数字地形模型
第9章-数字地形模型与地形分析-第一讲
▪ DEM数据的高程分层设色显示 ▪ DEM数据与影像数据联结三维场景显示 ▪ 三维静态场景的输出功能 ▪ 三维动态飞行场景的录制与播放功能 ▪ 简单DEM模型分析功能
GIS 电子沙盘 ——高程分层设色
GIS DEM应用举例 ——城市景观
城市景观系统通过运用数字技术构造出某一区域的 虚拟场景来辅助人们进行观测, 是一个可视现实和虚拟 现实集成的系统。
垂直线 典型线
山脊线 谷底线 海岸线 坡度变换线
GIS 3.DEM的表示法
数学方法 整体拟合方法, 即根据区域所有的高程点
数据, 用傅立叶级数和高次多项式拟合统 一的地面高程曲面 局部拟合方法, 将地表复杂表面分成正方 形规则区域或面积大致相等的不规则区 域进行分块搜索, 根据有限个点进行拟合 形成高程曲面
➢DEM的表示方法
➢一个地区的地表 高程的变化可以
采用多种方法表
达
DEM 表示方法
➢用数学定义的表 面或点、线、影 像都可用来表示 DEM
数学方法 图形法
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 水平线
三角网 邻近网 山峰、洼坑
隘口、边界
点信息
ID
边1 边2 边3
1
E1
E3
E9
2
E2
E3
E4 面
3
E4
E5
E6
信 息
4
E6
E7
E8
5
E7
E9
E10
ID
起点
终点
左多 边形
右多 边形
DEM、DTM和DSM
DSM 、DTM与DEM1.DSM（数字表面模型）国科创（北京）信息技术有限公司-DSM是一个显示表面高度的高程模型，如果DTM仅显示地面（地面上面没有任何东西），则DSM会显示任何现有的表面形状，例如树高，建筑物和地面上的任何物体。
DSM表示的是最真实地表达地面起伏情况，可广泛应用于各行各业。
如在森林地区，可以用于检测森林的生长情况。
从立体相对影像提取的DSM2.DTM（数字地形模型）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种模拟表示，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。
x、y表示该点的平面坐标，z值可以表示高程、坡度、温度等信息，当z表示高程时，就是数字高程模型，即DEM。
地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。
DTM3.DEM（数字高程模型）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。
DEMDEM的来源可以有很多种，如：（1）地面控制点（GCP）（2）等高线（3）三角不规则网络（TIN）（4）还可根据航空摄影的质量和规模，以各种分辨率从立体数字航空摄影中提取DEMDEM的常见用途，如：（1）提取地形参数（2）模拟水流量或质量运动（例如，滑坡）（3）创建浮雕图（4）3D可视化效果的渲染（5）物理模型的创建（包括浮雕图）（6）航空摄影或卫星图像的校正（7）减少重力测量（重力，物理大地测量）（地形校正）（8）地形学和自然地理学中的地形分析将DEM与影像的高程源表达地形的起伏国科创（北京）信息技术有限公司遥感事业部提供多尺度、多分辨率、全覆盖的遥感影像数据产品服务，拥有多光谱、高光谱、雷达卫星、无人机影像等遥感数据，可提供环保、国土、农业、水利和林业等应用领域的人工智能目标识别、图像分类、正射纠正、图像处理、解译、咨询服务，以及基于多源影像的综合应用解决方案。
数字地形模型的生成方法与应用
数字地形模型的生成方法与应用数字地形模型（Digital Terrain Model, DTM）是一种通过数字技术生成地形模型的方法，可以用于各种应用，如地形分析、工程设计、环境评估等。
本文将介绍数字地形模型的生成方法以及其在实际应用中的价值和挑战。
一、数字地形模型的生成方法1. 遥感技术遥感技术是一种通过卫星、航测等手段获取地表信息的方法。
利用遥感技术，可以获取地表的高程数据，从而生成数字地形模型。
常用的遥感技术包括激光雷达、雷达干涉测量、测量影像匹配等。
2. 全站仪技术全站仪技术是一种测量地形高程的方法，它利用全站仪仪器和测量棒测量地面点的三维空间坐标，进而计算出地形的高程。
全站仪技术可以实现对地形的高精度测量，尤其适用于小范围地貌测量。
3. 自动化测量技术自动化测量技术是一种通过自动化仪器和算法实现地形高程测量的方法。
自动化测量技术包括GPS、INS（惯性导航系统）等。
