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1、第二章第二章 DEM DEM的数据组织与管理的数据组织与管理2.12.1概述概述数字高程模型是地形曲面的数字化表达，也就是说，DEM是在计算机存储介质上科学、真实地描述、表达和模拟地形曲面实体，因此它的建立实际上是一种地形数据的建模过程。DEM的建立首先要对地形曲面进行抽象、总结和提炼，形成高度概括的地形曲面数据模型，然后在此数据模型基础上，将观测数据按照一定的结构组织在一起，形成对数据模型的表述，最后借助计算机实现数据管理和地形重建。按一定结构组织在一起的地形数据，一般通过数据库进行管理和调度（当然小范围的数据也可采用文件形式进行管理）。DEM DEM 数据设数据设计计基本原则基本原则2.2
2、2.2DEMDEM数据模型：镶嵌数据模型数据模型：镶嵌数据模型镶嵌数据模型（Tessellation model）源于这样的思想：空间对象可用相互连接在一起的网络来覆盖和逼近，或者说用在二维区域上的网络划分来覆盖整个研究区域。镶嵌数据模型特别适合于对三维离散空间数据的表达，以及对具有连续变化的空间对象的模拟。网络的特征参数包括网格尺寸、形状、方位等，对同一地理现象可以由若干不同的尺度、不同的聚分性网络来覆盖。镶嵌数据模型按照网格形状可分为规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型，镶嵌模型的典型应用是地形曲面模拟，即数字高程模型，其中基于正方形网络的镶嵌数据模型为栅格DEM，而基于不规则镶嵌数据模型
3、为不规则三角网DEM。2.2.12.2.1规则镶嵌数据模型规则镶嵌数据模型概念：就是用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。在二维空间中可以有多种可能的规则格网划分方法,如图。2.2.2.2.1 1规则镶嵌数据模型规则镶嵌数据模型构造规则镶嵌模型的方法 用数学手段将研究区域进行网格划分，把连续的地理空间离散为互不覆盖的网格，然后对网格单元附加相应的属性信息（即高程值）。例如对规则格网的DEM而言，一般通过曲面拟合方法求得栅格单元的高程值。2.2.12.2.1规则镶嵌数据模型规则镶嵌数据模型评价评价 优点：（1）其数据结构为通常的二维矩阵结构，每个网格单元表示二维空间的一个位置，不管是沿水
4、平方向还是垂直方向，均能方便地利用简单的数学公式访问任何位置的格网单元；（2）处理这种结构的算法比较多而且成熟，大多数计算机程序语言都有矩阵处理功能。（3）以矩阵形式存储和组织数据还具有隐式坐标，即格网单元的平面坐标隐含在矩阵的行列号之中，从而不需要进行坐标数字化。缺点：是不管地形变化复杂还是简单，均采用相同的结构，导致数据冗余而给数据管理带来不便。2.2.22.2.2不规则镶嵌数据模型不规则镶嵌数据模型概念：是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界，如图。在DEM中，基于三角形的不规则镶嵌模型又称为不规则三角网（Triangulated Irregular Network，简称TIN）
5、，是DEM的又一主要表达形式。TIN模型是三维空间上的分段线性模型，整个区域内连续但不可微。2.2.22.2.2不规则镶嵌数据模型不规则镶嵌数据模型特点：特点：不不规规则则三三角角网网数数字字高高程程模模型型由由连连续续的的三三角角面面组组成成，三三角角形形的的形形状状、大大小小取取决决于于不不规规则则分分布布的的点点的的位位置置和和密密度度。地地形形变变化化越越简简单单，采采样样点点就就越越少少，则则单单元元格格就就越越大大；反反之之地地形形变化比较复杂，数据点分布比较密集，格网单元就越小变化比较复杂，数据点分布比较密集，格网单元就越小。与规则格网的区别：与规则格网的区别：TINTIN模模型
6、型不不需需要要维维护护模模型型的的结结构构规规则则性性，不不但但能能灵灵活活地地随随地地形形的的复复杂杂程程度度而而改改变变格格网网单单元元大大小小，避避免免平平坦坦地地形形的的数数据据冗冗余余，而而且且又又能能按按地地形形特特征征点点线线如如山山脊脊点点、山山谷谷线线、地地形变化线等表示地形特征。形变化线等表示地形特征。2.3 DEM2.3 DEM数据结构数据结构2.3.12.3.1规则格网规则格网DEMDEM数据结构数据结构（1 1）简单矩阵结构）简单矩阵结构规规则则格格网网DEMDEM的的数数据据在在水水平平方方向向和和垂垂直直方方向向的的间间隔隔相相等等，格格网网点点的的平平面面坐坐标
