第三章 DEM数据获取

我国地形图比例尺系列及其特征
缺点：



1)地形图现势性较差：纸质地形图制作工艺复杂，更新周 期比较长，一般不及时反映局部地形地貌的变化情况。这 种情况在经济发达地区的表现尤为明显，但对于地形地貌 变化较小的地区，既有地形图是DEM物美价廉的数据源。 2)地形图存储介质单一，容易变形：传统地形图多为纸质 存储介质，存放环境（温度、湿度等）导致地形图图幅产 生不同程度的变形，这种变形表现在不同方向上的长度变 形和图幅面积上的变形。 3)地形图精度有限：地形图精度决定着地形图对实际地形 表达的可信度，与地形图比例尺、等高线密度（由等高距 表示）、成图方法有关。不同比例尺的地形图，其所表示 的几何精度和内容详细程度有很大的差别。
（3）地面测量数据 原理：用GPS，全站仪、经纬仪在已知站点的测站上，观 测目标点的方向、距离和高差三个参数，进而计算出目标 点的三维坐标。在经过适当的转换获得高程。
优点：可获取较高精度的高程数据 不足：工作量大、周期长、更新困难，费用高。
（4）既有DEM数据
我国到目前为止，已经建成了覆盖全国范围的1:100万、 1:25万、1:5万数字高程模型，以及七大江河重点防洪 区的1:1万DEM，省级1:1万数字高程模型的建库工作也 已全面展开。
（3）基于特征的采样观点（地形曲面的几何特征）
形态各异的地形表面通过具有特征意义的点和线划分为一系 列单一的地貌形态。点和线具有不同的地形信息。 特征要素：地形特征点和特征线 特征点：山顶、洼地、鞍部、山脚点、山脊点、山谷点等。 不仅能表示出自己的高程信息，还能给周围点更多的地形信 息。 特征线：山脊线、山谷线、断裂线（陡坎、海岸线、水涯线 等）——将特征点相连形成。
遥感数据的不确定性来源 数据固有的不确定性 数据获取过程的不确定性 数据处理的不确定性 数据转换和传输中的不确 定性 数据分类和信息提取中的 不确定性
IKONOS(伊科诺斯)卫星于1999年9月24日发射成功，是世界上第一颗提 供高分辨率卫星影像的商业遥感卫星。IKONOS卫星的成功发射不仅实现 了提供高清晰度且分辨率达1米的卫星影像，而且开拓了一个新的更快 捷、更经济获得最新基础地理信息的途径，更创立了崭新的商业化卫星 影像的标准。
（1）统计学观点：DEM表面可以看作是点的特定集合（采样 空间）有随机采样和系统采样两种方法。因此，对特定集合 的研究可以转化为对采样数据的研究。 随机采样：对各采样点以一定概率进行选择，各点被选中的 概率各不相同（若概率相同则为简单随机采样）。 系统采样：也称规则采样，以预先设定的方式（如谷底线取 高程最小的特征点）确定采样点，各采样点被选取的概率为 100%。
（4）渐进采样（Makarovic,1973）：小区域的格网间距逐 渐改变，而采样也由粗到精地逐渐进行。 优点：渐进采样能解决规则格网采样方法所固有的数据冗 余问题。 缺点：在地表突变邻近区域内的采样数据仍有较高的冗余 度；有些相关特性在第一轮粗略采样中有可能丢失，并且不 能在其后的任一轮采样中恢复；跟踪路径太长，导致时间效 率降低。
全色波段（Panchromatic band），因为是单波段，在图上显示是灰度 图片。全色遥感影象一般空间分辨率高，但无法显示地物色彩。 实际 操作中，我们经常将之与波段影象融合处理，得到既有全色影象的高分 辨率，又有多波段影象的彩色信息的影象。
ASTER搭载在Terra卫星上的星载热量散发和反辐射仪，是 于1999年12月18日发射升空的，由日本国际贸易和工业部 制造。ASTER是唯一一部高分辨解析地表图像的传感器，其 主要任务是通过14个频道获取整个地表的高分辨解析图像 数据－黑白立体照片。在4到16天之内，当ASTER重新扫描 到同一地区，它具有重复覆盖地球表面变化区域的能力。
