数字高程模型的可视化
详解测绘技术中的数字高程模型生成与分析方法
详解测绘技术中的数字高程模型生成与分析方法数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是测绘技术中的一项重要应用，用于描述地球表面的高度信息。
它利用测量数据和数学算法将地形表面离散化成一系列的高度点，形成一个三维模型。
本文将详细介绍数字高程模型生成与分析方法，涵盖数据获取、处理和应用等方面。
一、数据获取数字高程模型的生成离不开高质量的数据，主要分为航空遥感影像、卫星遥感影像和激光雷达数据三种类型。
1. 航空遥感影像航空遥感影像是通过航空器进行飞行拍摄得到的影像数据，具有较高的分辨率和覆盖范围。
常用的航空遥感影像有航空摄影和航空激光雷达数据。
航空摄影利用相机拍摄地面影像，而航空激光雷达则通过发射激光束并测量其返回时间来获取地面高度信息。
2. 卫星遥感影像卫星遥感影像是通过卫星载荷获取的影像数据，具有较大的范围和全球覆盖能力。
卫星遥感影像常用的分辨率有中分辨率（30m-60m）和高分辨率（1m-10m）两种。
它们适用于较大尺度的地形分析，在城市规划、土地利用等方面有广泛应用。
3. 激光雷达数据激光雷达是一种主动遥感技术，通过发射激光束并测量其返回时间来获取地面高度信息。
激光雷达数据具有高精度、高密度等特点，适用于细致地形分析和建模。
然而，激光雷达数据成本较高，获取和处理难度也较大。
二、数据处理生成数字高程模型需要对获取的原始数据进行处理和分析，主要包括数据校正、滤波和插值等步骤。
1. 数据校正数据校正是指将原始数据转换为地理坐标系或投影坐标系下的数据。
在处理航空摄影影像时，需要进行内外方位校正，即校正摄像机的位置和姿态参数。
对于激光雷达数据，则需要进行大气校正、地表反射率校正等操作，以提高数据的准确性和可靠性。
2. 滤波在数据处理过程中，会受到各种干扰和误差的影响，如地物的遮挡影响、采样误差等。
为了去除这些干扰，需要进行滤波操作。
常用的滤波方法有均值滤波、中值滤波和高斯滤波等，通过对数据的平滑处理，可以提高数字高程模型的精度和可靠性。
数字高程模型的创建与分析
数字高程模型的创建与分析数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是用于描述地表地形形态的重要工具。
创建和分析DEM可以帮助我们更好地理解地表地形，对于地理科学、城市规划、水资源管理等领域具有重要意义。
本文将介绍数字高程模型的创建和分析方法，并探讨其在不同领域的应用。
一、数字高程模型的创建数字高程模型的创建主要包括数据采集、数据处理和数据插值三个步骤。
首先，需要收集地形数据，常用的数据来源有航空航天遥感数据、地面测量数据和卫星遥感数据等。
这些数据可以包括高程点、地形曲线、高程线等。
其次，在数据处理阶段，需要对收集到的数据进行预处理，包括去除噪声、填补数据空缺等。
最后，在数据插值阶段，需要使用插值算法将离散的数据点插值为连续的高程表面。
常用的插值方法有反距离加权法、样条插值法等。
二、数字高程模型的分析数字高程模型的分析主要包括可视化分析、剖面分析和地形指数分析三个方面。
首先，可视化分析可以将数字高程模型以立体、等高线、坡度等方式可视化展示，帮助我们更好地理解地表地形的分布特征。
其次，剖面分析是通过选择两点，提取其之间的剖面线数据，并进行分析。
这可以帮助我们研究地表地形的变化趋势、地形起伏程度等信息。
最后，地形指数分析通过计算一系列地形指数，如坡度指数、坡向指数等，来探究地形特征的空间分布规律。
三、数字高程模型的应用数字高程模型在各个领域都有广泛的应用。
在地理科学领域，数字高程模型可以帮助我们研究地表地形的形成和演化，探索地球科学的基本规律。
在城市规划领域，数字高程模型可以模拟城市的地形特征，为城市规划和土地利用提供科学依据。
在水资源管理领域，数字高程模型可以用于水文模拟和水资源评估，帮助我们合理规划水资源利用。
此外，数字高程模型还可以应用于环境保护、农业生产等领域，为相关研究提供支持。
总结起来，数字高程模型的创建和分析是一项重要的地理科学研究工具。
