数字高程模型实验教程(李发源[等]编著)思维导图
数字高程模型_DEM_在黄土高原研究中的应用与展望_李发源
数字高程模型（ＤＥＭ） 在黄土高原研究中的应用与展望＊ 李发源 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 成都 ６１００４１ 南京师范大学地理科学学院 南京 ２１００９７ 摘要：作为地理信息系统（ＧＩＳ）空间数据库中最重要的组成部分之一，ＤＥＭ已在地学空间三维模型构建与地学空间分析中得到广泛的应用。
但是， ＤＥＭ不仅仅是单纯的地形数据库，更应作为一种地学分析的新方法。
ＤＥＭ分析方法的引入，给黄土高原研究带来了新的理念和思路。
如基于ＤＥＭ的黄土高原流域特征地貌的提取及分析、土壤侵蚀模型的校正等都取得了很好的效果，同时，产生了一些新的概念，如黄土高原地面坡谱等。
初步研究表明，坡谱是利用微观地形指标来反映宏观地形特征的有效方法，对它的研究旨在探索黄土高原地貌研究的新方法，也是为解决地理学界长期争论不休的基本自然地理单元的尺度问题的一次尝试。
关键词：数字高程模型 黄土高原 应用 地面坡谱 Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ＧＩＳ ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａｂａｓｅ， ＤＥＭ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｌｄｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｏ－ｓｐａｔｉａｌ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｇｅｏ－ｓｐａｔｉａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｎｏｗ ｉｔ ｉｓ ｒｅｇａｒｄｅｄ ｔｈａｔ ＤＥＭ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａｂａｓｅ， ｂｕｔ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｇｅｏ－ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ． ＤＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｔａｋｅｓ ｎｅｗ ｉｄｅａｓ ａｎｄ ｔｈｉｎｋｉｎｇ ｏｆ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ， ｉｔ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｈａｔ ＤＥＭ ｂａｓｅｄ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ ｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ， ａｎｄ ｒｅｖｉｓｉｎｇ ｏｆ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ， ｗｈｉｌｓｔ， ｔｈｅ ｎｅｗ ｃｏｎｃｅｐｔ ｓｌｏｐｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｐｒｉｍａｒｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｓｌｏｐｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏｃｏｓｍｉｃ ｔｅｒｒａｉｎ ｉｎｄｅｘ ｔｏ ｒｅｆｌｅｃｔ ｇｒａｎｔ ｔｅｒｒａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒ． Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ａ ｎｅｗ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｉｎ ｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｓｃａｌｅ ｏｆ ｂａｓｉｃ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ｕｎｉｔ ｔｈａｔ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｆｏｒ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＤＥＭ；ＤＥＭ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ ａｐｐｌｙｉｎｇ Ｓｌｏｐｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ １． 前言 数字高程模型（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｓ，ＤＥＭ）是地球自然表面的数字表示，是地理信息系统地理数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统。
第7章-数字高程模型
1 数字高程模型的定义
地形表面形态等多种信息的一个数字表示
DTM是定义在某一区域D上的m维向量有限序 列：
{Vi ,i 1,2,, n}
➢数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）或 DHM(Digital Height Model) 是表示区域D上地形的三维向量有限序列
0
1 L
L