这些技术可以实现大范围地貌的高效测量，但相对于全站仪技术，其测量精度有所降低。
4. 数学建模技术数学建模技术是一种通过建立地形高程的数学模型，利用现有的地形数据进行拟合和插值计算，从而生成数字地形模型的方法。
数学建模技术可以通过插值方法、回归分析等统计算法，构建地形高程的数学模型，并生成数字地形模型。
二、数字地形模型的应用价值数字地形模型在地质、环境、工程等领域具有广泛的应用价值：1. 地质学研究数字地形模型可以提供地质学研究的基础数据，如地表高程、坡度、坡向等信息。
研究人员可以通过分析数字地形模型，了解地表地貌特征，进而研究地壳运动、地貌演化等问题。
2. 地形分析与规划数字地形模型可以为城市规划、交通设计等提供依据。
通过分析数字地形模型，可以评估地形对于城市规划和交通规划的影响，优化规划方案，提高城市和交通的安全性和效率。
3. 工程设计与施工在工程设计和施工中，数字地形模型可以提供工程设计和施工的依据数据。
通过分析数字地形模型，可以评估地形对工程的影响，如土地平整度、坡度等，从而制定合理的工程设计方案和施工方案。
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。
数字地形模型
方格网数字地形模型
3
在方格网数模中内插待定点，其内插方法的选择对高 程精度影响很小，因此可以选择一种比较简单的、运算速 度高的方法。常用的方法有分块多项式法和双线性内插法 分块多项式法
在方格形数据点条件下，用完整双三次多项式以每个方格 作为一个分块单元，则每个分块四个角点所构成的曲面为：
Z f ( X , Y ) a00 a10 X a01Y a20 X 2 a11 XY a02Y 2 a30 X 3 a21 X 2Y a12 XY 2 a03Y 3 a31 X 3Y a22 X 2Y 2 a22 X 2Y 2 a13 XY 3 a32 X 3Y 2 a23 X 2Y 3 a33 X 3Y 3
方格网数字地形模型
若已知任意一点P的平面坐标为，P点所在网格及该网格左 下角A点的平面坐标可按下式计算： J ( xP x0 ) / L 1
I ( y P y0 ) / L 1 x A x0 ( J 1) L y A y0 ( I 1) L
式中：I、J——分别为P点所在网眼左下角点所在行、列数；
数字地形模型（DTM,DigitalTerrainModel）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。它还是地理信息系统的基础数据， 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。
第4讲 数字地形模型与地形分析
DEM模型之间的相互转换
由不规则点集生成TIN 由规则格网DEM生成TIN 由等高线转换为格网DEM 又TIN生成等高线
-- TIN模型 Delaunay 三角形是Voronoi的对偶图
-- TIN模型 Delaunay 三角形的判别法则
Delaunay 三角形的判别法则： A、 外接圆判别法：过某三角形三角点
规则 不规则
密度一致
密度不一致
三角网 邻近网
典型特征 山峰、坑洼 隘口、边界
水平线 垂直线
山脊线 山谷线
典型线 海岸线
坡度变换线
规则格网模型—表示方法
91 78 63 53 94 81 64 51 100 84 66 55 103 84 66 56 规则格网DTM
规则格网模型—人工生成方法
将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角 点的高程值、构成数字高程模型。
的外接圆内不含有离散点集合中除这三 点外的任何其他点。 B、极大—极小角判别法则：在三角网中， 所有Delaunay 三角形的最小角度都达到 最大。
TIN的生成方法
首先取其中任一点P，在其余各点中寻找与此 点距离最近的点P2，连接P1P2构成第一边，然 后在其余所有点中寻找与这条边最近的点，找 到后即构成第一个三角形，再以这个三角形新 生成的两边为底边分别寻找距它们最近的点构 成第二个、第三个三角形，依此类推，直到把 所有的点全部连入三角网中，
动提取流域地形等
缺点
– 不能准确表达地形的结构和细部 – 数据量过大
等高线模型
等高线模型的数据组织
用二维链表来存储坐标点对系列 用图来表示等高线的拓扑关系：
– 区域表示为图的结点 – 用边来表示等高线本身
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。
数字地形模型名词解释