（3）数据的精度：是指数据点本身所具有的精确度，是数 据获取过程中各种不同类型误差的综合反映。 采样数据精度与数据源、数据的采集方法和数据采集的仪 器密切相关。 野外测量、影像、地形图扫描的精度从高到低。 激光扫描、干涉雷达的精度是非常高的。 摄影测量比GPS的精度要高，达到厘米级。地形图的手扶 跟踪和扫描矢量化的图（topographic map）指的是地表起伏形态 和地物位置、形状在水平面上的投影图。具体来讲，将地 面上的地物和地貌按水平投影的方法，并按一定的比例尺 缩绘到图纸上，这种图称为地形图。 特点： （1）具有统一的大地坐标系统和高程系统：统一采用 “1980年中国国家大地坐标系”和“1985国家高程基准”。 以参考椭球中心为原点、起始子午面和赤道面为基准面的 地球坐标系。 （2）具有完整的比例尺系列和分幅编号系统：国家基本 地形图含1：5千、1：1万、1：2.5万、1：5万、1：10万、 1：25万、1：50万、1：100万8种比例尺地形图。国家基 本地形图，按统一规定的经差和纬差进行分幅，每幅图的 内图廓皆由经线和纬线构成，并在国际百万分之一地图分 幅编号的基础上，建立了各级比例尺地形图的图幅编号系
3.3 DEM数据采样策略与采样方法
采样数据点的分布与研究区域地貌类型、所采用的设备有关。
采样数据的分布
二维规则格网 规则分布 特殊规则分布 一维分布 不规则分布 链表分布 随机分布 按矩形格网分布采样数据点 按正方形格网分布采样数据点 按三角形分布采样数据点 按六边形分布采样数据点
剖面
沿等高线采样数据点 沿断裂线等特征线分布采样数据点 随机分布采样点
3.2.1 采样的理论背景
理论上：点—0维，无大小，地表全部几何信息包含无数个 点，不可能获取地表全部信息。
实践上：不需要DEM表达全部信息，测量表达相应地表所需 要的数据点，达到地形表面精度和可信度即可。
DEM采样的实质是如何用有限的地面高程点来表达完整的地 形表面。
3.2.2 基于不同观点的采样
（2）几何学观点：DEM表面通过不同的几何结构来表示，这 些结构按其自身的性质可分为规则和不规则两种形式。 规则结构据其在空间表现可分为： 一维结构：对应的采样方法为剖面法或等高线法。 二维结构：通常为正方形或矩形、等边三角形、六边形或 其他规则几何图形。 不规则结构：不规则三角形或多边形。
（5）选择性采样：为了准确反映地形，可根据地形特征进 行选择性的采样，例如沿山脊线、山谷线、断裂线以及离 散特征点（如山顶点）等进行采集。这种方法的突出优点 在于只需以少量的点便能使其所代表的地面具有足够的可 信度。
（2）数据的密度：是指采样数据密集程度，与研究区域的 地貌类型和地形复杂程度相关。用于刻画地形形态所必须的 最少的数据点。 表示方法：相邻的两点之间的距离、单元面积内的点数、 截止频率（采样数据所能表示的最高频率）、单位线段上的 点数等。 采样距离：相邻两采样点之间的距离，也称采样间隔。采 样距离为20米，表示规则格网分布的采样数据。每平方米 500点，描述随机分布的采样数据。单位线段上的点数，每 米2点，描述数据分布是沿等高线或特征线等线状分布采样 点。
3.3.1 采样策略
（1）沿等高线法：采样时将Z轴固定，即固定高程值沿等高 线采集高程点。平坦地区不宜使用。
（2）规则格网采样：通过规定X和Y轴方向的间距来形成平 面格网，在立体模型上量测这些格网点的高程值。 规则格网采样能确保所采集数据的平面坐标具有规则的格网 形式。
