第9章-DEM与数字地形分析
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
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。
(8)DEM与地形分析
• 在视图中显示为图形元素
浙江工商大学 计算机与信息工程学院 吴承健
浙江工商大学 计算机与信息工程学院 吴承健
表面建模: 制作剖面图
• line shows green (visible) red (not visible)
表面建模: 可视域及可视性分析
• 观测点的可视域
• surface profile generated
浙江工商大学 计算机与信息工程学院 吴承健
首先生成 DEM 利用 DEM 生成立体晕渲图：模拟实际地面的本影 与落影，反映实际地形起伏特征
浙江工商大学 计算机与信息工程学院 吴承健
10
2013/5/22
表面建模:生成等高线
表面建模: 最大坡降
• 基于TIN计算某一点的最大坡降轨迹
• 可以在3D场景中显示
浙江工商大学 计算机与信息工程学院 吴承健
8
2013/5/22
Delaunay三角网的特点
l
三种DEM的比较
原始数据点
对于确定的散点集，狄洛尼三角网是唯一的； l 没有任何点在三角形外接圆的内部； l 三角网的外边界构成散点集的凸多边形外壳；
格网DEM
浙江工商大学 计算机与信息工程学院 吴承健
浙江工商大学 计算机与信息工程 TIN 学院 吴承健
地形图数字化 l 地面测量 l 航空数字摄影测量
l
浙江工商大学 计算机与信息工程学院 吴承健
不规则分 布的高程 样点数据
格网 DEM
浙江工商大学 计算机与信息工程学院 吴承健
格网DEM的生成
地形图等高线方法 在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点 高程值。
格网DEM的生成
三角平面插值法
01-第九章 DEM与数字地形分析12小节PPT
第9章DEM与数字地形分析GIS原理第9章DEM与数字地形分析9.1 基本概念9.2 DEM的主要表示模型9.3 DEM建立9.4数字地形分析The End9.1 基本概念9.1.1 数字高程模型三维空间数据表示:地球表面的高低起伏（高程数据），表面离散点（x,y）上的任何属性值，如：可能采样点的降雨量，地壤的酸碱度，人口密度等。
三维地形空间数据模型一般用数字地形模型DTM最常见的三维空间模型是DTMDigital Terrain Model是利用一个任意坐标场中大量选择的已知(x,y,z)的坐标点对连续地面的一个简单统计表示，或者说DTM是地形表面简单的数字表示。
DTM提出是Miller, 1956,高速公路自动设计。
用于线路选线的设计以及工程面积、体积、坡度计算。
测绘中：等高线，坡度坡向图，立体地图，正射影像图。
DTM的研究：精度，地形分类，数据采集、数据压缩、不规则及规则DTM的建立与应用1 DTM 和DEM从数学的角度，高程模型(Digital Elevation Model，DEM)是高程Z关于平面坐标X，Y两个自变量的连续函数:Z = f(x, y)一般是高程模型连续函数的离散表示；DTM是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
DTM中地形属性为高程时称为DEM；DEM的相近术语：德国DHM, Digital Height Model英国DGM, Digital Ground Model美国地质测量局USGS DTEM, Digital Terrain Elevation Model、DEM, Digital Elevation Model2 DEM的表示法地表高程的变化可以采用多种方法表达:用数学定义的表面或点、线、影像；1）数学方法采用整体拟合方法；傅立叶级数高次多项式2）图形方法线模式：等高线点模式：GRID；TIN9.1.2 数字地形分析数字地形分析（digital terrain analysis, DTA）是指在DEM 上进行地形属性计算和特征提取的数字信息处理技术。
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。
第八章 DEM分析
4、DEM应用
1）作为国家地理信息的基础数据； 2）土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计； 3）为军事目的而进行的三维显示； 4）景观设计与城市规划； 5）流水线分析、可视性分析； 6）交通路线的规划与大坝选址； 7）不同地表的统计分析与比较； 8）生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等； 9）作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，以 进行显示与分析； 10）与GIS联合进行空间分析； 11）虚拟现实(Virtual Reality)；
