEM 由于是数字形式的，所以增加和改变地形信息只需要将修改信息直接输入计算机，经软件处理后立即可产生实时化的各种地形图。概括起来，数字高程模型具有以下显着特点：便于存储、更新、传播和计算机自动处理；具有多比例尺特性；特别适合于各种定量分析与三维建模。

三．数字高程模型的分类

1 ．根据大小和覆盖范围分类：

①局部的DEMs ( Local )：建立局部的模型往往源于这样的前提，即待模拟的区域非常复杂，只能对一个局部的范围进行处理。

②全局的DEMs(Global) ：全局性的模型一般包括大量的数据并覆盖一个很大的区域，并且该区域通常具有简单、规则的地形特征。或者为了一些特殊的目的如侦察，只需要使用地形表面最一般的信息。

③地区的DEMs ( Regional )：界于局部和全局两种模型之间的情况。2．根据模型

的连续性分类

①不连续的DEMs (Discontinuous )：一个不连续的模型表面源于这样的考虑，每一个观测点的高程都代表了其邻域范围内的值。基于这样的观点，任何待内插的点的高程都可以利用最邻近的参考点近似。这时，一系列局部的表面被用来表示整个地形。

②连续的DEMs ( Continuous )：与不连续的DEMs 相反，连续的模型表面基于这样的思想，即每个数据点代表的只是连续表面上的一个采样值，而表面的一阶导数可以是连续的也可以是不连续的。但这里的定义还是限定于一阶导数不连续的情况，因为任何一阶导数或更高阶导数连续的表面将被定义为光滑表面。

③光滑的DEMs(Smooth) ：光滑DEMs 指的是一阶导数或更高阶导数连续的表

面，通常是在区域或全局的尺度上实现。创建这种模型一般基于以下假设：模型表面不必经过所有原始观测点，待构建的表面应该比原始观测数据所反映的变化要平滑得多。

四．数字高程模型的应用范畴

1．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高程模型的数学基础。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数字高程模型数据的理论依据。地形的三维逼真显示技术，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的发展。

②测绘学数字高程模型的原始数据采集主要依靠测绘学的支持。对不同的数据源，可分别借助摄影测量与遥感 (RS)、GPS 、机助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，进行数字高程模型原始数据的采集工作。特别是摄影测量领域，DEM 已经成为主要的新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。

③地理信息系统

地理信息系统（Geographic Information System ）出现于20 世纪60 年代，它

是在计算机软硬件支持下，对空间信息进行管理、分析、表示和应用的技术系统或系统实体。DEM 作为地球空间框架数据的基本内容和其它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．应用数字高程模型既然是地理空间定位的数字集合，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，一般都要建立数字高程模型。在这个角度看，建立数字地面模型是对地面特性进行空间描述的一种数字方法途径，数字高程模型的应用可遍及整个地学领域。在测绘中可用于绘制等高线、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和面积的计算、种剖面图的绘制及线路的设计。军事上可用于导航、通讯、作战任务的计划等。在遥感中可用作为分类的辅助数据。在环境与规则中可用于土地现状的分析、各种规划及洪水险情预报等。

随着各种相关技术的发展，数字高程模型经历了一个循序渐进的发展过程。20 世纪50 年代中期到60 年代初，多局限于土木水利工程和地图测绘中。DEM 的建立都只是为了某种特定的应用，如高速公路设计中的体积计算，遥感影像的几何纠正和正射影像生产等，这些DEM 只能满足特定的行业和专业部门的应用需求，未成为一种像地图那样的标准产品。从60 年代中期开始，随着数据库和环境遥感技术的迅速发展，一些发达国家在机助制图的基础上，逐步建立起国家范围和区域范围的地理信息系统，DEM 作为标准的基础地理信息系统产品开始大规模的生产。如加拿大环境部的“加拿大地理信息系统（CGIS ）”美国地质调查局的“地理信息检索和分析系统（GISAS ）”。数字高程模型开始作为数据库的实体，为地理信息系统进行空间分析和辅助决策提供充实而便于操作的数据基础，同时与地理信息系统的结合也愈来愈紧密。近年来，随着空间数据基础设施的建设和“数字地球（Digital Earth ）”战略的实施，更加快了DEM 与地理信息系统、遥感等的一体化进程，为DEM 的应用开辟了更广阔的天地。

1.3 数字测图概念

一、数字测图的基本思想

传统的地形测图（白纸测图）实质上是将测得的观测值（数值）用图解的方法转化为图形。这一转化过程几乎都是在野外实现的，即使是原图的室内整饰一般也要在测区驻地完成，因此劳动强度较大；再则，这个转化过程将使测得的数据所达到的精度大幅度降低。特别是在信息剧增，建设日新月异的今天，一纸之图已难载诸多图形信息；变更、修改也极不方便，

实在难以适应当前经济建设的需要。

数字测图就是要实现丰富的地形信息和地理信息数字化和作业过程的自动化或半自动化。它希望尽可能缩短野外测图时间，减轻野外劳动强度，而将大部分作业内容安排列室内

去完成。与此同时，将大量手工作业转化为电子计算机控制下的机械操作，这样不仅能减轻

劳动强度，而且不会降低观测精度。

数字测图的基本思想是将地面上的地形和地理要素（或称模拟量）转换为数字量，然后

由电子计算机对其进行处理，得到内容丰富的电子地图，需要时由图形输出设备（如显示器、

绘图仪）输出地形图或各种专题图图形。将模拟量转换为数字这一过程通常称为数据采集。目前数据采集方法主要有野外地面数据采集法、航片数据采集法、原图数字化法。数字测图

的基本思想与过程如图所示。数字测图就是通过采集有关的绘图信息并及时记录在数据终端

（或直接传输给便携机），然后在室内通过数据接口将采集的数据传输给电子计算机，并由计算机对数据进行处理，再经过人机交互的屏幕编辑，形成绘图数据文件。最后由计算机控制绘图仪自动绘制所需的地形图，最终由磁盘、磁带等贮存介质保存电子地图。数字测图虽

然生产成品仍然以提供图解地形图为主，但是它以数字形式保存着地形模型及地理信息。

、地图图形的描述

一切地图图形都可以分解为点、线、面三种图形要素，其中点是最基本的图形要素。这是因为一组有序的点可连成线，而钱可以围成面。但要准确地表示地图图形上点、线、面的具体内容，还要借助一些特殊符号、注记来表示。独立地物可以由定位点及其符号表示，线状地物、面状地物由各种线划、