通过数字高程模型的创建，可以真实、准确地描述地表地形的形态，为后续的分析提供基础数据。
测绘技术中的数字高程模型的可视化方法
测绘技术中的数字高程模型的可视化方法在测绘领域中，数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）被广泛应用于地形分析、地理信息系统和工程规划等方面。
随着计算机技术的发展和大数据时代的到来，如何准确、高效地进行数字高程模型的可视化成为了一个重要的课题。
数字高程模型是地球表面上各点的海拔高度数据在某个地理坐标系统下的数值表示。
简单来说，它可以将地形特征以数字的形式呈现出来。
数字高程模型的可视化是通过将这些数字数据转化为图像或模型的方式展示出来，使人们更直观地理解地球表面的形貌。
在数字高程模型的可视化过程中，有几种常用的方法。
首先，最简单的方式是使用等高线图。
等高线图将地形特征以等高线的形式呈现，可以通过线条的密集程度来表示地形的陡峭程度，从而提供给用户一个直观的感受。
然而，等高线图的缺点是信息密度相对较低，不适合展示大范围的地形。
为了更好地显示地形的细节，数字高程模型的可视化方法逐渐发展出了其他的方式。
其中之一是灰度着色。
通过将数字高程模型中每个像素的数值转化为灰度值，可以生成一幅灰度图像，从而将地形表面的高度信息直观地展示出来。
这种方法在地形分析和工程规划中被广泛应用。
然而，灰度着色方式只能提供一个维度的信息，无法反映地形的多样性。
为了克服灰度着色方式的局限，彩色着色成为了一种新的数字高程模型的可视化方法。
通过将不同高度区域用不同颜色进行填充，可以更直观地显示地形的多样性和细节。
彩色着色方式通常采用蓝色表示低海拔区域，红色表示高海拔区域，中间的过渡区域则使用绿色或其他颜色来表示。
这种可视化方法适合展示山脉、峡谷等地形特征。
近年来，随着虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术的发展，数字高程模型的可视化方式也得到了革命性的进步。
通过将数字高程模型与虚拟现实技术相结合，可以实现用户身临其境的体验。
用户可以通过佩戴VR头盔和手柄，自由地在虚拟地球表面中进行探索。
如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化
如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是通过对地球表面进行测量和数据处理而生成的三维地形模型。
它提供了地形地貌的详细描述，为地质学、地理学、城市规划等学科的研究和实践提供了重要且丰富的数据来源。
本文将介绍如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化。
一、数字高程模型的获取与处理数字高程模型可以通过多种方法获取，包括激光雷达测量、航空测绘、卫星遥感等技术手段。
获取到的原始DEM数据需要进行处理和加工，以便更好地应用于地形分析和可视化。
常见的DEM处理方法包括数据插值、滤波、剖面分析等。
1.数据插值数据插值是将不连续的离散高程数据拟合成连续的地形表面。
常用的插值方法有反距离加权插值（IDW）、克里金插值等。
插值结果将提供高程数据的连续性和平滑度，为地形分析提供了基础。
2.滤波滤波是用来去除DEM数据中的噪声和异常值，以提高地形数据的准确性和可靠性。
常用的滤波方法有中值滤波、高斯滤波等。
滤波后的DEM数据更加真实和可靠，减少了误差和不确定性。
3.剖面分析剖面分析是通过选择不同的地理剖面线，提取DEM数据的高程数值，以便更好地了解地形地貌的特征和变化趋势。
剖面分析可以帮助我们理解地质构造、水文河流等地理现象，提供更深入的地形信息。
二、地形分析与可视化方法使用数字高程模型进行地形分析和可视化的方法有很多，以下将介绍几种常见的方法。
1.坡度与坡向分析坡度与坡向分析可以帮助我们了解地表的倾斜程度和朝向。
通过计算每个像元（栅格单元）的坡度和坡向数值，可以构建坡度和坡向分布图，进而分析地形地貌的起伏和走向。