在计算出各地表单元的坡度后，可对不同的坡度设定不同的灰度 级，可得到坡度图。
2、坡向
坡向是地表单元的法向量在水平面上的投影与X轴之间的夹角，
在计算出每个地表单元的坡向后，可制作坡向图，通常把坡向分为东、 南、西、北、东北、西北、东南、西南8类，再加上平地，共9类，用 不同的色彩显示，即可得到坡向图。
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、DEM 生成 3）曲面拟合法
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。
（三）基于DEM的可视化分析
1、剖面分析
1）意义：
常常可以以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓形状、 地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。
如果在地形剖面上叠加其它地理变量，例如坡度、土 壤、植被、土地利用现状等，可以提供土地利用规划、工 程选线和选址等的决策依据。
第9章-DEM与数字地形分析
• 地形定量因子是为有效地研究与表达地貌形态特征所设定的具 有一定意义的参数或指标
• 常用的坡面地形因子有坡度、坡向、平面曲率、坡面曲率、地 形起伏度、粗糙度、切割深度等
数字地形分析
• 数字地形分析的方法
– 提取特征地形要素
• 流域分析主要是根据地表物质运动的特性，特别是水流运动的 特点，利用水流模拟的方法来提取水系、山脊线、谷底线等地 形特征线，并通过线状信息分析其面域特征
线性插值 双线性插值 高次多项式插值
整体内插
• 在整个区域用一个数学函数来表达地形曲面 • 整体内插函数通常是高次多项式，要求地形采样点的个数
大于或等于多项式的系数数目 • 优点：整个区域上函数的唯一性、能得到全局光滑连续的
DEM、充分反映宏观地形特征等 • 缺点：保凸性较差、不容易得到稳定的数值解、多项式系
坡向
• 坡向定义为地表面上一点的切平面的法线矢量在 水平面的投影与过该点的正北方向的夹角，其数 学公式为 Aspect arctg( f y )
fx
• 对于地面任何一点来说，坡向表征了该点高程值 改变量的最大变化方向
• 在输出的坡向数据中，坡向值规定正北方向为0°， 顺时针方向计算，取值范围为0°～360°
样条函数、多层曲面叠加法等
逐点内插
• 以内插点为中心，确定一个邻域范围，用落在邻 域范围内的采样点计算内插点的高程值
• 逐点内插本质上是局部内插，但与局部分块内插 不同的是，局部内插中的分块范围一经确定，在 整个内插过程中其大小、形状和位置是不变的， 而逐点内插法的邻域范围大小、形状、位置乃至 采样点个数随内插点的位置而变动
• 由于空间数据包含位置特征和属性特征，而属性 特征是定义在位置特征上的，因此每一个空间域 就是由空间结构到属性域的计算函数或域函数
(完整word版)实验九地形分析——TIN及DEM的生成及应用(综合实验)
实验九、地形分析-----TIN及DEM的生成及应用(综合实验)一、实验目的DEM是对地形地貌的一种离散的数字表达，是对地面特性进行空间描述的一种数字方法、途径，它的应用可遍及整个地学领域。
通过对本次实习的学习，我们应：a)加深对TIN建立过程的原理、方法的认识；b)熟练掌握ArcGIS中建立DEM、TIN的技术方法。
c)掌握根据DEM或TIN 计算坡度、坡向的方法。
d)结合实际，掌握应用DEM解决地学空间分析问题的能力。
二、实验数据高程点Elevpt_Clip.shp，高程Elev_Clip.shp，边界Boundary.shp，洱海Erhai.shp三、实验内容及步骤1. TIN 及DEM 生成1.1由高程点、等高线矢量数据生成TIN转为DEM在ArcMap中新建一个地图文档添加矢量数据：Elevpt_Clip、Elev_Clip、Boundary、Erhai（同时选中：在点击的同时按住Shift）激活“3D Analyst”扩展模块（执行菜单命令[Customize（自定义）]>>[Extensions（扩展）]，在出现的对话框中选中3D分析模块），在工具栏空白区域点右键打开[3D分析] 工具栏执行[ArcToolbox]>> [3D Analyst Tools] >> [Data Management]>>[TIN]>>[Create TIN]在Input Feature Class中依次添加Elevpt_Clip.shp、Elev_Clip.shp、Boundary.shp以及Erhai.shp，将Erhai的SF_type改为hardreplace，其余保持默认确定生成文件的名称及其路径，生成新的图层tin，在TOC(内容列表)中关闭除[TIN]和[Erhai]之外的其它图层的显示，设置TIN的图层（符号）得到如下的效果。
