交通地理信息系统08DTM与地形分析分析
地理信息系统复习要点
地理信息系统复习要点详解所著考过为11级环科期中考试考过（张福平教的）第一章：导论1、解释数据与信息的概念，并说明两者之间的关系。
数据是通过数字化并记录下来可以被识别的符号，用以定性或定量地描述事物的特征和状况。
信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、现象等内容、数量或特征，以便向人们提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。
数据与信息的关系：数据是信息的表达形式，是信息的载体；信息则是数据中蕴含的事物的涵义，是数据的内容。
数据只有通过解释才有意义，才成为信息。
总之，数据是信息的载体，信息是数据的涵义。
2、地理信息的特点空间特征属性特征时序特征3、地理信息系统的定义（考过）地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、存储、管理、分析、模拟和显示以提供对规划、管理、决策和研究所需的信息空间系统。
4、地理信息系统由哪几个主要部分组成？（考过）系统硬件：（一）数据处理设备：a图形工作站b个人计算机c客户机/服务器系统（Client/Server ，简称C/S）;（二）数据输入设备:a图形手扶跟踪数字化仪b大幅面图形扫描仪c数字测量设备；（三）数据输出设备：a绘图仪b计算机显示器系统软件：（一）GIS功能软件1.GIS功能软件的分类GIS 基础软件平台和GIS应用软件2.GIS基础软件平台功能①空间数据输入和编辑②空间数据管理③空间数据处理和分析④空间数据输出⑤图形用户界面⑥系统二次开发功能（二）基础支撑软件：主要包括系统库软件和数据库软件。
（三）操作系统软件5、地理信息系统的功能有哪些？（基本功能与应用功能具体有哪些）（考过）基本功能与应用功能基本功能：数据的采集与编辑、数据的存储与管理、数据的处理与变换、空间分析和统计、产品的制作与演示、二次开方和编程应用功能：资源管理、区域规划、国土监测、辅助决策第二章：地理信息系统的数据结构1、地理空间的实体包括哪些？地理空间的实体包括点（point ）、线（line ）、面（polygon ）、曲面（surface ）、体（volume）等类型。
GIS原理——数字地形模型(DTM)与地形分析
是反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标，一般定义为地表单元 的曲面面积与其水平面上的投影面积之比。
Grid DEM上制作坡度、坡向图
（二）等高线的绘制
在格网DEM上自动绘制等高线主要包括两个步骤： 1、等高线追踪，利用DEM矩形格网点的高程内插出格网边上的等 高线点，并将这些等高线点排序； 2、等高线光滑，进一步加密等高线点并绘制光滑曲线。
此外，从DEM还能派生以下主要产品：平面等高线图、立体等高线图、 等坡度图、晕渲图、通视图、纵横断面图、三维立体透视图、三维立体彩色 图等。
二、DEM建立
1、数据获取与处理 1）数据采集
选点采集 沿断面采集
2) 数据处理
2、DEM 生成
1）人工网格法
在地形图上蒙上格网，逐 格读取中心点或交点的高程 值。
2）三角网法
对有限个离散点，每三个邻近点 联结成三角形，每个三角形代表一个 局部平面，再根据每个平面方程，可 计算各格网点高程，生成DEM。
2、D3E）M曲生面成拟合法
根据有限个离散点的高程，采用多项式或样条函数求 得拟合公式，再逐个计算各点的高程，得到拟合的DEM。 可反映总的地势，但局部误差较大。
DTM：当z为其他二维表面上连续变化的地理特征，如地 面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等 其他地面诸特征，此时的DEM成为DTM（Digital Terrain Models）。
一、DEM 概述
2、表示法
1） 等高线法
等高线通常被存储成一个有序的坐标点 序列，可以认为是一条带有高程值属性的简 单多边形或多边形弧段。由于等高线模型只 是表达了区域的部分高程值，往往需要一种 插值方法来计算落在等高线以外的其他点的 高程。
DTMDEMDSM、DOM和DLG介绍
一、DTM（Digital Terrain Model）数字地面模型是利用一个任意坐标系中大量选择的已知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就是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。
