数字地形模型与地形分析
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
如何利用数字高程模型进行地形分析
如何利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）是一种通过遥感技术和地理信息系统（GIS）技术获取的用于表示地球表面高程信息的数字模型。
利用数字高程模型进行地形分析可以帮助我们更好地理解和研究地球的地形特征，以及对其进行合理的规划和管理。
本文将探讨如何利用数字高程模型进行地形分析，并介绍相关的方法和应用。
一、数字高程模型的概念和获取方式数字高程模型是用数字形式描述地面高程变化的空间数据模型。
它采用网格化的方式记录不同位置的高程值，能够以图像的形式展示地表地形特征。
获取数字高程模型的常用方法包括航空摄影、卫星遥感、激光雷达等。
其中，激光雷达技术是最常用、精度最高的数字高程模型获取方式之一。
二、数字高程模型的常用地形分析方法1. 地形倾斜度分析地形倾斜度分析是利用数字高程模型计算地表坡度的方法。
通过计算不同位置处的高程差异，可以揭示地表的陡峭程度和坡度变化。
地形倾斜度分析在环境评价、土壤侵蚀评估、高山滑坡预测等领域具有广泛的应用。
2. 流域分析流域分析是研究地表水流发展方向和流域特征的方法。
利用数字高程模型可以计算流域的流量、水流路径和水动力特性，对于水文模拟、洪水预测等问题具有重要意义。
3. 剖面分析剖面分析是根据数字高程模型绘制地表剖面图，以获取地表地形的纵向变化信息。
剖面分析可用于地质勘探、公路设计、隐患分析等领域，帮助我们了解地理地貌的垂直变化规律。
4. 可视化和三维重建数字高程模型可通过可视化技术和三维重建技术呈现出真实的地表地形景观。
借助数字高程模型，我们可以进行虚拟地形导览、地形模拟和景观规划等相关工作，为各类地理研究和规划提供更直观的视觉表达手段。
三、数字高程模型地形分析的应用案例1. 自然灾害风险评估利用数字高程模型分析地区地形特征，可以帮助进行自然灾害风险评估。
例如，在地震灾害评估中，通过分析数字高程模型可以判断出可能发生滑坡、崩塌等地质灾害的潜在区域，并进行相应的防灾和救援准备工作。
使用数字高程模型进行地形分析的步骤和技巧
使用数字高程模型进行地形分析的步骤和技巧使用数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）进行地形分析可以帮助我们更深入地了解地球表面的形态和特征。
在这个过程中，我们需要遵循一系列的步骤和技巧，以确保我们能够获得准确和可靠的分析结果。
首先，进行地形分析的第一步是获取合适的DEM数据。
DEM数据可以从多个渠道获取，包括地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）数据提供机构、地方政府和学术机构等。
我们可以根据自己的需求选择合适的DEM数据集，确保数据的分辨率和精度能够满足我们的要求。
在获得DEM数据后，我们需要对数据进行预处理，以便使其更适合用于地形分析。
这包括数据的清理和修复，以去除潜在的错误或缺失值。
同时，我们还可以对DEM数据进行滤波平滑以去除噪声，并进行坡度校正，以便更准确地表示地形特征。
一旦我们获得了处理后的DEM数据，我们就可以开始进行地形分析了。
其中最常见的一项分析是计算地形坡度。
坡度是地形表面上某一点的下降速率，通常以百分比或度数表示。
我们可以使用坡度计算公式来计算不同地点的坡度，并根据坡度值的分布来理解地形的陡峭程度和地形特征。
另外，地形坡向是另一个重要的地形分析指标。
它指示了地表的方向，即水流的路径。
为了计算地形坡向，我们可以使用计算水流路径的算法，如D8流向算法或D-inf流向算法。
通过分析地形坡向，我们可以更好地了解地表水流的分布和汇集情况。
此外，地形曲率也是一个常见的地形分析指标。
地形曲率表示地表曲线在某一点的曲率程度，可以帮助我们理解地形特征的起伏和起伏的连续性。
为了计算地形曲率，我们可以使用基于邻域统计的计算方法，例如偏导数方法或滑动窗口方法。
通过分析地形曲率，我们可以更好地理解地形的起伏和地貌特征。
除了这些常见的地形分析指标之外，我们还可以根据自己的需求选择其他合适的地形分析方法和技术。
例如，我们可以使用地形剖面来展示地形剖面线上的高程变化情况，或者使用地形阴影来模拟地表在不同光照条件下的阴影效果。
6、数字地形模型与地形分析
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激活专题Height_tin，选用菜单Surface/Create Contours…，在弹出的对话框中按以下设置：
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②不规则三角网和距离倒数权重法插值比较
从文件菜单中加载（栅格）空间分析扩展模块。
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激活专题“Spot.shp”，选用菜单 Surface/Interpolate Grid…，在弹出的对话框重按 以下设置：
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生成坡度专题图
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⑤创建坡向专题图
激活plne。
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3.工程中的土方计算
所需数据：Cnt_dsn.shp，工程中的设计等高线； Cnt_ext.shp，工程中的现状等高线； Bound.shp，工程场地的边界。 该习作主要包括两部分：①由等高线生成不规 则三角网；②计算工程挖填方。
3
①由点状要素产生不规则三角网
启动系统并加载3D分析扩展模块。
4
打开一个新视图，将Spot.shp和Bound.shp加到视 图中，并从视图下拉菜单中选择属性，将地图单 位设置为米。
5
6
激活专题“Spot.shp”，选择菜单Surface/Create TIN from Features…，在弹出的对话框中按以下设置：