2kX
[{
0
Ck cos(
k 0
L
k
)
k 0
Ck
cos(2kX
L
k
)]}2
dX
2 z
1 2
m
(Ck
k 0
Ck )2 dX
1 2
m
(1
k 0
Ck Ck
)2 Ck2
1 2
m
[1
k 0
H (uk )]2Ck2
采样间隔和地形的复杂程度
2.利用检查点的DEM精度评定
在DEM内插时，预留一部分数据点作 为检查点,在建立DEM之后，由DEM内 插出这些点的高程，DEM的精度
“任何一个圆滑的数学表面总是可以用一 系列有规则的数学表面的总和，以任意的 精度进行逼近。”也就是一个数学表面上 某点（X，Y）处高程Z的表达式为:
n
Z f (X ,Y ) ajq(X ,Y , X j,Yj ) j 1
a1q(X ,Y , X1,Y1) a2q(X ,Y , X 2,Y2) anq(X ,Y , X n,Yn )
深度学习在DEM数据获取中的应用
1.针对激光点云的地面点和非地面点的分类处理： 一处理Lidar数据，提取每个点与周围点之间的相对高差并将其
转换为表示点特征的图像，用于神经网络的训练。分离地物点
第五章数字高程模型2
四、求地表面积
地表面积的计算可看作是其所包含的每个格网表 面积之和。若格网中有特征高程点，则可将格网分解 为若干个小三角形，求出它们斜面面积之和作为格网 的表面积。若格网中没有高程点，则可计算格网对角 线交点处的高程，用四个共用顶点的斜三角形面积之 和作为格网的表面积。
（1）野外实地直接测量得到； （2）利用摄影测量方法获取； （3）从地形图中采集。
现实世界
野外直接测量 摄影测量与遥感 现有地形图
全站仪 GPS
传感器 数字化仪 扫描仪
地面影像
数字地图图像
数字摄影测量工作站 要素识别与提取 数字地理信息
数字地理信息的获取方法与途径
◆其它获取DEM方法：
❖ 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
(2)地面平面曲率的计算
地面的平面曲率(plan curture)是指地面坡向的变化率，可以通过计算地 面坡向的坡度而求得。
4．谷脊特征分析
当(Hi, (j-1) –Hi, j)(Hi,(j+1)-Hi , j)>0 时，
若Hi,(j+1)> Hi, j则Vr(i, j)=-1
若Hi,(j+1)< Hi, j则Vr(i, j)=1
与DTM密切相关的学科和技术 GIS: DTM是其中核心部分的实体 测绘学:DTM的数据来源； 应用数学:内插DTM的理论基础以及分析 计算机科学:
数字高程模型ppt课件
王之卓 （1979）
地形表面用X、Y、Z坐标的数字形式的一种表达
Burrough 数字形式表示的局部地球表面的量化模型，有时也成为
(1986)
数字地形模型DTM
Weibel (1991)
局部地形表面的数字化表达
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DEM DHM
DGM DTM DTED
数字地面模型有关术语
Digital Elevation Model
数字高程模型： DEM(Digital Elevation Model)
区域地形表面海拔高度的数字化表达（狭义） 或 地理空间 中地理对象表面海拔高度的数字化表达（广义）。
传统的高程模型数字高程模型：
• 数字化： 数字计算机只识数字，一切必须数字化 • 离散化： 数字计算机容量有限，必须采样离散化 • 结构化： 借助计算机表达与处理，模型必须结构化
矢量叠加
三维表示与分析
18
地形数字化表达方式
l 数学描述 l 图形表达 l 图像表达
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地形数字化表达方式
地 数学描述 全局
形
数
局部
字 化
图形方式
点
表
达
线
方
式
图像方式 直接
傅里叶级数 多项式函数 规则的分块数据 不规则的分块数据 不规则分布网络 规则分布网络 特征点（山顶、山脊、山谷） 等高线 特征线（山脊线、山谷线等） 剖面线 航空影像、遥感影像
通过对这些数据和图形的解译和发现，可获取 在地形图上没有直接表现的知识。
7
地表形态表达:从模拟到数字
象形绘图法
写景表示法
数字高程模型
等高线图示法 8
DEM的概念与理解
传统的高程模型－－等高线地形图：
第一章(绪论)数字高程模型
数学建模的基本方法
*机理分析法 根据对现实对象特性的认识，分析其因果关系，找出反映内 部机理的规律. 建立的模型常有明确的物理或现实意义 *测试分析法 将研究对象视为一个内部机理无法直接寻求的“黑箱”系统. 求y=y(x) 输入 x(t) 黑箱系统 建立输出和输入间的关系 测量系统的输入、输出数据，对其运用统计分析 输出y(t)
电子立体地形模型。是电子地图的应用产品。 在计算机的控制下，利用DTM数据和其他有 关资料，即可生成电子立体地形模型。它能 生动地显示地形的立体景观，有利于地形分 析和作战模拟，是有关经济建设和国防建设
的理想参照物。
影像与立体表达
利用多张有重叠度的像片可以重建地面的三
维模型，并可在这个模型上进行量测。
人类在很早以前就开始想方设法来描述自己 所熟悉的各种地表现象，绘画可以说是最古 老的一种。
用图画可以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 和色彩特性，而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。
在我国古代，地图与山水画有着 千丝万缕的联系，亦图亦画的现 象还是很多的，有些图明明是地 图，却画着相当精美的山水画。 唐代张彦远的《历代名画记》里 就收录了古代著名制图学家裴秀 的《地形方丈图》，天文学家张 衡的《地形图》，这里并没有把 实用性的地图和艺术性的山水风 景画，明显地区分开来。
地图学者一直致力于地形图的立体表达，希
望找到一种既符合人的视觉生理习惯，又能
恢复真实地形世界的表示方法。
