第7章数字高程模型(3D建模及可视化)
数字高程模型
数字高程模型数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是一种用于表示地球表面高程信息的数字模型。
它通常是基于地理空间数据采集和处理技术得到的数字地形模型，反映了地表不同位置的高程值。
数字高程模型在地理信息系统、地貌分析、水文模拟等领域具有广泛的应用价值。
数字高程模型的原理和构建方法数字高程模型是通过采集地表高程信息，构建数学模型，并进行数字化表达得到的。
构建数字高程模型的最基本方法是通过激光雷达、全球定位系统（GPS）等技术采集地面高程点，并据此构建高程表面模型。
另一种常用的方法是通过航空或卫星影像获取地表高程信息，并结合插值算法生成数字高程模型。
数字高程模型生成的过程中，需要考虑地球椭球体形状、椭球体参数、大地水准面等因素，并进行数学变换和处理以得到准确的高程数据。
常用的数字高程模型包括数字地面模型（DSM）、数字地形模型（DTM）等，它们之间的区别在于对地物表面和地表以下构造的不同描述。
数字高程模型在地理信息系统中的应用数字高程模型在地理信息系统中有广泛的应用，主要包括地形分析、三维可视化、洪水模拟、景观规划等方面。
在地形分析中，数字高程模型可以用于提取地形特征，计算坡度、坡向、流域分割线等地形参数，进而实现地貌分类、地形图绘制等功能。
三维可视化是数字高程模型应用的一个重要领域，通过将数字高程模型与空间数据结合，可以实现虚拟地形的构建和沉浸式视角的展示。
在洪水模拟和预测方面，数字高程模型可以用于模拟雨水径流路径、洪水淹没范围等，为防洪减灾提供重要的数据支持。
数字高程模型的发展趋势随着遥感技术、地理信息系统技术以及计算机处理能力的不断提升，数字高程模型的精度和分辨率也在不断提高。
未来，数字高程模型将更加精细化、高分辨率化，应用领域也将更加广泛，涉及城市规划、资源管理、环境保护等方面。
另外，数字高程模型的数据融合、多源信息整合、模型开放共享等方向也是未来发展的重点。
7 数字高程模型——【摄影测量学 武汉大学】
坐标原点平移至P所在格
网的左下角，令格网边
一阶偏导（X方向斜率）（Zx )i, j
Z X
＝ Zi1, j
Zi1, j 2
长L=1
一阶偏导（Y方向斜率）（Z y )i, j
Z ＝ Zi, j1 Y
Zi, j1 2
二阶混合导数（Zxy )i,
j
(该点曲面扭曲）
2Z X Y
＝ (Zi1, j1
Zi1, j1 )
3、若 p(x, y) 位于Pi、Pj所在两多边形公共边上，则
(x xi )2 ( y yi )2 (x x j )2 ( y y j )2 ( j i)
连接每两个相邻多边形内的
离散点生成的三角网称狄 洛尼（Delaunay)三角网
7.2 数据点的获取
DEM数据采集方法 野外实测：全站仪、GPS施测 现有图数字化 摄影测量方法
地貌表示方法
7 数字高程模型的建立及应用 §7－1 概述
数字地面模型DTM（Digital Terrain Model） ：是地形表面形态 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}
其向量Vi=（Vi1，Vi2，…，）的分量为地形Xi，Yi，Zi（（Xi， Yi）∈ D）、资源、环境、土地利用、人口分布等多种信息的定 量或定性描述。
自动化DEM数据采集 空间传感器：遥感系统、雷达等
7.3 数字高程模型内插方法
采集的原始数据 非规则排列
规则格网
非采样点的 高程？
数字地面模型数据内插：根据参考点上的高程计算其它 待定点处高程的方法
数字地面模型数据内插的特点：
用邻近的数据点 内插出待定点
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7章：数字高程模型(3D建模与可视化)