这对于地质勘探、土地利用规划等方面具有重要意义。
2.流域分析与水系提取流域分析是指根据数字高程模型的数据，确定地表上的集水区和河流网络。
通过提取DEM中的河流网络，可以了解地表水文过程的分布与特征。
流域分析对于洪水预警、水资源管理等方面具有重要意义。
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PPT演示课件
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
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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
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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。
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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。
dem应用案例
dem应用案例DEM（数字高程模型）是一种基于数字技术生成的地形模型，它利用地理空间数据进行三维可视化，可以提供三维网格数据、数字图像以及地形功能分析。
DEM应用案例多种多样，以下就几个比较典型的案例进行介绍。
一、DEM在土地利用规划中的应用中国自然资源部、国土资源部共同发布的土地利用现状分类标准中，要求使用降尺度方法将Landsat TM遥感影像数据制作成1:10万或更小比例尺的土地利用现状数据和土地覆盖数据，而DEM便是实现此任务的重要工具之一。
DEM可用于生成坡度、坡向、高程、流域等空间分析用的参数，而这些数据的加入有助于土地利用规划的有效实现。
DEM在土地利用规划中的应用，能够实现可视化的、多维度的数据展示，使规划人员在规划过程中更好的把握地形、水力等信息，拓展规划的视野。
二、DEM在城市规划中的应用DEM可以较为清晰的反映城市地面地形的真实情况。
地形地貌是影响城市规划的重要要素之一，采用DEM计算高程、坡度、水路网络、土地利用等数据，可对城市规划、道路规划、变电站选址等工作提供科学的数据支撑。
DEM在城市规划中的应用，亦可辅助城市市政工程的调查及设计。
比如，在提升城市道路的排水能力时，创建DEM的高程数据、坡度数据，可为相关工程提供高效准确的参考。
三、DEM在农业生态方面的应用DEM可结合其他生态地理信息系统，利用空间分析技术，分析土地的适宜程度，提高耕地的利用效率。
农业生态信息系统的生成过程中，可通过DEM生成数字高程模型，根据高程地形、坡度、坡向、景观指数及生态因素、气象因素等，模拟群落/植被生态系统等生态过程，为农业生态平衡提供有力支持。
因此，DEM在农业生态方面的应用不仅可以确保水土保持、防止水土流失，减轻农作物的生育过程；同时可以在节约资源的基础上使整个饲养产业生态化和科学化。
总之，DEM具有广泛的应用领域，它能够帮助相关领域的研究人员有效地探索数据之间的关系，并进行更准确的预测。
如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化
如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是一种以数字格式表示地表或地球表面高程的模型。
DEMs广泛应用于地形分析与可视化领域，为研究人员和决策者提供了有关地形特征和地表变化的重要信息。
本文将探讨如何使用数字高程模型进行地形分析与可视化，以及相关的应用领域和工具。
一、数字高程模型简介数字高程模型是根据地形测量数据和遥感数据创建的数字化地表模型。
它以矩阵形式存储高程数据，每个单元格代表一个特定地点的高程值。
DEM的制作可以通过多种技术手段实现，如激光雷达测量、航空摄影测量和卫星测量等。