地球表面高低起伏，有高原、冰川、沙漠、 海岸等。如何立体显示地貌，这是测绘工作 者必须解决的问题。自古以来，测绘工作者 在这方面进行了不懈的探索，创造了不少地 貌表示方法。
数字高程模型
3 DEM 的应用
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
三、基于DEM的可视化分析
1 剖面分析 2 通视分析 3 地形三维图绘制 4 地貌晕渲图绘制 5 模拟飞行
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
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。 2）绘制
3 DEM 的应用
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
4、高程变异分析
包括平均高程、相对高程、高程标准差，高程变异。 高程变异：为格网顶点的高程标准差与平均高程的比值。
5、地貌形态的自动分类
DEM
计算地表形态要素
H,H’,坡度、坡向等 地形自动分类
地形分类标准表 平地 绝对h 相对h 坡向 … … <3 岗丘 … <100 … 丘陵 <400<600 100-200 … 低山 … … … 高山 … … …
GIS
2 不规则三角网DEM
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的建立
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
3 等高线
直接利用原始观测数据绘制等高线精度较高 建立三角网 －> 等高线内插
3 DEM 的应用
可在格网DEM或三角网DEM上 进行。
已知两点的坐标A(x1，y1)， B(x2，y2)，则可求出两点连线 与格网或三角网的交点，并内 插交点上的高程，以及各交点 之间的距离。然后按选定的垂 直比例尺和水平比例尺，按距 离和高程绘出剖面图。
数字高程模型及地学分析的原理与方法(共83张PPT)
，即地表单元上高程的集合，数学表达为：z=f(x，y)。
DEM功能与应用需求的关系
●数字地形模型(Digital 数字高程模型的概念与理解
DEM功能与应用需求的关系
?DEM及地学分析?第一章
第一节
地表形态表达：从模拟到数字
数字地面模型与其他学科的关系
测绘 遥感 军事 水文 土木工程 农林规划 地质
第二节 数字高程模型的概念与理解
2、数字高程模型定义
DEM，(Digital Elevation Models)，是通过有限 的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟， 它表示地表区域上地形的三维向量的有限序列， 即地表单元上高程的集合，数学表达为：z=f(x，
DEM数据采样的根本原那么是通 过最少的采样点来恢复和重建 地形外表
2.空间数据内插方法
空间数据内插技术实现了在离散采样点 根底上的连续外表建模，同时也可对未 采样点处的属性值进行估计，是分析地 理数据空间变化规律和趋势的有力工具。
DEM作为一类特殊的统计外表，高度逼 真的地形建模技术和快速的内插算法是 DEM研究领域长期以来的追求目标。
非地形特性应用〔重力、气压、磁场、降水、地价、土壤类型、工农业产值 〕
2、数字高程模型定义 从技术角度地形可视化有静态可视化和交互式动态可视化两种〔〕
1、基于DEM的信息提取
然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图。
2、等高线的绘制 可视化〔Visualization〕是指运用计算机图形图像处理技术，将复杂的科学现象、自然景观以及十分抽象的概念图像化，以便理解现象，观察
数字高程模型
+第一章绪论数字地形图：在测绘领域，地形图是一个专有名词。
国内的地形图（国外的不了解）一般特指那些特定比例尺系列、有着固定分幅范围的、全面表达地表面的地形、地物特征的地图。
其内容特点是全面、均衡、不突出表达某种要素。
一般包括：测量控制点、居民地、水系、交通、管线、地貌、植被等内容。
数字地形图的历史形态是模拟地形图，一般是纸质的。
数字高程模型(DEM)：地形图上的地貌是用等高线、高程点、陡坎、陡崖等表达的。
等高线和高程点，外加陡坎、陡崖及其比高构成了一种“高程模型”。
通过对他们的判读，可以得到对地表高程的总体印象，是对实际地貌的一种模拟。
数字地形图上的等高线和高程点是数字高程模型的一种。
不规则三角网、规则格网都可以是数字高程模型，其核心特点是都可以对地表高程信息进行完整的模拟。
数字地面(地形)模型(DTM)：地形是“地表形态”或“地貌形态”的简称。
地形可以用高程来描述，也可以用坡度、坡向等信息来描述。
数字地形模型包括数字高程模型、数字坡度模型、数字坡向模型等。
数字表面模型(DSM)：DEM必须是高程信息，是对地形和地貌的模拟，DSM可以是地物表面的模拟，包括植被表面、房屋的表面，对DSM进行加工，去掉房屋、植被等信息，可以形成DEM。
模型（Model）: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为能够理解的事物本体。
模型可用来表示系统或现象的最初状态，或表现某些假定或预测的情形。
三个层次：概念模型----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。
物质模型----模拟的模型。
如沙盘，塑料地形模型。
数学模型----基于数字系统的定量模型。
用数学的语言、方法去近似地刻划实际，是由数字、字母或其它数学符号组成的，描述现实对象数量规律的数学公式、图形或算法。
•（1）按照模型的应用领域（或所属学科）如人口模型，生物模型，生态模型，交通模型，作战模型等。
•（2）按照建立模型的数学方法（或所属数学分支）如初等模型，微分方程模型、网络模型、运筹模型、随机模型等。