4.视域分析
所需数据：observer.shp,观察点数据文件; viewroad.shp，道路数据文件; d_tin，TIN高 程数据文件。 本习作主要包括两个部分：①基于观察点的视 域分析；②基于路径的视域分析。
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①基于观察点的视域分析
启动系统并加载3D分析扩展模块，并新建视图。
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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。
如何掌握测绘技术中的数字地形模型生成与分析方法
如何掌握测绘技术中的数字地形模型生成与分析方法引言测绘技术在现代社会发展中具有重要地位和作用。
其中，数字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）是测绘技术的重要组成部分。
它是一种基于地理数据和数字技术建立的地形模型，能够精确描述地球表面各种大地现象。
掌握数字地形模型的生成与分析方法对于地理信息系统、城市规划和环境评估等方面具有重要意义。
本文将介绍一些常用的数字地形模型生成与分析方法，帮助读者更好地掌握测绘技术。
一、数据采集与预处理数字地形模型的生成需要通过数据采集与预处理来获取原始地形数据。
常用的采集方法包括地面控制点采集、航空摄影测量和卫星遥感等。
在采集数据时需要注意选择适当的采集设备和技术，确保数据的准确性和可靠性。
采集完成后，还需要进行数据预处理，包括数据清洗、数据校正和数据匹配等。
这些步骤能够提高数字地形模型的质量和精度。
二、数字地形模型生成方法1. 面状插值法面状插值法是数字地形模型生成的常用方法之一。
它通过对地面点数据进行插值，生成连续表面来描述地形。
常用的插值方法有三角网格插值、反距离加权插值和克里金插值等。
这些方法各有特点，可以根据具体需求选择合适的方法。
2. 栅格插值法栅格插值法是另一种数字地形模型生成方法。
它将地面点数据按照一定的分辨率划分成栅格，然后利用插值方法填充栅格，生成数字地形模型。
常用的栅格插值方法有反距离加权法、克里金法和多层感知机等。
栅格插值法适用于大规模地形数据的生成，具有较高的效率和稳定性。
三、数字地形模型分析方法1. 坡度与坡向分析坡度与坡向是数字地形模型分析的重要指标，它能够反映地形的陡峭程度和方向特征。
通过计算每个地点的坡度和坡向，并进行分析，可以帮助确定地形特点和地形发展趋势。
2. 剖面分析剖面分析是对数字地形模型进行纵向剖面展示和分析的方法。
通过选择两个地点，并绘制其之间的剖面线，可以得到沿该剖面线的地形高程变化情况。
剖面分析可以帮助确定地形的起伏程度和地形过程特征。
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
使用数字高程模型进行地形分析与地貌测绘
使用数字高程模型进行地形分析与地貌测绘地形是地球表面上的起伏现象，从凹坑到山峰，从峡谷到河流，每一个地貌特征都承载着地球的奇妙之美。
为了深入了解地球的地形，科学家们一直在寻找更好的方法和工具进行地形分析与地貌测绘。
其中，数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是一种重要的工具，它基于地球表面高度数据的数学建模，使得我们能够快速、准确地了解地球上的地貌特征。
数字高程模型的制作过程主要包括数据获取、数据处理和数据分析三个步骤。
首先，为了获取地球表面的高程数据，我们可以使用多种技术，比如地面测量、航空摄影、卫星遥感等。
这些技术可以提供大量的高程数据，涵盖了不同地域、不同地貌特征的信息。
然后，我们需要对这些数据进行处理，消除噪声、填充缺失值、插值等，以得到高精度、连续分布的数字高程模型。
最后，我们可以利用这个数字高程模型进行地形分析和地貌测绘。
在地形分析方面，数字高程模型能够提供丰富的地貌信息，帮助我们了解地球表面的特征和演化过程。
通过对数字高程模型的处理和分析，我们可以获得坡度、坡向、流域等地形参数，进而研究地表水文过程、土地利用变化等问题。
此外，数字高程模型还可以用于洪水预测、土壤侵蚀评估、地质灾害分析等方面，为环境保护和灾害管理提供科学依据。
在地貌测绘方面，数字高程模型可以帮助我们更好地理解地球表面的变化和地貌特征的形成。
通过对数字高程模型的可视化和分析，我们可以直观地观察地球的地形变化，利用三维重建技术重现地表形貌。
同时，数字高程模型还可以用于制作地形图、地貌图等专业地图，记录和传播地球上丰富多样的地貌。
数字高程模型的应用不仅局限于科学研究和地图制作，在各行各业中也有广泛应用。
地形分析和地貌测绘在城市规划中扮演着重要角色。
通过对数字高程模型的分析，城市规划师可以评估建筑物的遮挡效应，优化交通布局，改善环境条件。
同时，数字高程模型还可以在土地开发、资源管理、农业生产等方面发挥重要作用，提高效率和减少成本。
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2.DEM的主要表示模型 2.2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。由于等高线模型只表达了区域 的部分高程值，往往需要一种插值方法来计算 落在等高线外的其它点的高程，又因为这些点 是落在两条等高线包围的区域内，所以，通常 只使用外包的两条等高线的高程进行插值。 等高线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。
2.DEM的主要表示模型 2.1规则格网模型
对于每个格网的数值有两种不同的解释。第一种是格网栅格观点，认为 该格网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积 内高程是均一的高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。第二种 是点栅格观点，认为该网格单元的数值是网格中心点的高程或该网格单 元的平均高程值，这样就需要用一种插值方法来计算每个点的高程。计 算任何不是网格中心的数据点的高程值，使用周围4个中心点的高程值， 采用距离加权平均方法进行计算，当然也可使用样条函数和克里金插值 方法
