第七章数字高程模型及其应用ppt课件
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lecture7-第七章 数字高程模型及其应用
1. 概述
为了能较好的顾及地形特 征点、线、真实地表示复 杂的地形表面，可采用下 述的数据结构：按地形特 征采集的点按一定规则连 成覆盖整个区域、互不重 叠的三角形，构成不规则 的三角网表示的DEM。 这种方式的数据结构数据 量大，数据结构胶复杂， 因此使用管理也比较复杂
1. 概述
建立DEM的过程是，首先按一定的数据采集方法，在 测区内采集一定数量的离散点的平面位置和高程，这 些点称为控制点（数据点或参考点），以这些控制点 为网络框架，用某种数学模型拟合，内插大量的高程 点，以便获得符合要求的DEM 数据点是建立数字高程模型的集成，模拟地表面的数 学模型函数关系式的待定参数就是根据这些数据点的 已知信息来确定的。获得这些数据点可直接取自地形 表面或是间接取自地形表面的模拟模型。
0 Y3 X3
0 Z1 Y3 Z 2 X 2 Z3
Z
1 {[( X 2Y3 X 3Y2 ) (Y2 Y3 ) X ( X 3 X 2 )Y ]Z1 (Y3 X X 3Y ) Z 2 ( X 2Y Y2 X ) Z3} X 2Y3 X 3Y2
1. 概述
获取数据点的四种方法：
由现在的地形图上采集。现在常用的方法是使用扫描装置 采集 由摄影测量方法采集。可用解析侧图仪或自动化的测图系 统获取数据点 野外实地测量。一般采用电子速测仪 由遥感系统直接测得
2. 数据预处理
格式转换:ASCII,BCD,二进制码 坐标系统变换：一般采用国家坐标系 数据编辑 栅格数据转换为矢量数据 数据分块 子区边界的提取
第七章 数字高程模型及其应用
主要内容
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 数字高程模型及其应用
法化求解得
a (QT Q)1QT Z
多面函数法内插
任意一点上的高程Zk(K>n)为
Zk QkT a QkT (QT Q)1QT Z
其中 QKT [qk1qk 2 qkn ]
qkj q( X k ,Yk , X j ,Y j )
多面函数法解算
m=n 全部数据点取为核函数的中心
n
Zi
a j qij
j 1
多面函数法内插
误差方程
V Qa Z
v1 q11 q12 q1n a1 z1
v2
q21
q22
q2n
a2
z2
vm qm1 qm2 qmn an zm
i
（5）法化求解
X (M T PM )1M T PZ
系数F是待定点内插高程值ZP
移动曲面拟合法关键问题解决
1、如何确定待插点的最小邻域范围以保证有 足够的参考点
基 于 点 的 数 量 选 择
移动曲面拟合法关键问题解决
基 于 点 的 范 围 选 择
圆半径的确定
动态圆半径法的基本思路：从数据点的平均 密度出发，确定圆内数据点（平均要有10 个，），以解求圆的半径
1
X L
1
Y L
Z
A
1
Y L
X L
ZB
X L
Y L
ZC
1
X L
Y L
ZD
P Y AX
L B
第07章+数字高程模型(第二版)
以产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。 2）精度不会丢失。常规地图随时间的推移，图纸将 会变形，失去原有的精度。 3）容易实现自动化、实时化。 4）多比例尺特性。如1m分辨率的DEM自动涵盖了更 大分辨率如10m和100m的DEM内容。
7.2 DEM数据分布特征
DEM数据由于数据观测方法和获取的途径不同，数据 分布规律和数据特征有明显差异。DEM数据按其空间分布 特征可分为两类：格网状数据和离散数据。
7 数字高程模型
7.1 数字高程模型概念及特点 7.2 DEM数据分布特征 7.3 DEM的表示方法
7.4 TIN的生成方法
7.5 规则矩形网格的生成
7.6 DEM的数据源和采样方法
7.7 DEM的应用 7.8 DEM分析的误差与精度
7.1 数字高程模型概念及特点
7.1.1 基本概念
地球表面高低起伏，呈现一种连续变化的曲面，无法用平 面图确切表示。可以采用DEM描述地球表面。 数字高程模型（Digital Elevation Model），简称DEM， 是以数字的形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空 间分布的数字模型，也是地形形状大小和起伏的数字描述。 DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地 表提供连续描述的算法，最基本的DEM是由一系列地面点x，y 位置及其相联系的高程Z所组成，用数学函数式的表达是： Z=f(x，y)，(x，y)∈DEM所在的区域
7.4 TIN的生成方法
7.4.2 自动建立
首先在所有可能的线段中寻找最短的一条，用它作
为第一个三角形的基线。选出到这条基线两端的距离之 和为最小的那一点作为三角形的顶点。 接着，搜索次最短线段作为下一个三角形的基线。 这样可使作为先前生成的三角形的一部分而被存贮起来 的诸边不再被选取为基线。
数字地面模型的建立与应用PPT课件
22
500 6 573.25 573.80 575.55 578.10 579.67 580.00 400 11 571.20 571.83 573.15 575.15 577.05 580.08 582.85 584.60 584.42 582.83 582.00
358.55 357.45 356.50 355.95 356.63 358.38
C D
ZP a00 a10 X P a01YP a11X PYP 153 .39m
42
2、双三次多项式内插
Y
C(0,1) 6
D(1,1)
7
P(X,Y ) 5
8 A(0,0)
4
X
B(1,0)
7
Z
Y
6
C(0,1)
P
5
D(1,1)
4
8
A(0,0)
B(1,0) X
1
2
3
1
2
3
28
《摄影测量学》第七章
第三节 数字高程模型的内插方法
29
主要内容
线性内插方法 移动曲面内插方法 双线性多项式内插方法 多面函数内插方法
30
2020/1/11
31
概述
DEM内插就是根据参考点上的高程求出其它特定点的高程。内插特点： （1）整个地球表面的起伏形态不可能用一个简单的低次多项式来拟合，而 高次多项式的解不稳定且会产生不符合实际的振荡 （2）地形表面既有连续光滑的特性，又可能有由于自然力或人为地原因产 生地形的不连续。 （3）由于计算机内存的限制，不可能同时对很大的范围进行内插数字地面 模型。
统的各个环节
11
著名的DTM软件包
德国Stuttgart大学研制的SCOP程序 Munich大学研制的 HIFI程序 Hannover大学研制的TASH程序