数字高程模型是地形分析与可视化的基础数据，可以用于生成三维地形模型、计算坡度和坡向、提取水流网络和流域边界等。
此外，DEM还可结合其他数据，如遥感影像和地质地球化学数据，实现更精确的地表分析和模拟。
二、地形分析地形分析是通过数字高程模型对地形特征进行定量描述和解释的过程。
它可以帮助人们了解地形的变化、揭示地质构造和地貌形成机制，并为环境保护、城市规划和资源管理等领域提供科学依据。
以下是常见的地形分析方法：1. 坡度和坡向坡度是指地表在水平方向上的倾斜程度，通过计算相邻格点之间的高程差得到。
坡度的大小可以反映地表的陡缓情况，对于土地利用、水文模拟等有重要影响。
坡向是指地表在水平方向上的朝向，可以用于制作景观图和风向分析。
2. 流域分析流域是在地貌上具有一定独立性的地理单元，它由一系列相互联系的水流组成。
通过分析数字高程模型，可以提取出流域的边界、水流路径和集水区的范围。
这对于水资源管理、洪水预测和水文模型的建立非常重要。
3. 剖面分析剖面分析是通过选择两个地点在数字高程模型上绘制高程剖面图，以了解地表的起伏和变化情况。
这对于道路设计、地震研究和地形变形监测具有重要意义。
三、地形可视化地形可视化是将数字高程模型中的高程数据转化为可视化效果的过程。
通过地形可视化，人们可以更直观地观察地形特征和地貌变化。
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A L P B C R
x
扫描线
扫描线与三角形边交点的灰度为：
graylevel L graylevel A graylevel R graylevel A
yk y A ( graylevelC graylevel A ) yC y A yk y A ( graylevel B graylevel A ) yB y A
（6）纹理映射
2）凹凸纹理：模拟表面细小凹凸； 凹凸纹理生成方法是在光照模型计算中使用扰动 法向量，直接计算物体粗糙表面 凹凸纹理主要用来表示不太平滑的表面，如：近 距离观察的地面；
第八讲 数字高程模型的可视化
“人脑的神经细胞有一半以上用于处理和理解视觉输
出。因此，为了在对付大量的数字数据的科学能力 上达到最佳，人必须最大限度地利用其极为重要的 视觉器官”。
－Levine
一、可视化的概念及发展
可视化包括图像的理解和综合，也就是说， 可视化是一个工具，用来解释输入计算机 中的图像数据和根据复杂的多维数据生成 图像。它主要研究人和计算机怎样协调一 致地接受、使用和交流视觉信息。 可视化是人脑中形成对某件事物（人物） 的图像，是一个心智处理过程，促进对事 物的观察及概念的建立等。
（4）光照模型
识别可见面之后，需要分解成像素进行着 色，称为明暗处理；处理实质是模拟光源 照射效果，计算像素亮度； 光照处理是通过光照模型进行处理； 反射方式有漫反射和镜面反射，地面光照 条件一般二者都要模拟；
（4）光照模型
光照模型是指根据光学物理的有关定律， 计算景物表面上任一点投向观察者眼中的 光亮度的大小和色彩组成的公式。 光照模型需要模拟光的漫反射和镜面反射。
地形可视化技术
二、地形可视化方法
(1)写景法： 早期地形表现 方法，地貌采 用原始的绘制 方法，表现从 侧面看到的山 地、丘陵的仿 真图形；
——《广州府舆图》（清代）
二、地形可视化方法
(2)等高线法：用一定间隔（高差）等高线组合 来反映地面起伏，可以反映地面高程、山体、坡 度、坡形、山脉走向等基本形态变化； (3)分层设色法：等高线地图的再加工，按照一 定设色原则，给不同的高度带设置不同颜色；
(3)可见面识别
深度排序法（画家算法）：将三角形按照到视点 距离排序，然后从远到近处理每一个三角形； Z-buffer（深度缓冲法） ：Z是指模型的坐 标,Buffer是缓冲器，Z-Buffer法是根据缓冲器 里物体的深度信息坐标来确定隐藏面的。 光线跟踪法（Ray Tracing）：从视点出发， 通过屏幕像素向场景投影一光线，交场景中的第 一个交点（可见点），并置相应像素的光亮度为 交点处的光亮度，从而绘制出一幅完整的真实图 形。（4Fra bibliotek光照模型
漫反射模型：