《高等摄影测量》主讲：王树根武汉大学遥感信息工程学院The third DimensionDEM与DSM的区别与联系进一步关于DEM和DSM关于数字目标模型DOMq 目标是广义的，大到一个数字地球或数字 城市关于数字目标模型DOMq 小到一个建筑物、工业零件或细胞关于3D空间数据的可视化3D建模与可视化研究发展趋势q 摄影测量（遥感）的研究体现出从大 到小的研究趋势 q 计算机视觉的研究体现出从小到大的 研究趋势 q 数字摄影测量与计算机视觉的结合与建模和可视化有关的几个术语q Aliasing: 指对信号（几何、纹理）的一 种欠采样现象，造成结果的不真实痕迹欠采样与建模和可视化有关的几个术语q Breakline: 指断裂线、特征线等，需要 在多边型格网中体现出来 q Level of Detail (LoD): 涉及信息的量或 复杂性，LoD通常是目标物与观察者之 间距离的函数与建模和可视化有关的几个术语q Mesh: 指表面网格（眼），是一些连续 的三角形或四边形的集合 三种形式 规则格网 不规则三角格网（TIN） 混合式不同类型格网的比较规则（矩形）格网 存储量小，便于使 优 点 用和管理 不能准确地表示地 缺 点 形的结构和细部 不规则三角形 （或称TIN） 能较好地顾及地貌 的特征点、线 数据量大；数据结 构复杂，因而使用 和管理也较复杂混合式格网将结合两者的优点与建模和可视化有关的几个术语 q任何一个Mesh都将包括:ü顶点（vertices） ü边缘（edges） ü面（face） 通常采用有限元的方法 来产生一个表面网格与建模和可视化有关的几个术语q Modeling: 指建模，是关于目标物体的 数学结构或计算机表示。
它实际上是通 过定义一系列的三维点（Xi,Yi,Zi）阵 列，这些点通过数学模型连接在一起， 以便生成多边形，再用多边形（格网） 来表达目标（表面）。
数字高程模型
对地面地形的数字化模拟
01 简介
03 形式
目录
02 建立方法 04 数据来源
05 分辨率
07 产品案例
目录
06 用途
数字高程模型（Digital Elevation Model)，简称DEM，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字 化模拟（即地形表面形态的数字化表达），它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，其它各种地形特征值均可由此派生。
(2)不规则三角。不规则三角是用不规则的三角表示的DEM，通常称DEM或TIN(Triangulated Irregular Network)，由于构成TIN的每个点都是原始数据，避免了内插精度损失，所以TIN能较好地估计地貌的特征点、线， 表示复杂地形比矩形格精确。但是TIN的数据量较大，除存储其三维坐标外还要设点连线的拓扑关系，一般应用 于较大范围航摄测量方式获取数值 。
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。
简介
DTM的另外两个分支是各种非地貌特性的以矩阵形式表示的数字模型，包括自然地理要素以及与地面有关的 社会经济及人文要素，如土壤类型、土地利用类型、岩层深度、地价、商业优势区等等。实际上DTM是栅格数据 模型的一种。它与图像的栅格表示形式的区别主要是：图像是用一个点代表整个像元的属性，而在DTM中，格的 点只表示点的属性，点与点之间的属性可以通过内插计算获得 。
用途
由于DEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国 民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。如在工程建设上，可用于如土方量计算、通视分析 等；在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析如汇水区分析、水系络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基 础;在无线通讯上，可用于蜂窝的基站分析等等。
第七章 数字高程模型
