数字地面模型及其地形分析
数字地形模型DTM及地形分析
✓ 混合采样
渐
✓ 自动化DEM数据采集
进 采
样
5. 3 DEM数据质量控制
剖面线 等高线 特征线（山脊线、谷底线、海岸线、
坡度变化线等）
其他方式（绘图，影像等）
2021/5/22
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数字地面模型
模型（model）是指用来表现其他事物的一个对象 或概念，是按比例缩减并转变到我们能够理解的形式的 事物本体。数字地面模型中包含了丰富的地面特性信息 类型：
等高线
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3．2 等高线模型
等高线通常被存成一个有序的坐标点对序列，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。通常可以用 二维的链表来存储。另外的一种方法是用图来表示等高线的拓 扑关系，将等高线之间的区域表示成图的节点，用边表示等高 线本身。这类图可以改造成一种无圈的自由树。
格网DEM提取等高线另一个值得注意的问题是，如果 一些网格点的数值恰好等于要提取的等高线的数值，会使 判断过程变得复杂，并且会生成不闭合的等高线，一般的 解决办法是将这些网格点的数值增加一个小的偏移量。
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5. DEM的建立
1 XYZ 2 XYZ 3 XYZ 4 XYZ 5 XYZ 6 XYZ 7 XYZ 8 XYZ
点文件
1
2
3
2 1
5
4
4
3
6
56
8
7
Байду номын сангаас
8
测绘技术中的数字高程模型与地形分析
测绘技术中的数字高程模型与地形分析近年来，随着科技的迅猛发展，测绘技术在地理信息系统（GIS）领域发挥着越来越重要的作用。
而在这一领域中，数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）与地形分析被广泛应用于地形研究、城市规划、自然资源管理等方面。
本文将对数字高程模型的概念以及与地形分析的关系进行较为详细的探讨。
首先，让我们来了解数字高程模型。
数字高程模型是一种用于描述地球表面形状及各点相对高度的数字化模型，其主要使用高程数据来表示地形。
高程数据可以通过不同的测量手段获得，例如GPS测量、航空摄影测量、激光雷达测量等。
在数字高程模型中，地球表面被划分为一系列的网格，每个网格都有一个高程数值，通过这些高程数值可以还原出地球表面的形状。
数字高程模型的建立可以通过插值等方法进行。
数字高程模型在地形分析中扮演着重要的角色。
地形分析是对地形数据进行处理、分析和解释的过程。
通过数字高程模型，我们可以了解到地表的坡度、坡向、高程变化等信息，对地形特征进行深入研究。
地形分析在资源管理、环境保护、城市规划等领域具有广泛的应用。
例如，在城市规划方面，我们可以利用数字高程模型进行建筑物的阴影分析，从而优化建筑物的布局；在资源管理方面，我们可以通过地形分析来评估水资源的分布情况，合理利用水资源。
地形分析还可以辅助制定救援方案，通过分析地形特征来评估可能发生的自然灾害，提前采取预防措施。
可以说，数字高程模型与地形分析相互依存，构成了测绘技术中的重要组成部分。
在数字高程模型与地形分析的应用中，还存在一些挑战和问题。
首先，高程数据的采集、处理和存储需要大量的时间和资源。
不同的数据采集手段具有不同的精度和精确度，如何选择合适的数据源对于建立准确的数字高程模型至关重要。
其次，高程数据的精度对地形分析结果的准确性有着直接影响。
因此，我们需要对高程数据进行精确的校正和校核，以保证地形分析的准确性。
此外，数字高程模型在进行地形分析时，对硬件设备的要求较高。
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
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。
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
如何使用数字高程模型进行地形分析与量测