7、标隐隐含含在在行行列列号号中中，故故适适宜宜用用矩矩阵阵形形式式进进行行存存储储，即即按按行行（或或列列）逐逐一一记记录录每每一一个个格格网网单单元元的的高程值。高程值。同同时时为为了了实实现现行行列列号号和和平平面面位位置置坐坐标标之之间间的的转转换换，还还需需要要 记记 录录 格格 网网 西西 南南 角角 的的 坐坐 标标 值值、格格 网网 间间 距距 等等。规规则则格格网网DEMDEM的的数数据据文文件件一一般般包包含含数数据据头头和和数数据据体体。数数据据头头：定定义义DEMDEM西西南南角角起起点点坐坐标标、坐坐标标类类型型、格格网网间间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等内容。距
8、、行列数、最低高程以及高程放大系数等内容。数据体数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列。：按行或列分布记录的高程数字阵列。ArcviewArcview的文本文件格式的文本文件格式（2 2）行程编码结构）行程编码结构DEMDEM行行程程编编码码的的基基本本思思路路是是：对对于于一一幅幅DEMDEM，常常常常在在行行(或或列列)方方向向上上相相邻邻的的若若干干点点具具有有相相同同的的高高程程值值，因因而而从从第第一一列列开开始始，在在格格网网单单元元数数值值发发生生变变化化时时依依次次记记录录该该值值以以及及重重复复的的个个数数，应应用用时时可可利利用用重重复复个个数数恢恢复复DEMDEM矩阵。矩
9、阵。行行程程编编码码方方案案实实际际上上是是一一种种栅栅格格数数据据的的压压缩缩方方案案，能能够有效的减少够有效的减少DEMDEM数据存储量，特别是对平坦地区。数据存储量，特别是对平坦地区。（3 3）块状编码结构）块状编码结构块块状状编编码码方方案案是是行行程程编编码码方方案案从从一一维维扩扩展展到到二二维维的的情情况况，它它采采用用方方形形区区域域作作为为记记录录单单元元，每每个个记记录录单单元元包包括括相相邻邻的的若若干栅格。干栅格。该该数数据据结结构构是是由由记记录录单单元元的的初初始始位位置置(行行、列列号号)、格格网网单单元元高高程程值值和和方方形形区区域域半半径径(正正方方形形区区
10、域域的的边边长长，采采用用格格网网间间距距倍倍数数表表示示)所所组组成成的的单单元元组组，即即(行行号号，列列号号，格格网网高高程程值值，区区域域半半径径)，整整个个DEMDEM数数据据文文件件由由该该单单元元组组组组成成，根根据据初初始始位位置置和区域半径可恢复高程矩阵和区域半径可恢复高程矩阵。（4 4）四叉树结构）四叉树结构四叉树数据结构是一种对栅格数据四叉树数据结构是一种对栅格数据的的压缩编码方法压缩编码方法。基基本本思思想想是是将将一一幅幅栅栅格格数数据据层层或或图图像像等等分分为为四四个个部部分分，逐逐块块检检查查其其格格网网属属性性值值（或或灰灰度度）；如如果果某某个个子子区区的的
11、所所有有格格网网值值都都具具有有相相同同的的值值，则则这这个个子子区区就就不不再再继继续续分分割割，否否则则还还要要把把这这个个子子区区分分割割为为四四个个子子区区；这这样样依依次次 分分 割割，直直 到到 每每 个个 子子 块块 都都 只只 含含 有有 相相 同同 的的 属属 性性 值值 或或 灰灰 度度 为为 止止。2.3.2 TIN2.3.2 TIN结构结构不不规规则则三三角角网网DEMDEM直直接接利利用用原原始始采采样样点点进进行行地地形形表表面面的的重重建建，由由连连续续的的相相互互联联接接的的三三角角面面组组成成，三三角角面面的的形形状状和和大大小小取取决决于不规则分布的观测点的
12、密度和位置。于不规则分布的观测点的密度和位置。AEDCB165432TIN 模型基本结构元素 拓扑关系TIN 文件组成AEDCB165432三角形节点A1，5，6B4，5，6C3，4，6D2，3，6E1，2，6三角形/节点关系表坐标表节点坐标1X1，Y1，Z12X2，Y2，Z23X3，Y3，Z34X4，Y4，,Z45X5，Y5，Z56X6，Y6，Z6TIN 的数据结构类型TIN 的面结构TINTIN的的面面结结构构在在基基本本链链表表结结构构基基础础上上增增加加了了用用来来描描述述三三角角形形之之间间拓拓扑扑关关系系的的数数据据，也也就就是是说说TINTIN的的面面结结构构一一般般由由三三个个