（3）剖面法：类似于规则格网法，唯一的区别是在格网法 中量测点是在格网的两个方向上都规则采样，而在剖面法中， 只沿一个方向即剖面方向上采样；在剖面法中，通常情况下 点以动态方式量测，而不像在规则采样中以静态方式进行。
（4）地形的复杂程度 地形曲面的复杂程度是地形数据采样时必须考虑的又一个因素。 关于地形的复杂程度可以用粗糙度和不规则性来描述。 通过坡度可以完整的形成地形曲 面。 坡度是地形曲面函数的一阶微分 函数，表达了高程随距离变化的比 率。坡度的变率是地形曲面的二阶 微分，反映了地形的复杂程度。 区域DEM高程精度与平均坡度值之 间存在较强相关，通过模型的平均 坡度可预测DEM的精度。 坡度通过相互垂直的两个坐标轴 方向的高程变化表达地形曲面局部 单元的倾斜程度（地表的陡峭方向 和大小）。
IKONOS是可采集1米分辨率全色和4米分辨率多光谱影像的商业卫星，同 时全色和多光谱影像可融合成1米分辨率的彩色影像。目前，IKONOS已 采集超过2.5亿Km2涉及每个大洲的影像，许多影像被广泛用于国家防御 ，军队制图，海空运输等领域。从681千米高度的轨道上，IKONOS的重 访周期为3天，并且可从卫星直接向全球12个地面站地传输数据。
（5）地貌单元类型
不同行业对地貌类型的划分标准不一样，如地貌学中根据地貌成因将地 形划分成黄土地貌、风成地貌、喀斯特地貌、丹霞地貌等类型。
不同的地貌类型划分对DEM数据采集有一定的指导意义，如黄土地貌破 碎，要分布较多的采样点，而平原地区高程数据的精度要求比较高（对坡 向、流域网络影响比其他地区要大）。
高山地
20
大于25度
大于600
3.2.3 采样数据的属性
采样：确定在何处需要测量点的过程，这个过程有三个参数。 决定：点的分布、点的密度和点的精度。 （1）采样数据的分布：由数据位置和结构来确定，指数据 点的分布形态。
位置由地理坐标系统中经纬度或格网坐标系统中坐标决定。 结构（分布）的形式很多，因地形特征、设备、应用的不 同而不同。 结构（或分布）的类别之间没有明显的界限和标准，实际采 样时相互之间很多时候是重叠的。
测绘学中一般根据地表坡度和高差对地形进行分类，并根 据这种分类确定地形图的等高距（表）
表 1∶5万地形图坡度与高差分级[据李志林等，2003] 地形类别 平地 丘陵地 山地 基本等高距（米） 地形坡度（度） 10（5） 10 20 2度以下 2度-6度 6度-25度 高差（米） 小于80 80-300 300-600
第三章 DEM数据获取方法
内容提纲
3.1 DEM数据源及特征
3.1.2 DEM数据源特征
（1）遥感图像
遥感：源于航空摄影测量，是一种利用地物反射或辐射电磁波的固有特性， 通过观测电磁波，识别地物及其存在环境的技术。 当前的遥感技术已经发展成为一种多平台、多波段、多分辨率和全天候的 对地观测技术，并正朝着高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率的 方向发展。 高光谱分辨率：在紫外到中红外波段范围内，划分成许多非常窄且光谱连 续的波段来进行探测的遥感系统。 国际遥感界的共识是光谱分辨率在λ /10数量级范围的称为多光谱 (Multispectral)，这样的遥感器在可见光和近红外光谱区只有几个波段， 如美国 LandsatMSS，TM，法国的SPOT等;而光谱分辨率在λ /100的遥感信 息称之为高光谱遥感(HyPerspectral);随着遥感光谱分辨率的进一步提高， 在达到λ /1000时，遥感即进入超高光谱(ultraspeetral)阶段(陈述彭等， 1998)。