Lambert模型， I=IdKdcosA Id是光源强度；Kd是 漫反射系数；A为L和 N之间的夹角； L(光源)
N(法向)
A 地面 漫反射
（4）光照模型
镜面反射模型：
Phong模型， I=IsW(A) cosnB W(A)为表面反射系数， 0<W(A)<1 N为会聚系数，表面越 光滑，N越大。 L(光源)
（6）纹理映射
灰度图像只是表现地形起伏变化，要表示地表的 要素特征，需要添加表面细节； 在三维物体上加绘的细节称之为纹理； 纹理的生成属于表面修饰，可以大幅度提高图形 真实感；
（6）纹理映射
1）颜色纹理：通过颜色或明暗变化来体现； 生成颜色纹理需要预先定义纹理图案（纹 理空间）通过纹理映射来表现； 颜色纹理主要表现较光滑表面，比如较高 高空观察的地面
一、可视化的概念及发展
地图学就是研究地理数据和属性的可视化 的学科； 表格、图解、照片等是地学研究的可视产 品； 地理信息系统是地学研究可视化分析的有 效手段；
一、可视化的概念及发展
地形可视化是地理信息可视化的重要研究 内容； 尤其是DEM的应用以及数字地形分析技术、 虚拟现实技术的发展使得地形可视化研究 取得较大的进展； 地形可视化技术在数字城市、数字河道、 数字流域等研究领域起着重要作用；
明暗等高线示意图
二、地形可视化方法
(4)渲晕法：地图生产产生立体效果的 主要方法，描绘一定光照条件下的地貌 光、暗效果，通过人视觉心理间接感受 山体起伏变化；
(5)实景照片
三、高度真实感图形生成
将模拟场景变成二维灰度阵列， 用灰度曲 面取代传统线划图； 将经过细分的DEM描绘成灰度浓淡的图像， 类似相片的观察效果一般称之为真实感图 形；
N(法向) 反射 视点 A A
B 地面
镜面反射
（4）光照模型
Phong光照模型：
（漫反射和镜面反射综合模型） I=KaIa+∑[IdKdcosA＋ IsW(A) cosnB] KaIa表示环境光强度；
给定光源的亮度和颜色以及地面的各种光反射系数，对于 地面上的某一点，只要算出它的法向量、光线向量和视线 向量，就可以求得该点的颜色和亮度。
三、高度真实感图形生成
（1）三角形分割
三角形决定了最小的图形面元，算法简单、 可靠、系统性能最佳； TIN结构直接可以进行明暗处理，栅格结构 的DEM需要进行三角面剖分；
（1）三角面剖分
a c
b
d
（2）图形变换
图形变换
地理坐标系
观察坐标系
坐 标 变 换
投 影 变 换
三维地面
二维屏幕
平移、旋转、缩小
三、高度真实感图形生成
真实感图形处理需要模拟光源位置、颜色； 地面起伏条件和方位；地面光谱特性； 通常需要根据以上因素计算画面中每一点 的颜色灰度； 通过纹理进行整饰；
三、高度真实感图形生成
处理步骤： （1）三角形分割； （2）图形变换（视点变换、方向变换） （3）可见面识别 （4）计算可见表面光度和色彩 （5）三角面显示 （6）纹理映射
透视投影
(3)可见面识别
消隐就是要运用某种算法把物体上看不见的线或 面从画面中消去或者用虚线画出，为消去隐藏面, 要把每一个组成物体的面与每一个不透明面进行 遮蔽判断,把可见的或部分可见的与不可见的或部 分不可见的区别开来,最后绘出那些可见面或面的 可见部分,这样就可得到经过消隐处理的立体图， 这种消隐处理又称为可见面识别。 消隐处理算法基本上可以分为两大类:即物体空间 方法和图象空间方法。
y
扫描线中每个像素的灰度为：
graylevel p graylevel p 1 graylevelincrement ，p 1,2,... X R X L graylevel 0 graylevel L graylevelincrement graylevel R graylevel L xR xL
（5）三角形面片的明暗处理
如果仅对三角形面片以中心值赋色填充， 面片之间灰度不连续，显示的逼真度较差； 较为实用的办法是对三角形面片中每个像 素进行插值，通过顶点进行面片之间明暗 合理过渡；
（5）三角形面片的明暗处理
(1)Gouraud明暗处理：根据光照模型计算每 个顶点灰度，顶点处法向取关联三角形的平均 法向；三角形内部像素灰度采用内插方法得到。