执行工具栏[3D Analyst Tools] >> [Conversion]>>[From TIN]>>[TIN to Raster ]，指定相关参数，以TINGrid命名，即已将TIN转为是DEM1.2 TIN的显示及应用在上一步操作的基础上进行，关闭除[TIN]之外的所有图层的显示，编辑图层[tin]的属性，在图层属性对话框中，点击[符号] 选项页，将[ Edege types（边界类型）] 和[Elevation（高程）] 前面检查框中的勾去掉; 点击[ Add添加] 按钮在[添加渲染] 对话框中，将[Edges with the same symbol(所有边用同一符号进行渲染)] 和[ Nodes with the same symbol（所有点用同一符号进行渲染）] 这两项添加么TIN的显示列表中确定之后，将TIN图层局部放大，认真理解TIN的存储模式及显示方式(1)TIN 转换为坡度多边形新建地图文档，加载图层[tin]，参考上一步操作，将[Face slope with graduated color ramp （面坡度用颜色梯度表进行渲染）] 和[Face aspect with graduated color ramp（面坡向用颜色梯度进行渲染）] 这两项添加到TIN的显示列表中在上面的对话框中，选中Slope（degrees）点击[分类] 按钮，在下面的对框中，将[类] 指定为5，然后在[间隔值] 列表中输入间隔值：[ 8, 15，25, 35, 90] ，如下图所示点击[确定] 后关闭图层属性对话框，图层[ tin ] 将根据指定的渲染方式进行渲染，效果如下图所示：(2)TIN 转换为坡向多边形参照以上第（4）步，得到坡向多边形图层得到的坡向多边形中属性分别表示当前图斑的坡向(平坦、北、东北、东、东南、南、西南、西、西北、北)用坡度分类三角形形成多边形，执行[3D Analyst tool]工具栏中的命令[Triangulated Surface]>>[ Surface Slope]，按下图所示指定各参数，以tinSlopef命名：(3)Eliminate合并破碎多边形（选做，需要8-10分钟）新建地图文档，加载坡度多边形图层：TinSlopef, 打开TinSlopef的属性表，添加一个字段Area（类型为Double）左键选择Area一列，通过[Calculate Geometry计算值]操作，计算各个多边形的面积以下的操作将会把面积小于10000平方米的多边形合并到周围与之有最长公共边的多边形中：执行菜单命令[Selection选择]>>[ Select by Attributes通过属性选择]，查询”Area”<=10000 （平方米）的图斑被选中的多边形以高亮方式显示，这些小的图斑将会被合并到与之相邻且有最大公共边的多边形。
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• 模型构建的内容和过程：
– 采用合适的空间模型构造空间结构； – 采用合适的属性域函数； – 在空间结构中进行采样，构造空间域函数； – 利用空间域函数进行分析
DEM建立
• DTA技术是各种与地形因素相关空间模拟技术的 基础
数字地形分析
• 根据地形要素的关系特征和计算特征，地形属性 可分为
– 地形曲面参数（parameters）
• 具有明确的数学表达式和物理定义，并可在DEM上直接量算， 如坡度、坡向、曲率等
– 地形形态特征（features）
• 是地表形态和特征的定性表达，可以在DEM上直接提取，其 特点是定义明确，但边界条件有一定的模糊性，难以用数学表 达式表达，如在实际的流域单元的划分中，往往难于确定流域 的边界
• 对于数字高程模型而言，空间结构的构造过程即 为DEM的格网化过程（形成格网），属性值为高 程，构造空间域函数即为内插函数的确定，利用 空间域函数进行分析就是求取格网点的函数值
规则格网DEM建立
• DEM是在二维空间上对三维地形表面的描述 • 构建DEM的整体思路
– 首先在二维平面上对研究区域进行格网划分（格网大 小取决于DEM的应用目的），形成覆盖整个区域的格 网空间结构
线性插值 双线性插值 高次多项式插值