数字地形模型名词解释
嘿，朋友！你知道啥是数字地形模型不？这可不是个简单的玩意儿哦！
数字地形模型啊，就好比是地球表面的一个超级详细的“数字画像”！比如说，你看那连绵起伏的山脉，就像是大地的脊梁（这就像人的脊
梁支撑着身体一样），而数字地形模型就能把这些山脉的形状、高度
等各种信息都精准地记录下来。
再比如那广阔的平原，它的平坦和辽
阔也能在数字地形模型里清晰呈现。
想象一下，要是没有数字地形模型，那我们对大地的了解不就像盲
人摸象一样，只能摸到局部，却不知道整体是什么样（这多可怕呀）！但有了它，我们就好像有了一双能看清地球全貌的“眼睛”。
咱就说，在建筑领域，工程师们可以利用数字地形模型来规划道路、桥梁这些基础设施的建设。
他们能清楚地知道哪里高哪里低，该怎么
设计才能让一切都稳稳当当的（这不就省了好多麻烦嘛）。
在农业方
面呢，农民伯伯可以根据数字地形模型来判断土地的肥力和灌溉情况，让庄稼长得更好（这多重要啊）。
而且哦，数字地形模型还能帮助我们更好地了解自然灾害呢！像洪水、山体滑坡这些，通过它可以提前做出一些预测和防范措施（这能
救下多少人的生命和财产呀）。
总之，数字地形模型就像是一个神奇的魔法工具，让我们能更深入地了解我们生活的这个地球。
它可不是什么可有可无的东西，而是对我们的生活有着实实在在影响的重要存在呢！你说是不是呀？。
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5．DEM的分析和应用
三角网DEM分析应用
– 三角网内插 – 等高线追踪
利用TIN生成等高线
不规则点集生成TIN
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 )
A
B
Z C d
H
P
D
G
F
E
A
P
E
VIP方法示意
DH方法转换格网DEM成TIN
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 – 解决方法是使用针对 等高线插值的专用方 法
2
顶点
邻接三角形
4 3
1 2 3 4 5 6 7 8
1 5 6 1 4 5 1 2 4 2 3 4 5 6 8 4 5 8 4 7 8 3 4 7 三角形文件
2 5 X 1 3 6 X 4 2 3 X 8 1 X 6 2 5 7 6 8 X 4 7 X
8
点文件
三角网的一种存储方式
3．DEM模型之间的相互转换
傅立叶级数 整体 数学方法 局部 不规则数学分块 密度一致 规 则 密度不一致 DEM 表示方法 点数据 不规则 典型特征 图形法 水平线 线数据 垂直线 典型线 山脊线 谷底线 海岸线 坡度变换线 三角网 邻近网 山峰、洼坑 隘口、边界 高次多项式 规则数学分块
DEM的表示方法
2．DEM的主要表示模型
1． DTM和DEM
–
基本概念
–
数字地形模型 （DTM）：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。 数字高程模型 （DEM）：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ห้องสมุดไป่ตู้限的离散表示。
–
–
DEM的表示法
数学方法
图形方法
第九章 数字地形模型与地形分析
邬 伦
北京大学地球与空间科学学院 遥感与地理信息系统研究所 2004年12月
1．概述
数字地形模型（DTM, Digital Terrain Model） 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。
等值线插值造成“阶梯地形”
3．DEM模型之间的相互转换
利用格网DEM提取等高线 TIN转成格网DEM
4．DEM的建立
DEM数据采集方法
– – – – 地面测量 现有地图数字化 空间传感器 数字摄影测量获取DEM
DEM数据质量控制
渐进采样
5．DEM的分析和应用
格网DEM应用
– – – – – 地形曲面拟合 立体透视图 通视分析 流域特征地貌提取与地形自动分割 DEM计算地形属性
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
B C F A D G E
等高线
H
等高线和相应的自由树
1 2 3 4 5 6 7 8
X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z X X X X Y Y Y Y Z Z Z Z
6 1
1 3 2 5 5 6 7 7 4 8