第五章 数字高程模型

地形特征提取——水文分析
水文分析与计算是对所研究的水文变量或过程，作 出尽可能正确的概率描述，对防止水旱灾害和开发、利 用、保护水资源的工程或非工程措施的规划、设计、施 工以及管理运用有着重要的意义，也是DEM数据应用的 一个重要方面，主要用于研究与地表水流有关的各种自 然现象比如：洪水水位及泛滥情况或者可以划定受污染 源影响的地区、以及预测当改变某一地区的地貌时对整 个地区造成的后果等。 在城市和区域规划、农业及森林等许多领域对地球 表面形状的理解很重要。这些领域需要知道水流怎样经 过某一地区，以及这个地区的地貌的改变会以什么样的 方式影响水流的流动。
(1) 坡度和坡向分析
• 坡度定义为水平面和地形表面之间夹角的反正 切值；坡向为坡面法线在水平面上的投影与正 北方向的夹角。
ARC/VIEW提取地面坡度图示例 ARC/VIEW提取地面坡向图示例
（2）地表曲率的计算
地面剖面曲率计算 • 地面的剖面 曲率(profile curvature)其 实质是指地 面坡度的变 化率，可以
以地形图为数据源建立DEM
以地面实测记录为数据源
• 用电子速测仪(全站仪)和电子手簿或测距经纬仪 配合PC1500等袖珍计算机，在已知点位的测站 上，观测到目标点的方向、距离和高差三个要素。 计算出目标点的x、y、z三维坐标，存储于电子 手簿或袖珍计算机中，成为建立DEM的原始数据。 这种方法一般用于建立小范围大比例尺(比例尺 大于1：5000)区域的DEM，对高程的精度要求 较高。另外气压测高法获取地面稀疏点集的高程 数据，也可用来建立对高程精度要求不高的 DTM。
汇流累积量提取结果
2 2 1 128 2 1 2 2 1 128 2 1 2 2 2 1 1 1 4 4 4 2 4 1 4 4 8 4 4 4 8 8 4 8 4 16
水流方向矩阵
32 16 8
64 K 4
128 1 2
汇流累积量矩阵
汇流累积量提取结果
0
0 0 0 0 0
0
1 3 0 0 2
0
地面晕渲图
(a) 光源来自西北产生正 立体 (b) 光源来自东南产生反 立体
由DEM产生的地面晕渲图
地面晕渲图
3、DTM的地形分析
• 尽管DTM的应用十分广泛，但地形分析 是其基本应用，其它应用都可由此推演、 扩展。地形分析的内容有地形因子提取、 地表类型分类以及剖面图的绘制等。现以 栅格结构的DTM为例讨论地形分析。
水文分析——水流方向
在空间分析工具——水文分析模块 1经过填洼（fill）处理后 2进行水流方向分析(flow direction)
水流方向提取原理
78 74 69 64 68 74 72 67 53 58 61 53 69 56 44 55 47 34 71 49 37 22 21 12 58 46 38 31 16 11 49 50 48 24 19 12
水文分析——提取栅格河网
河网的提取采用的是地表径流漫流模型，通过 模拟地表径流的流动来产生水系。 A、在无洼地的DEM上计算出每一个栅格的水流方向 矩阵； B、根据自然水流由高处流到低处的自然规律利用水流 方向矩阵计算出汇流累积量； C、当汇流累积量达到一定值得时候，就会产生地表水 流，所有汇流累积量大于临界值的栅格就是潜在的 水流路径，由这些水流路径构成的网络就是河网。
左航片 全数字摄影测量
右航片
DEM
以地形图为数据源
• 主要以比例尺不大于1：1万的国家近期地形图为数据源，从 中量取中等密度地面点集的高程数据，建立DTM。其方法有 下列几种：
– 手工方法采用方格膜片、网点板或带刻划的平移角尺叠置在地形图上， 并使地形图的格网与网点板或膜片的格网线逐格匹配定位，自上而下， 逐行从左到右量取高程。当格网交点落在相邻等高线之间时，用目视 线性内插方法估计高程值。它的优点是几乎不需要购置仪器设备，而 且操作简便。 – 手扶跟踪数字化仪采集采集方式有：沿主要等高线采集平面曲率极值 点，并选采高程注记点和线性加密点作补充；逐条等高线的线方式连 续采集样点，并采集所有高程注记点作补充，这种方式适用于等高线 较稀疏的平坦地区；沿曲线和坡折线采集曲率极值点，并补采峰—鞍 线和水边线的支撑点，分别以等高线，峰—鞍链和边界链格式存储。 – 扫描数字化仪采集这种方式采集速度最快，但目前仅能以扫描分版等 高线图方式采集高程。随着研究的不断深入，一些难点和瓶颈问题被 解决，从地图扫描数据中自动地建立DTM技术必将达到实用水平。
平地垫高算法—— Martz和Garbrecht算法
用高程增量叠加算法处理平地。对平地范围内的单元格增加一微小增量，每 个单元格的增量大小是不一样的，就可以消除平地。
• 在经过填充洼地后的DEM （Filled Dem），流水可以畅通无阻地流至区域 地形的边缘。 • 在经过填充洼地后的DEM是流向分析的 基础
地面坡度数字矩阵 slope of slope 地面剖面曲率数字矩阵 原始DEM数据 slope of DEM
通过计算地
面坡度的坡 度而求得。
地面剖面曲率提取方法
地面剖面曲率图
地面平面曲率计算
• 地面的平面 曲率(plan curvature) 是指地面坡 向的变化率， 可以通过计 算地面坡向 的坡向而求 得.