数字地形模型（DTM, Digital Terrain Model）最初是为了高速公路的自动设计提出来的（Miller，1956）。
此后，它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制。
在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测。
在遥感应用中可作为分类的辅助数据。
它还是的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规划及洪水险情预报等。
在军事上可用于导航及导弹制导、作战电子沙盘等。
对 DTM的研究包括DTM的精度问题、地形分类、数据采集、DTM的粗差探测、质量控制、数据压缩、DTM应用以及不规则三角网DTM的建立与应用等。
二、DEM(Digital Elevation Matrix)数字高程矩阵。
GIS、地图学中的常用术语。
数字高程模型（Digital Elevation Model，缩写DEM）是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插而形成的。
DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作DOM的基础数据。
DEM是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支。
一般认为,DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。
DTM的原理与应用
局部优化算法的含义是：
由离散点建立ＴＩＮ的方法
最近距离算法 先在离散点中找到两个距离最近的点，以 两点连线作为基础，寻找与此段连线最近 的离散点构成三角形，然后再对这个三角 形的三条边按同样方法进行扩展，构成新 的三角形，如此反复，直到没有可扩展的 离散点为止。
由离散点建立ＴＩＮ的方法
最小边长算法 原则：应当使构成的三角形的三条边边长 之和最小。
DTM的原理与应用
建立DTM的其他数据源 ➢ 各种专题地图作为数据源 ➢ 以统计报表和行政区域地图为数据源 ➢ 用航天遥感立体像对获取DEM ➢ INSAR(干涉合成孔径雷达）获取DEM. ➢ 激光扫描测高仪等
DTM的原理与应用
➢ DTM数据采集的原则： 数据采集的主要问题是采集的密度和采点 选择。 采集的密度越高， DTM的精度越高。所谓 DTM的精度就是DTM数据表达地形特征的 精确程度。但是，随着采点密度的增高， 采集的工作量和数据处理的量也会随着增 加，而且数据的冗余量也增加。
DTM的原理与应用
➢ 概念
数字地面模型(Digital Terrain Model,缩写 为DTM) 是对地形起伏形态的数字表达，代 表着地形特征的空间分布，它由对地形表 面取样所得到的，并按一定结构组织在一 起的一组点的平面位置和高程数据以及一 套对地面进行连续表示的算法所组成。由 于地形起伏形态通常是用高程来表示的， 所以DTM也常称为数字高程模型（DEM)。
DTM数据采集的原则
另外山脊、谷底线、谷缘线、断崖线和山 坡转折线等分布在地性线上的高程点，是 数据采集的主要目标。具体要求： ✓ 根据DTM的精度决定采集的密度； ✓ 单调地形应均匀采点，密度不必过大，变 化明显的地形应密集采点，尽量采集地形 转折处的数据； ✓ 不要出现大片空白，如对于大片平坦地区 应保证最低的采点密度。
第八章 DEM分析
4、DEM应用
1）作为国家地理信息的基础数据； 2）土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计； 3）为军事目的而进行的三维显示； 4）景观设计与城市规划； 5）流水线分析、可视性分析； 6）交通路线的规划与大坝选址； 7）不同地表的统计分析与比较； 8）生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等； 9）作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，以 进行显示与分析； 10）与GIS联合进行空间分析； 11）虚拟现实(Virtual Reality)；
在计算出各地表单元的坡度后，可对不同的坡度设定不同的灰度 级，可得到坡度图。
2、坡向
坡向是地表单元的法向量在水平面上的投影与X轴之间的夹角，