7.据不能直接利用来进行DEM 利用各种采集方法获取得数据不能直接利用来进行 数据内插，需要进行数据的预处理工作流程。一般包括数据 数据内插，需要进行数据的预处理工作流程。一般包括数据 格式转换、坐标系统转换、数据编辑、 格式转换、坐标系统转换、数据编辑、栅格数据转换为矢量 数据等内容。 数据等内容。 1、数据格式转换 、 主要是指不同数据结构间的数据转换。 主要是指不同数据结构间的数据转换。由于数据采集的 硬件系统不一样，所采集的数据格式也就各不相同。 软、硬件系统不一样，所采集的数据格式也就各不相同。 采集后的数据要被某一专业软件处理建立DEM，首先必 ， 采集后的数据要被某一专业软件处理建立 须根据专业软件的要求， 须根据专业软件的要求，将各数据格式转换成该软件要求的 数据格式。 数据格式。
2. 数字高程模型
数字地面模型是1956年由美国的米勒为了解决高速公路 年由美国的米勒为了解决高速公路 数字地面模型是 的自动设计提出来的。 的自动设计提出来的。 数字地面模型（ 数字地面模型（Digital Terrain Models）是描述地球表 ） 面形态多种信息空间分布的有序数据阵列。 面形态多种信息空间分布的有序数据阵列。 数字高程模型（Digital Elevation Model)地面高程信息 数字高程模型（ 地面高程信息 起伏形态）的数字表达。 （起伏形态）的数字表达。 数字地面模型中所包含的地面信息比较丰富，主要有： 数字地面模型中所包含的地面信息比较丰富，主要有： 中所包含的地面信息比较丰富 （1）地貌信息 ） 比如高程、坡度、坡向等地貌因子。 比如高程、坡度、坡向等地貌因子。 （2）基本地物信息 ） 比如水系、交通网、居民点和工矿企业等。 比如水系、交通网、居民点和工矿企业等。
3．空间传感器：利用GPS、雷达、遥感卫星和激光扫描系统 ．空间传感器：利用 、雷达、 等进行数据采集。 等进行数据采集。 速度快，可快速的进行大区域数据采集。 速度快，可快速的进行大区域数据采集。 4. 摄影测量方法：在模拟摄影测量、解析摄影测量时代，可利 摄影测量方法：在模拟摄影测量、解析摄影测量时代， 用附有自动记录装置的立体测图仪或立体坐标量测仪、 用附有自动记录装置的立体测图仪或立体坐标量测仪、解析 测图仪，进行人工、半自动或全自动的量测来获取DEM数 测图仪，进行人工、半自动或全自动的量测来获取 数 据。目前可利用全数字摄影测量系统对数字影像进行影像处 理后，自动获取DEM数据。 数据。 理后，自动获取 数据
数字高程模型的认识
城市规划与建设
数字高程模型在城市规划与建设中具有广泛的应用价值。通过数字高程模型，规 划师可以获取城市地形信息，了解城市的地貌特征和地表形态，为城市空间布局 、道路规划、排水系统设计等提供依据。
数字高程模型还可以用于城市景观设计、绿化规划等方面，提高城市的生态环境 质量和美学价值。
土地资源调查
土地资源调查是数字高程模型应用的另一个重要领域。通 过数字高程模型，可以获取土地资源的地形信息，了解土 地资源的分布、质量和利用状况，为土地资源的合理利用 和保护提供科学依据。
数据采集
通过地面测量、航空摄影测量 和卫星遥感等方式获取地形数 据。
网格生成
将处理后的地形数据转换为数 字高程模型，通常采用规则或 不规则的网格形式进行表示。
流程
DEM的建立流程包括数据采集、 数据处理、网格生成和质量控 制等步骤。
数据处理
对采集到的地形数据进行预处 理、编辑和整理，以确保数据 的质量和准确性。
数据可视化与表达
可视化表达
将数字高程模型转换为可视化的地形图，便于分析和应用。
可视化技术
利用GIS、三维可视化等技术，实现数字高程模型的动态展示和交互操作。
04
数字高程模型的精度与 误差分析
精度影响因素
数据源
数字高程模型的数据源直接影响其精度，高质量 的数据源能够提供更准确的地面高程信息。
采样间隔
详细描述
高分辨率数字高程模型能够捕捉到更多的地形细节，对于城市规划、土地利用、地质调 查等领域具有重要意义。同时，精细化的发展趋势使得数字高程模型能够更好地模拟和
预测地形地貌的变化。
多源数据融合与集成应用
总结词
多源数据的融合和集成应用是数字高程模型 发展的重要方向，能够提高模型的准确性和 可靠性。
测绘技术中的数字高程模型创建方法