500 6 573.25 573.80 575.55 578.10 579.67 580.00 400 11 571.20 571.83 573.15 575.15 577.05 580.08 582.85 584.60 584.42 582.83 582.00
358.55 357.45 356.50 355.95 356.63 358.38
C D
ZP a00 a10 X P a01YP a11X PYP 153 .39m
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2、双三次多项式内插
Y
C(0,1) 6
D(1,1)
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P(X,Y ) 5
8 A(0,0)
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X
B(1,0)
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Y
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C(0,1)
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D(1,1)
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A(0,0)
B(1,0) X
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《摄影测量学》第七章
第三节 数字高程模型的内插方法
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主要内容
线性内插方法 移动曲面内插方法 双线性多项式内插方法 多面函数内插方法
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2020/1/11
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概述
DEM内插就是根据参考点上的高程求出其它特定点的高程。内插特点： （1）整个地球表面的起伏形态不可能用一个简单的低次多项式来拟合，而 高次多项式的解不稳定且会产生不符合实际的振荡 （2）地形表面既有连续光滑的特性，又可能有由于自然力或人为地原因产 生地形的不连续。 （3）由于计算机内存的限制，不可能同时对很大的范围进行内插数字地面 模型。
统的各个环节
11
著名的DTM软件包
德国Stuttgart大学研制的SCOP程序 Munich大学研制的 HIFI程序 Hannover大学研制的TASH程序
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
10
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
19
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：
数字高程模型PPT演示课件
20
第二节 DEM的主要表示模型
规则格网模型 等高线模型 不规则格网模型
760
780 830
9 20 9 40 970
7 90
930
810
890 820
770
9 10
7 80
9 80 960
770
950 890 880
980
87 0
850
900
8 60
94 0
920
21
950
950
2.1规则格网模型
些地图便是数字高程模型的现成数据源， 可以通过数字化好的等高线数据插值得到 格网DEM。
一般有三种方法： 等高线离散化法 等高线内插法 等高线构建TIN法
36
3.3.1等高线离散化法 – 所谓的等高线离散化法，实际上就是用等高线 上的高程点插值，并将这些高程点看作是不规 则分布数据，并不考虑等高线特性。
则Delaunay三角网的排列得到的数值最大，从这个意义上 讲，Delaunay三角网是“最接近规则化”的三角网。
参考 邬伦 地理信息系统－－原理、方法和应用
30
Delaunay三角形网的通用算法－逐点插入算法 1. 构造初始三角形。 2. 将点集中的其它散点依次插入，如插入点P，在
三角形链表中找出其外接圆包含插入点P的三角 形（称为该点的影响三角形），删除影响三角形 的公共边，将插入点同影响三角形的全部顶点连 接起来，从而完成一个点在Delaunay三角形链表 中的插入。
19
数字地貌模型（Degital Geomorphology Model,DGM）
• 高程是地球表面起伏形态最基本的几何量，除高程外，地形表 面形态还可通过坡度、坡向、曲率等进行地貌因子描述，这些 地貌因子是高程直接或间接的函数，通过DEM可以提取这些地 貌因子。对DEM的格网单元，在保持平面位置不变的情况下， 用相应位置上的地貌因子取代高程，就可以得到该地貌因子的 数字模型，如，用坡度取代高程，则形成数字坡度模型。
第二节 DEM的主要表示模型
规则格网模型 等高线模型 不规则格网模型
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2.1规则格网模型
些地图便是数字高程模型的现成数据源， 可以通过数字化好的等高线数据插值得到 格网DEM。
一般有三种方法： 等高线离散化法 等高线内插法 等高线构建TIN法
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3.3.1等高线离散化法 – 所谓的等高线离散化法，实际上就是用等高线 上的高程点插值，并将这些高程点看作是不规 则分布数据，并不考虑等高线特性。
则Delaunay三角网的排列得到的数值最大，从这个意义上 讲，Delaunay三角网是“最接近规则化”的三角网。
参考 邬伦 地理信息系统－－原理、方法和应用
30
Delaunay三角形网的通用算法－逐点插入算法 1. 构造初始三角形。 2. 将点集中的其它散点依次插入，如插入点P，在
三角形链表中找出其外接圆包含插入点P的三角 形（称为该点的影响三角形），删除影响三角形 的公共边，将插入点同影响三角形的全部顶点连 接起来，从而完成一个点在Delaunay三角形链表 中的插入。
19
数字地貌模型（Degital Geomorphology Model,DGM）
• 高程是地球表面起伏形态最基本的几何量，除高程外，地形表 面形态还可通过坡度、坡向、曲率等进行地貌因子描述，这些 地貌因子是高程直接或间接的函数，通过DEM可以提取这些地 貌因子。对DEM的格网单元，在保持平面位置不变的情况下， 用相应位置上的地貌因子取代高程，就可以得到该地貌因子的 数字模型，如，用坡度取代高程，则形成数字坡度模型。
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