整体内插
• 在整个区域用一个数学函数来表达地形曲面 • 整体内插函数通常是高次多项式，要求地形采样点的个数
• 可视性分析包括两方面内容，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
数字地形分析
• 数字地形分析的方法
– 地形统计特征分析
• 地形统计分析是应用统计方法对描述地形特征的各种可量化的 因子或参数进行相关、回归、趋势面、聚类等统计分析，找出 各因子或参数的变化规律和内在联系，并选择合适的因子或参 数建立地学模型
– DEM也常常称为DTM（DigitalTerrainModel） – 从狭义角度定义，DEM是区域表面海拔高程的数字化表达 – 从广义角度定义，DEM是地理空间中地理对象表面海拔高度的数
字化表达，该定义将描述对象不再限定在“地表面”，因而具有 更大的包容性，有海底DEM、下伏岩层DEM、大气等压面DEM 等
基本概念
• 数学意义上的数字高程模型是定义在二维空间上 的连续函数 H f (x, y)
• DEM的数学定义为区域D的采样点或内插点Pj按
某种规则 连接成的面片M的集合
DEM {Mi (Pj ) Pj (xj , yj , H j ) D, j 1,n,i 1,, m}
数字地形分析
– 地形统计特征（statistics）
• 指给定地表区域的统计学上的特征
– 复合地形属性（compoundattributes）
• 在地形曲面参数和地形形态特征的基础上，利用应用学科（如 水文学、地貌学和土壤学）的应用模型而建立的环境变量，通 常以指数形式表达
数字地形分析
• 数字地形分析的方法
数字地形分析方法
………
坡面地形因子提取
提取坡度
提取坡面曲率
特征地形要素提取 地形统计特征分析
流域分析 可视域分析
数字地形分析常用方法
DEM建立
• 数字高程模型的建立过程是一个模型建立过程， 建模的目的是对复杂的客体进行简化和抽象，并 把对客体（源域，DEM中为地形起伏）的研究转 移到对模型的研究上来
•
DEM内插
DEMห้องสมุดไป่ตู้插分类方法
规则分布内插方法
数据分布
不规则分布内插方法
等高线数据内插方法
整体内插方法
内插范围
局部内插方法
逐点内插方法
纯二维内插 内插曲面与参考点关系
曲面拟合内插
内插函数性质 地形特征理解
多项式内插
样条内插 有限元内插 最小二乘配置内插 克立金内插 多层曲面叠加内插 加权平均值内插 分形内插
第9章 DEM与数字地形分析
朱莹
主要内容
• 基本概念 • DEM建立 • 数字地形分析
基本概念
• 数字高程模型
– 数字高程模型（DigitalElevationModel，简称DEM）是通过有限 的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟（即地形表面形态 的数字化表示），它是对二维地理空间上具有连续变化特征地理 现象的模型化表达和过程模拟
– 然后利用分布在格网点周围的地形采样点内插计算格 网点的高程值
– 最后按一定的格式输出，形成该地区的格网DEM
不规则分布点
规则分布
等高线分布
x
Y 对每一格网点求取格网点高程
格网DEM建立流程
DEM内插方法
• DEM构建的关键环节是根据采样点的值内插计算 格网点上的高程值
• 内插是指根据分布在内插点周围的已知参考点的 高程值求出未知点的高程值，它是DEM的核心问 题，贯穿于DEM的生产、质量控制、精度评定、 分析应用的各个环节
• DEM按照结构，可分为规则格网DEM、TIN、基 于点的DEM和基于等高线的DEM等
• 由于规则格网结构简单，算法设计明了，在实际 运用中被广泛采用
数字地形分析
• 数字地形分析DigitalTerrainAnalysis,DTA，是 指在数字高程模型上进行地形属性计算和特征提 取的数字信息处理技术
• 首先要为模型构造一个合适的空间结构 spatialframework
– 空间结构是为把特定区域内的空间目标镶嵌在一起而 对区域进行的划分，划分出的各个空间范围称为位置 区域或空间域。空间结构一般是规则的（如格网）， 或不规则的（如不规则三角网TIN）
DEM建立
• 建立在空间结构基础上的模型是由n个空间域的 有限集合组成
– 提取坡面地形因子
• 地形定量因子是为有效地研究与表达地貌形态特征所设定的具 有一定意义的参数或指标
• 常用的坡面地形因子有坡度、坡向、平面曲率、坡面曲率、地 形起伏度、粗糙度、切割深度等
数字地形分析
• 数字地形分析的方法
– 提取特征地形要素
• 流域分析主要是根据地表物质运动的特性，特别是水流运动的 特点，利用水流模拟的方法来提取水系、山脊线、谷底线等地 形特征线，并通过线状信息分析其面域特征