测绘技术中的数字高程模型创建方法测绘技术中的数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是目前应用广泛的一种地理信息数据模型，它能够准确地反映地表的海拔高度，作为地形分析、水文模拟、城市规划等领域的重要工具。
本文将介绍数字高程模型的创建方法，包括数据获取、处理和模型生成等方面。
一、数据获取创建数字高程模型的第一步是获取高程数据。
目前常用的数据获取方法主要包括航测、卫星遥感和地面测量。
航测是利用航空器进行的大范围地面高程数据采集方法。
它通过搭载激光雷达仪器，对地表进行扫描和测量，获取高程点云数据。
这种方法具有高精度、高效率的特点，适用于大范围地区的高程数据采集。
卫星遥感是基于卫星传感器对地球表面进行观测和测量，以获取高程数据。
卫星遥感数据通常具有较大的空间分辨率和全球覆盖的优势，可用于大尺度地形分析。
地面测量是通过在地面上设置测量站点，利用全站仪或GPS等仪器对地面高程进行测量。
这种方法适用于小范围地域的高程测量，具有较高的精度。
以上这些数据获取方法都有各自的适用范围和精度要求，根据实际需求选择适合的数据获取方法。
二、数据处理获取到高程数据后，需要对原始数据进行处理，以便生成数字高程模型。
数据处理主要包括数据格式转换、数据配准和数据过滤等步骤。
数据格式转换是将不同数据源的高程数据转换成统一的格式，常见的格式包括点云数据格式（如LAS、XYZ等）和栅格数据格式（如TIFF、ASCII等）。
数据配准是将不同数据源的高程数据校正到统一的坐标系和水平基准上。
配准过程中需要考虑大地坐标系的转换、数据的精度评定和高程基准的转换等问题。
数据过滤是对高程数据进行噪声剔除和异常值处理，以提高模型的精度和可靠性。
常用的数据过滤方法有高度阈值法、点密度法和坡度法等。
三、模型生成数据处理完成后，即可进行数字高程模型的生成。
数字高程模型的生成方法主要分为三种：插值法、三角网剖分法和机器学习方法。
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主讲：王树根
武汉大学遥感信息工程学院
第七章 3D空间数据获取 建模与可视化
关于三维空间数据 q 什么是三维空间数据
它是人类对客观世界（主要指地球表 面物体）的几何描述，通过一定的测 量手段、技术、方法获得。
q 三维空间数据的基本特性
ü 空间特性：指物体的空间位置、形状、大
小等几何特征以及与相邻物体的拓扑关系
与建模和可视化有关的几个术语
q Aliasing: 指对信号（几何、纹理）的一 种欠采样现象，造成结果的不真实痕迹
欠采样
与建模和可视化有关的几个术语
q Breakline: 指断裂线、特征线等，需要 在多边型格网中体现出来 q Level of Detail (LoD): 涉及信息的量或 复杂性，LoD通常是目标物与观察者之 间距离的函数
3D空间数据的获取
q 对上述所有方法，理论上都包括两个步骤： 1、第一步: 获取大量地面（目标）点的三维 位置（坐标）； 2、第二步: 对上述数据点进行重采样，以满 足用特殊的格网形式或数据结构描述。
3D空间数据的建模（modeling） q 几个概念之间的区别：
ü ü ü ü ü DTM (Digital Terrain Model)： 数字地面模型 DEM (Digital Elevation Model)：数字高程模型 DHM (Digital Height Model)： 数字高程模型 DSM (Digital Surface Model)： 数字表面模型 DOM (Digital Object Model)： 数字目标模型
q Shading : 加阴影或阴影处理 q Splines: 样条函数，它是一种局部多项 式函数，在局部范围内可具有非常简单 的形式，但同时具有对全局的适应性 q Surface: 表面，其主要的表示方法有： ü 隐式函数（用点集表示） ü 参数形式（用多项式表示）
3D形状建模技术 q 主要分为两大类:
3D Studio Max Lightwave