如何使用数字高程模型进行地形分析与量测数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是一种数字化的地形模型，它可以通过使用一系列的测量数据，如地面高程数据、测量轮廓线和控制点等，来描述和记录地球表面的高程信息。
DEM在地形分析和量测方面具有广泛的应用，可以帮助我们更好地了解和研究地球表面的地形特征，同时也为许多领域的决策和规划提供了重要的支持。
一、DEM的基本原理和构建过程DEM的构建过程主要基于测量数据的采集和处理，其基本原理是通过对地表高程进行离散采样，将其转化为数字高程数据，以便进行进一步的分析和量测。
构建DEM的方法主要有插值法、三角剖分法和栅格法等，其中栅格法较为常用。
在使用DEM进行地形分析和量测之前，我们首先需要对DEM进行预处理。
这一步骤包括数据的获取和处理，比如剔除噪声、填充空白、修正测量误差等，以保证DEM的数据质量和准确性。
二、DEM在地形分析中的应用1. 地形特征提取使用DEM可以方便地提取地表的各种地形特征，比如山峰、河流、湖泊等。
通过对DEM数据进行处理和分析，我们可以快速获得地形特征的位置、形状、高度等信息，从而帮助我们了解和研究地球表面的地貌形态和演化过程。
2. 坡度和坡向分析坡度和坡向是地形分析的重要指标，它们可以帮助我们了解地表的倾斜程度和方向。
使用DEM可以方便地计算出每个像元的坡度和坡向，从而构建坡度和坡向图，用于分析山地地区的土地利用、水文过程以及自然灾害等方面的问题。
3. 流域分析流域是水文过程的基本单位，使用DEM可以方便地提取流域边界、计算流域面积、确定流域的水系网络等。
这些流域的信息可以为水文模拟和水资源管理提供重要的依据，帮助我们理解和预测水文过程的发展趋势。
4. 可视化分析DEM可以通过三维可视化技术进行展示，将地球表面的地形特征以三维形式呈现出来。
这样我们可以更直观地观察和分析地形的复杂性和变化规律，为景观设计、城市规划和环境评估等提供重要的参考。
如何使用数字高程模型进行地形分析
如何使用数字高程模型进行地形分析数字高程模型(Digital Elevation Model, 简称DEM)是一种用于地形表达和地形分析的数字化数据模型。
它通过测量和记录地表的高程数据，将地表的各个点组织成数字化的离散数据，从而反映了地形起伏、山脉、河流等地貌特征。
利用DEM 进行地形分析可以帮助我们深入理解和研究地球表面的地形特征、地质结构和水资源等方面。
一、DEM的获取1. 大地测量方法：传统的大地测量方法包括全球定位系统(GPS)和全站仪测量等。
这些方法需要在实地进行测量并获取地点高程数据，然后通过计算和处理来生成DEM。
2. 遥感方法：遥感技术利用航空影像和卫星图像中的高程信息，通过解析和计算来生成DEM。
这种方法可以快速获取大范围地区的地形数据，广泛应用于地形分析和地理信息系统(GIS)。
二、DEM的应用1. 地形测量和制图：DEM可以作为底层数据用于地形测量和制图。
通过对DEM进行可视化处理，可以直观地显示地形特征，帮助地理学家、测量学家和地质学家等研究人员快速了解地表地貌和地质结构。
2. 地形分析：DEM可以用于地形分析，如计算坡度、坡向、流域分割、地形曲率等。
这些分析结果可以帮助我们了解地表地貌的复杂性和变化趋势，为自然资源管理、土地规划和生态环境保护等领域提供有力的支持。
3. 洪水模拟和灾害评估：DEM可以用于洪水模拟和灾害评估。
通过结合DEM 和水流模型，可以模拟洪水的传播路径和深度，为洪水预警和防洪工程提供科学依据。
此外，DEM还可以用于评估地质灾害，如滑坡、泥石流等，分析潜在的灾害风险。
4. 水资源管理：DEM可以用于水资源管理，如模拟水流路径、计算流域的水量、研究水资源分布等。
这些结果对水资源的合理开发和利用具有重要意义。
三、DEM数据处理与分析方法1. 数据获取和处理：首先，需要获取原始的DEM数据，可以从地理信息系统(GIS)数据库或一些公开的数据集中获取。
然后，对DEM数据进行预处理，包括去除噪声、填充空缺值和修正高程异常等。
第9章 数字地形模型与地形分析
不规则三角网模型(TIN)
用不规则三角形 拟合地表，主要 描述地表高程
将地理空间的表面表示成一系列相连接的三角 形。它是在一组结点之中，按照“一定的规则” 连接相邻结点形成的边组成的。