在计算出每个地表单元的坡向后，可制作坡向图，通常把坡向分为东、 南、西、北、东北、西北、东南、西南8类，再加上平地，共9类，用 不同的色彩显示，即可得到坡向图。
2）三角网法
对有限个离散点，每三个邻近点 联结成三角形，每个三角形代表一个 局部平面，再根据每个平面方程，可 计算各格网点高程，生成DEM。
2、DEM 生成 3）曲面拟合法
根据有限个离散点的高程，采用多项式或样条函数求 得拟合公式，再逐个计算各点的高程，得到拟合的DEM。 可反映总的地势，但局部误差较大。
（三）基于DEM的可视化分析
1、剖面分析
1）意义：
常常可以以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓形状、 地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。
如果在地形剖面上叠加其它地理变量，例如坡度、土 壤、植被、土地利用现状等，可以提供土地利用规划、工 程选线和选址等的决策依据。
DTM、DEM与DSM的区别(word文档良心出品)
由此可见DSM的应用前景，也证明surface model应该译为表面模型。
顺带介绍下DOM，其他4D产品以后再单独介绍。
3、其他：DOM
4）DOM（Digital Orthophoto Map）
数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，缩写DOM）是利用DEM对经过扫描处理的数字化航空像片或遥感影像（单色或彩色），经逐像元进行辐射改正、微分纠正和镶嵌，并按规定图幅范围裁剪生成的形象数据，带有公里格网、图廓（内、外）整饰和注记的平面图。
建立DEM的方法有多种。从数据源及采集方式讲有：(1)直接从地面测量,例如用GPS、全站仪、野外测量等；根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取，如立体坐标仪观测及空三加密法、解析测图、数字摄影测量等等；(3)从现有地形图上采集，如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集然后通过内插生成DEM等方法。DEM内插方法很多，主要有分块内插、部分内插和单点移面内插三种。目前常用的算法是通过等高线和高程点建立不规则的三角网(Triangular Irregular Network, TIN)。然后在TIN基础上通过线性和双线性内插建DEM。
DOM同时具有地图几何精度和影像特征，精度高、信息丰富、直观真实、制作周期短。它可作为背景控制信息，评价其它数据的精度、现实性和完整性，也可从中提取自然资源和社会经济发展信息，为防灾治害和公共设施建设规划等应用提供可靠依据。
数字地形模型与地形分析
2、 数据的获取
获取正确的数据是建立DTM的第一步，也是最关键的一步பைடு நூலகம்直接影 响(DTM 精度；费用开支 )，需从现有设备、人力、物力和资源条件 出发，根据建立DTM的用途，确定数据源种类和技术手段。
其中t为一常数。
F 克吕格(Kriging)插值 也有翻译为克里金插值 Kriging插值的思想与上述方法都不同，它首先考虑的是空间属
性在空间位置上的变异分布，确定对一个待插点值有影响的距离范 围，然后用此范围内的采样点来估计待插点属性值。它是一种求最 优线性无偏内插估计量的方法，它是在考虑了信息样品的形状、大 小及其与待估块段相互间的空间分布位置等几何特征以及品位的空 间结构之后，为了达到线性、无偏和最小估计方差的估计，而对每 一样品值分别赋与一定的系数，最后进行加权平均来估计块段品位 的方法。从这个意义上说，我们认为，只有Kriging方法才是一种 真正的插值方法。(见陈述彭等编《地理信息系统导论》P120~P121) Kriging插值的计算步骤：
数据源类型：航空和航天遥感资料（航片，大比例尺；卫星遥感 资料，小比例尺） 地形图（比例尺<=10000的近期基本地形图） 地面实测记录为数据源（建立各类专题DTM的数据） 各种专题 地图 统计报表和行政区域地图
数字高程模型数据采集 建立DEM，首先必须量测一些点的三维坐标，这就是DEM数据采集或 DEM数据获取，这些具有三维坐标的点称为数据点或参考点。 按采集的方式可分为选点采集、随机采集、沿等高线采集、沿断面 采集等；按数据的来源分，有从现有的地形图数字化或航空相片上 采集，有从进行地面测量或由机载的测高仪上直接获得；按数据采 集的方法分，可有人工、半自动、自动采集等。 数据采集是DEM的关键。数据采集一般遵循以下原则： (1)在DEM数据采集之前，根据DEM的精度要求确定合理的采样精度 (2)在DEM数据采集过程中，根据DEM的精度要求确定合理的取样密 度，单调地形应均匀采点，密度不必过大，对变化明显的地形应密 集采点，尽量采集地形转折处的数据点。 (3)不应出现大的空白区，如对于大片平坦地区应保证最低的采点 密度(单位面积内若干点)。