1.概述 1.2DEM表示法
1）数学方法 用数学方法来表达，可以采用整体拟合方法，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。也可用局部 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。
1.概述 1.2DEM表示法
2.DEM的主要表示模型 2.3不规则三角网模型
TIN的数据存储方式比格网DEM复杂，它不仅要存储每个点的高程，还要 存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。 TIN模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是TIN模型不需 要定义“岛”和“洞”的拓扑关系。 有许多种表达TIN拓扑结构的存储方式，一个简单的记录方式是：对于每 一个三角形、边和节点都对应一个记录，三角形的记录包括三个指向它三 个边的记录的指针；边的记录有四个指针字段，包括两个指向相邻三角形 记录的指针和它的两个顶点的记录的指针；也可以直接对每个三角形记录 其顶点和相邻三角形（图9-5）。
1.概述
数字地形模型（DTM, Digital Terrain Model）最初是为了高速公路的自动 设计提出来的（Miller，1956）。此后，它被用于各种线路选线（铁路、公 路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间 的通视判断及任意断面图绘制。在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、 立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测。在遥感应用中可作为分类 的辅助数据。它还是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分 析、合理规划及洪水险情预报等。在军事上可用于导航及导弹制导、作战 电子沙盘等。对DTM的研究包括DTM的精度问题、地形分类、数据采集、 DTM的粗差探测、质量控制、数据压缩、DTM应用以及不规则三角网 DTM的建立与应用等
2.DEM的主要表示模型 2.2等高线模型
B C
F
E
A
D
G
H
2.DEM的主要表示模型 2.3不规则三角网模型
尽管规则格网DEM在计算和应用方面有许多优点， 但也存在许多难以克服的缺陷： 1）在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余； 2）在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地 形的突变现象； 3）在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴 方向。 不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一种表示数字高程模型的方法[Peuker 等，1978]，它既减少规则格网方法带来的数据冗余， 同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等 高线的方法。
2.DEM的主要表示模型 2.1规则格网模型
规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角 形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则 的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学 上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一 个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素， 对应一个高程值，如下图所示。
2.DEM的主要表示模型 2.1规则格网模型
2）图形方法 （1）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。 （2）点模式 用离散采样数据点建立DEM是DEM建立常用的方法 之一。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。
2.DEM的主要表示模型 2.3不规则三角网模型
1 XYZ 2 XYZ 3 XYZ 4 XYZ 5 XYZ 6 6 XYZ 7 XYZ 8 XYZ
点文件
1
221 5Fra bibliotek3 4
4
56
8
7
8
7
顶点
邻接三角形
1 2 33 4 5 6 7 8
156 145 124 234 568 458 478 347
25X 136 X4 2 3 X8 1 X6 257 68X 47X
1.概述 1.2DEM表示法
DEM表示方法可分为两类：
➢数学方法
➢图形方法
数学方法
DEM 表示方法 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
三角网 邻近网 山峰、洼坑
隘口、边界
水平线
垂直线 典型线
山脊线 谷底线 海岸线 坡度变换线
1.概述 1.1DTM与DEM
从数学的角度，高程模型是高程Z关于平面坐标 X，Y两个自变量的连续函数，数字高程模型 （DEM）只是它的一个有限的离散表示。高程 模型最常见的表达是相对于海平面的海拔高度， 或某个参考平面的相对高度，所以高程模型又叫 地形模型。实际上地形模型不仅包含高程属性， 还包含其它的地表形态属性，如坡度、坡向等。 在地理信息系统中，DEM是建立DTM的基础数 据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出， 称为“派生数据”，如坡度、坡向。