基于摄影测量的3D建模
q主要过程:
ü设计（传感器和网格几何） ü量测（点云、线 等） ü构造/建模（包括几何、纹理） ü可视化/结果分析
Design Measurement Modeling Visualization current future 目前，对3D目标的几何恢复与量测和建模与可视化大都是 分离式的，而很多实际应用要求他们是集成式的
关于数字目标模型DOM
q 目标是广义的，大到一个数字地球或数字 城市
关于数字目标模型DOM
q 小到一个建筑物、工业零件或细胞
关于3D空间数据的可视化
3D建模与可视化研究发展趋势
q 摄影测量（遥感）的研究体现出从大 到小的研究趋势 q 计算机视觉的研究体现出从小到大的 研究趋势 q 数字摄影测量与计算机视觉的结合
Байду номын сангаас
混合式格网将结合两者的优点
与建模和可视化有关的几个术语 q任何一个Mesh都将包括:
ü顶点（vertices） ü边缘（edges） ü面（face） 通常采用有限元的方法 来产生一个表面网格
与建模和可视化有关的几个术语
q Modeling: 指建模，是关于目标物体的 数学结构或计算机表示。它实际上是通 过定义一系列的三维点（Xi,Yi,Zi）阵列， 这些点通过数学模型连接在一起，以便 生成多边形，再用多边形（格网）来表 达目标（表面）。
这些方法主要是通过估计表面的法向量（法线）而非3D数据
3D形状建模技术 q 无需量测的3D建模技术:
主要指商用计算机建模软件，其特点是： ü ü ü ü 3D建模可以从简单元素（如多边形）开始 多采用3D样条技术来对多边形进行分块和光滑 不需要用测量的方法得到实际结果 常用于计算机模拟、动画等电影或游戏软件
ü 时间特性 ü 尺度特性：与空间分辨率及采样间隔有关
三维空间数据涉及问题 q 三维空间数据的获取 q 三维空间数据的处理（建模） q 三维空间数据的表达（可视化）
The third Dimension
3D空间数据的获取
q 3D数据获取的主要方法有: 天文、大地测量 地面测量方法；如：GPS、全站仪 等 对现有地图数字化 利用数字传感器，如：干射雷达(InSAR）、 激光测距（LIDAR）、断面扫描仪等 ü 摄影测量、遥感方法 ü Shape from shading 等等 ü ü ü ü
与建模和可视化有关的几个术语
q Rendering : 指利用计算机技术对3D目 标物体进行再现或描绘，需考虑的因素 包括： ü 目标物体的透明性 ü 目标物体的色彩 ü 目标物体的漫反射或镜面反射 ü 目标物体的折射特性 等 两种Rendering技术： ü 光线跟踪方法 ü 扫描线处理方法
与建模和可视化有关的几个术语
① 基于目标量测的3D形状建模技术 ② 无需量测的3D形状建模技术
3D形状建模技术
q 基于目标量测的3D建模技术: 主要指基于立
体交会的方法或主动式3D传感器的方法，如：
ü 基于立体摄影量测的方法 ü 基于激光点云的方法 其它方法还有： ü Shape from shadow ü Shape from texture ü Shape from contour
其中都有一个字“Model”
DEM与DSM的区别与联系 DSM
DEM
对裸露地表：DEM= DSM
进一步关于DEM和DSM
q 不管是DEM还是DSM，它们都是用以表 示地表高程变化的模型。实际上自然界的 Landscape非常复杂，以致于无法用解析 方法进行模拟，而只能用有限的“采样点” 去描述。因此，理论上一个真正的“模型” 除了给出这些采样点高程外。还应该给出 数据点之间的内插策略，通常这部分工作 交由用户完成。
与建模和可视化有关的几个术语
q Mesh: 指表面网格（眼），是一些连续 的三角形或四边形的集合 三种形式 规则格网 不规则三角格网（TIN） 混合式
不同类型格网的比较
规则（矩形）格网 存储量小，便于使 优 点 用和管理 不能准确地表示地 缺 点 形的结构和细部 不规则三角形 （或称TIN） 能较好地顾及地貌 的特征点、线 数据量大；数据结 构复杂，因而使用 和管理也较复杂