其它数据源
• 采用近景摄影测量在地面摄取立体像对，构造 解析模型，可获得小区域的DTM。此时，数据的 采集方法与航空摄影测量基本相同。这种方法 在山区峡谷、线路工程和露天矿山中有较大的 应用价值。
• 另外，航空测高仪可获得精度要求不太高的高 程数据，也可以依此来构造DTM。
2、DTM的表示方法
数学方法 用数学方法来表达，可以采用整体拟合方法或局部拟合方法将地 表复杂表面分成规则或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。 图形方法 线模式 等高线是表示地形最常见的形式。其它的地形特征线也是表达 地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线 等。 点模式 数据采样可以按规则格网采样，可以是密度一致的或不一致的； 可以是不规则采样，如不规则三角网、邻近网模型等；也可以有选 择性地采样，采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点。
第五章 数字高程模型
一、概述
二、DEM的数据采集与表示方法
1、DTM的数据源与采集方法
以航空或航天遥感图像为数据源
这种方法是由航空或航 天遥感立体像对，用摄 影测量的方法建立空间 地形立体模型，量取密 集数字高程数据，建立 DTM（见图）。采集数 据的摄影测量仪器包括 各种解析的和数字的摄 影测量与遥感仪器。
2
2 1 128 2 1
2
2 1 128 2 1
2
2 2 1 1 1
4
4 4 2 4 1
4
4 8 4 4 4
8
8 4 8 4 16
原始DEM 矩阵
1东2东南4南8西南16西 32西北64北128东北 除这些值以外的其他值代表流向 不确定，这是由dem中的“洼地” 或“平地”现象造成的。
水流方向矩阵
水流方向提取结果
DEM
4）曲面拟合
内插
DEM内插的算法
三、DTM在地图制图与地学分析中的应用
DTM在科学研究与生产建设中的应用是多方面的，这里
不可能将其所有的应用方面进行全面、系统的探讨，而
仅以DTM在地学分析与地图制图中有典型意义的几个应 用为例证说明其应用的基本思路和方法。它也将向我们 展示栅格数据系统分析和应用的基本要点，对于帮助我 们增强对栅格数据在地学信息自动处理中的作用和意义 的理解有着十分重要的意义。
1 7 0 0 4
0
2 5 20 1 7
0
2 4 0 24 35
0
0 0 1 0 2
水流方向矩阵
32 16 8
64 K 4
128 1 2
汇流累积量矩阵
汇流累积量提取结果
• • • • • •
水文分析步骤 在空间分析工具——水文分析模块 1经过填洼（fill）处理后 2进行水流方向分析(flow direction) 3汇流量分析（flow accumulation） 4提取河网
水系
Watershed 流域
(Basin, Catchment, Contributing area)
Watershed Boundaries
(Drainage Divides) 流域边界
汇流点Pour Points (Outlets)
水文分析——数据预处理
DEM水平和垂向的分辨率、DEM生成过程的内插、 以及内插精度和网格单元内高程信息取平均等原因造 成DEM中存在凹陷洼地和平地。
绘制等高线
2、利用DEM绘制地面晕渲图
• 晕渲图是以通过模拟实际地面本影与落影的方法 有效反映地形起伏的重要的地图制图学方法。在 各种小比例尺地形图、地理图，以及各类有关专 题地图上得到非常广泛的应用。但是，传统的人 工描绘晕渲图的方法不但费工、费时，而且带有 很大的主观因素。而利用DEM数据作为信息源， 在地面光照通量数学函数为自变量，计算该栅格 应选用输出的灰度值。由此产生的晕渲图具有相 当逼真的立体效果。
原始DEM数据 aspect of DEM 地面坡向数字矩阵 aspect of aspect 地面平面曲率数字矩阵 地面平面曲率提取方法
地面平面曲率图
通视分析
通视分析
• 通视性分析也称道视分析，它实质属于对地形进 行最优化处理的范畴，比如设置雷达站、 电视 台的发射站、道路选择、航海导航等，在军事上 如布设阵地(如炮兵阵地、电子对抗阵地)、设置 观察哨所、铺架通信线路等。 • 通视性分析的基本因子有两个，一个是两点之间 的通视性(Intervisibility)，另一个是可视域 (ViewShed)，即对于给定的观察点所覆盖的区域。
●使用三维函数模