在TIN模型中，点的位置控制着三角形的顶点，这些三角 形尽可能接近等边，地表地形就可由一组三角形很好地表示 出来。 三角网的一个优点是：其三角形大小随点密度变化而自动 变化，当数据点密集时生成的三角形小，表示地形陡峭，数 据点较稀时生成的三角形较大，表示地形平缓。TIN也能表 示不连续对象，如悬崖、断层、海岸线和山谷谷底。 把TIN转化为栅格，可用线性内插方法，也可用非线内插 方法。
如果是规则网格模型，那么把三维空间实体转变为长 方体集合就能方便进行计算。 如果是TIN模型，可通过插值达到规则网格模型的密集 度。当然会有一定的误差。
5、坡度、坡向分析
在流域提取、泥石流分析和植物生长环境研 究中都需要坡度与坡向分析。 用具有三维特征的DEM模型进行坡度和坡向 分析是最佳方法。
每一条等高线对应一个已知的高程值，等高 线集合和它们的高程值一起就构成地面高程 模型。
等高线模型
等高线模型只表达了区域的部分高程值，要用插值 方法来计算落在等高线外的其它点的高程，因为这 些点是落在两条等高线包围的区域内，通常只使用
外包的两条等高线的高程进行插值。
等高线模型
存储方法
二维链表存储坐标 用图来表示等高线的拓扑关系，将等高线之间的 区域表示成图的节点，用边表示等高线本身。 这种拓扑关系图可以改造成一种无圈自由树
等高线和相应的自由树
B C F A D G E
H
2.3 不规则三角网模型（TIN）
TIN的产生原因——规则格网DEM存在的缺陷：
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4.9.1 基本概念
一、DTM与DEM： 数字地面模型(Digital Terrain Models, 缩写DTM)是
定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，它以离 散分布的平面点来模拟连续分布的地形。
当数字地面模型所记的地面特征Z为高程时，称之为 数字高程模型。
损失的计算； （4）地形因子（坡度、坡向、粗糙度等）的自
动提取，进行地貌分析； （5）越野通视情况分析（为军事和土地景观规
划等目的服务）； （6）土壤地理研究中应用于土壤侵蚀量，产沙
量计算等。
4
显示三维地面景观
加 利 福 尼 亚 惠 特 尼 山
不 丹 喜 马 拉 雅 山 脉
美 国 大 峡 谷 的 3 D 画 面
（5） 在 Output cell size 栏中设定栅格大小； （6） 在 Output raster 栏 中指定输出坡度的存放路径 与文件名。 （7） 点击 OK 按钮。
坡度图
ArcGIS 中坡向的提取过程为：
（1） 在 Spatial Analyst 下拉 菜单中选择Surface analysis, 在弹出的下一级菜单中点 击Aspect，出现 Aspect 对话框， 如图 ，以下所有设置如图中所示。 （2） 在 Input Surface 的下拉 菜单中选择用来生成坡向的表面； （3） 在 Output cell size 栏中 设定栅格大小； （4） 在 Output raster 栏中指 定输出坡向的存放路径与文件名。
飞 行 模 拟
地形因子的自动提取
坡度、坡向
法线α切面AαZαO
θ
X
ni,j Y
坡度图、坡向图
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ArcGIS 中坡度的提取过程为：
（1） 在 Spatial Analyst 下拉菜单中选择Surface analysis, 在弹出的下一级 菜单中点击Slope，出现 Slope 对话框，如图 ，以下 所有设置如图中所示。 （2） 在 Input Surface 的下拉菜 单中选择用来生成坡度的表 面； （3） 选择一种坡度表示方 法，在此分别用两种方法做 了坡度； （4）在 Z factor 栏中设定 高程变换系数；
DEM={Hij}, i =1,2, … ,m j =1,2, … ,n
二、不规则三角网（TIN）
（Triangulated Irregular Network, 缩写TIN）
4.9.2 数字高程模型的用途
（1）显示三维地面景观； （2）在道路等工程设计中计算挖填土石方量； （3）线路、坝址的自动选定，以及库容、淹没
坡向图
思考与分析：
由于城市的发展，沈阳市需要增加一个垃 圾填埋场，要求： 1.避开良田 2.交通便捷 3.地形坡度小于5° 4.地质条件安全 5.并避开居民区 试以GIS方法，用框图表示其运行过程， 并说明需要的相关数据源、数据采集与组 织方法，说出空间分析过程。