应用地理信息技术分析城市交通拥堵问题
应用地理信息技术分析城市交通拥堵问题近年来，城市化进程迅猛发展，城市交通拥堵问题也随之加剧。
恶劣的交通状况不仅使出行时间延长，同时也加剧了环境污染以及车辆事故率的上升。
这些问题都直接影响着城市的可持续发展。
而地理信息技术的应用，有望为我们解决这些问题提供有效的手段。
一、地理信息技术所谓地理信息技术，简称GIS，是一种综合性的信息技术，同时结合了地理学、信息学以及测量学等相关学科的理论与方法。
GIS主要强调的是对于地理空间信息的获取、存储、管理、分析以及展示。
这种技术可以通过数字地图、遥感图像等方式，将我们最熟悉的地理上的点、线、面等空间地物离散表示出来，从而为我们提供了地理数据的分析和处理工具。
二、使用地理信息技术分析城市交通拥堵在城市交通领域，GIS技术可以为我们提供个人出行调查、交通规划、道路优化、公交调度、交通事故分析等多方面解决方案。
与此同时，它还可以通过模拟出行需求、路网优化、交通时空特征统计等途径，从而有效地降低交通拥堵，提高路网效率。
1、交通流量调查要解决交通拥堵问题，首先需要清楚了解交通流量的情况。
传统的交通流量统计手段往往需要人力投入，并且准确度有一定偏差。
这时，GIS技术可以通过数码测绘地图和GPS定位系统等手段自动获取交通流量数据，从而实现对出行人数的精确测量，为下一步的数据处理和统计打下基础。
2、交通规划交通规划是指根据道路网络情况和人口分布等因素，制定道路改善以及新路线建设规划。
GIS技术在这个过程中可以为交通规划工作提供高精度的地理数据支持。
通过GIS软件，可以构建立体化的数字地图，这样用户不仅能看到道路情况，还能够了解到建筑物以及其他地物环境对道路交通的影响。
通过这些数据，交通规划部门可以为政府提供更精准的交通规划设计。
3、道路优化对于拥堵路段的优化，GIS可以提供道路拥堵时空分布的数据分析。
通过数码地图的展示，路网工程师可以更好地进行道路优化工作，进一步降低交通拥堵问题。
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– 在平坦地区出现大量的数据冗余； – 若不改变格网大小，就不能适应不同的地形条件；因此
无法准确表示地形结构和细部特征 – 在视线计算中过分依赖格网轴线
2.2 等高线模型
等高等线高存线储的：拓等扑高关线系通可常以被用存成 一个图有来序表的达坐，标等点高对线序之列间，的即可 以看区成域是为带图有的高节程点属，性边的表简示单多 边形等或高多线边本形身弧。段。
• 广义的DEM可包括等高线，三角网等。这里我们特指由地 表矩阵单元构成的高程矩阵。DEM是DTM的一个子集，是 DTM的一个特例。
2． DEM的表示法
• DEM的表示法
– 数学方法 • 整体拟合 • 局部拟合
– 图形方法 • 等高线 • 规则格网 • 不规则格网
DEM 表示方法
数学方法 图形法
• 教学难点：DEM分析和应用 • 教学课时：2课时 • 教学方法: 讲授 • 本次课涉及的学术前沿：
1．概述
• 数字地形模型（DTM, Digital Terrain Model） ：
是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特 征和地形属性特征的数字描述。通常被描述为地形表面形 态空间位置和地形属性分布的有序数值阵列。它是地表单 元上地形参数的集合，通常DTM可由DEM生成。
3．DEM模型之间的相互转换
• 等高线转成格网DEM
– 使用局部插值算法往往 出现问题，阶梯地形的 出现
– 解决方法是使用针对等 高线插值的专用方法， 或者将等高线数据点减 至最少，增加标识山峰、 山脊、谷底和坡度突变 的数据点，并使用较大 的搜索窗口
等值线插值造成“阶梯地形”
3．DEM模型之间的相互转换
• 不规则点集生成TIN
– 不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一种表示数字高程模型的方法，它既减 少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡 度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。
– TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三 角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或 三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通 过线性插值的方法得到（在边上用边的两个顶点的高 程，在三角形内则用三个顶点的高程）。所以TIN是 一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但 不可微
2.3 不规则三角网（TIN）模型
1 XYZ 2 XYZ 3 XYZ 4 XYZ 5 XYZ 6 6 XYZ 7 XYZ 8 XYZ
点文件
1
2
2
1 5
3 4
4
56
8
7
8
7
顶点
邻接三角形
1 2 33 4 5 6 7 8
1 56 1 45 1 24 2 34 5 68 4 58 4 78 3 47
25X 136 X4 2 3 X8 1 X6 257 68X 47X
第九讲 DTM与地形分析
• 课 题： DTM与地形分析 • 目的要求： 理解DTM和DEM概念；掌握DEM的主要表示方
法，并能分析其优缺点；了解DEM的数据采集方法；了解 DEM的插值方法；掌握DEM建立的一般作业过程；了解 DEM在地学分析中的主要用途；了解地形可视化的方法。 • 教学重点：DTM，DEM的概念及相互转换方法，DEM的作 业过程。
2.1规则格网模型
• 规则格网：将区域空间
切分成为规则的格网单元， 每个格网单元对应一个数 值。数学上有一个矩阵表 示，计算机里面表示为一 个二维数组。
2.1规则格网模型
格网值的两种观点：
– 格网栅格观点：格网值是该格网高程内所有高程点的值 – 点栅格观点：格网值是中心点的值或平均高程值
规则格网的优缺点：
整体 局部 点数据
线数据
傅立叶级数 高次多项式
规则数学分块
不规则数学分块
密度一致
规则
密度不一致
不规则 典型特征
三角网 邻近网 山峰、洼坑
隘口、边界
水平线
垂直线 典型线
山脊线 谷底线 海岸线 坡度变换线
DEM的表示方法
2．DEM的主要表示模型
• 2．1 规则格网模型 • 2．2 等高线模型 • 2．3 不规则三角网（TIN）模型 • 2．4 层次模型
• 局部优化过程（LOP）（Lawson，1997）
3．DEM模型之间的相互转换
• 格网DEM转成TIN
– 保留重要点（VIP）法 – 启发丢弃法 (DH—Drop Heuristic )
Z
A
BCd源自HPDG
F
E
A PE
VIP方法示意
过O点与三角形 BCE的交点O’的高 程差d与阈值比较
DH方法转换格网DEM成TIN
等高线模等型高中线，高程值的集 合是已知的。每条等高线对 应一个已知的高程值，一系 列等高线集合和它们的高程 值一起构成了一种地面高程 模型。
B
等高线模型只表达了区域的部C 分
高程值，因此等高线以外F 的其他 E A
点的高程，要通过插值进行计算D ， G
通常只使用外包的两条等高线高
程进行插值。
H
等高线和相应的自由树
• 它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线） 的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算， 任意两点间的通视判断及任意断面图绘制。
1．概述
• 高程模型：高程Z关于平面坐标X，Y两个自变量的连续函 数，数字高程模型（DEM）只是它的一个有限的离散表示。
• 数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）：当数字 地形模型中地形属性为高程时即为DEM；它是地表单元上 高程的集合,通常用矩阵表示；
不规则点集生成TIN
• Delauney三角网和Voronoi图（偶图）：
– Voronoi图即泰森多边形，由一组连续多边形组 成，多边形的边界是由连接两邻点直线的垂直 平分线组成。每个点与它的最近邻域有关，将 相邻的Voronoi图中的点连接而成的三角形即 Delauney三角形。
不规则点集生成TIN
三角形文件
三角网的一种存储方式
若对于每个三角形、边和节点都对应一个记录，三角形记 录三条边的指针、边记录两个顶点以及相邻多边形指针， 怎么表达？（用表格表示）
2.4 层次模型
• 层次模型
– 一种表达多种不同精度水平的数字高程模型， 大多数层次模型是基于不规则三角网模型的。
• 层次模型目前还存在一些尚需解决的问题， 没有公认的最好解决方案。