13、表表组组成成，即即坐坐标标表、三角形顶点表以及邻接三角形表。表、三角形顶点表以及邻接三角形表。特特点点：由由于于存存储储了了三三角角形形之之间间的的邻邻接接关关系系，TINTIN内内插插、检检索索、等等高高线提取、显示及局部结构分析都比较方便。线提取、显示及局部结构分析都比较方便。不足：存储量较大，而且在不足：存储量较大，而且在TINTIN的编辑中要随时维护这种关系。的编辑中要随时维护这种关系。TIN 的点结构TINTIN的点结构由坐标文件和三角形顶点的邻接指针链组成。的点结构由坐标文件和三角形顶点的邻接指针链组成。三三角角形形顶顶点点的的邻邻接接点点是是指指共共用用该该顶顶点点的的所所有有三
14、三角角形形其其余余两两顶顶点点的不重复顶点的集合的不重复顶点的集合，可按顺时针或逆时针方向顺序组成。，可按顺时针或逆时针方向顺序组成。每个顶点的邻接点顺次存储在一个链表中。每个顶点的邻接点顺次存储在一个链表中。特点：存储量小，编辑方便。特点：存储量小，编辑方便。不足：但三角形及其邻接关系需实时再生成，计算量比较大。不足：但三角形及其邻接关系需实时再生成，计算量比较大。TIN 的点面结构在点结构基础上，增加组成三角形三顶点的数表。在点结构基础上，增加组成三角形三顶点的数表。特点：结构存储量与面结构的大致相当，编辑、显示比较方便。特点：结构存储量与面结构的大致相当，编辑、显示比较方便。不足；由于三
15、角形之间的关系是隐式的，检索与内插效率不太高。不足；由于三角形之间的关系是隐式的，检索与内插效率不太高。TIN 的边结构TINTIN的的边边结结构构是是从从组组成成整整个个TINTIN模模型型的的所所有有三三角角形形中中，抽抽取取其其不不重复边集所组成。重复边集所组成。特点：存储量比较小，非常适合等高线的提取特点：存储量比较小，非常适合等高线的提取不足：编辑、内插以及检索不太方便。不足：编辑、内插以及检索不太方便。TIN 的边面结构边边面面结结构构重重点点在在于于刻刻画画三三角角形形边边和和三三角角形形面面之之间间的的拓拓扑扑关关系系，一一般般由由边边表表和和邻邻接接三三角角形形表表组组成成。
16、在在边边表表中中，定定义义该该边边的的起起点点、终终点点和和左右相邻三角形，而邻接三角形表中则记录三角形之间的拓扑关系。左右相邻三角形，而邻接三角形表中则记录三角形之间的拓扑关系。特特点点：为为上上述述所所有有结结构构中中存存储储量量最最大大的的，虽虽然然在在检检索索、等等高高线线提提取取等方面比较方便。等方面比较方便。不足不足：不利于动态更新和维护。：不利于动态更新和维护。p不规则三角网不规则三角网DEMDEM的的优点优点是：是：能能充充分分利利用用地地貌貌的的特特征征点点和和特特征征线线，较较好好地地表表示示复复杂杂地地形；形；可根据不同的地形，选取合适的采样点数；可根据不同的地形，选取合
17、适的采样点数；进行地形分析和绘制立体图也很方便。进行地形分析和绘制立体图也很方便。p其其缺缺点点是是：由由于于数数据据结结构构复复杂杂，因因而而不不便便于于规规范范化化管管理理，难以与矢量和栅格数据进行联合分析。难以与矢量和栅格数据进行联合分析。格网格网DEMDEM和和TINTIN的的对比对比 2.3.3 2.3.3 格网与不规则三角网结构混合结构格网与不规则三角网结构混合结构由由于于规规则则格格网网DEMDEM和和不不规规则则三三角角网网各各有有优优缺缺点点，在在实实际际应应用用中中，在在大大范范围围内内一一般般采采用用规规则则格格网网附附加加地地形形特特征征数数据据，如如地地形形特特征征点
18、点、山山脊脊线线、山山谷谷线线、断断裂裂线线等等，构构成成全全局局高高效效、局局部部完完美美的的DEMDEM，规规则则格格网网DEMDEM被被分分割割而形成一个局部的不规则三角网。而形成一个局部的不规则三角网。由由于于特特征征线线作作为为矢矢量量数数据据具具有有比比规规则则格格网网复复杂杂得得多多的的拓拓扑扑结结构构和和属属性性内内容容，一一般般还还是是采采用用混混合合的的数数据据结构分别进行处理。结构分别进行处理。当当然然也也可可以以设设计计一一个个一一体体化化的的数数据据结结构构同同时时组组织织这这些些不不同同类类型型的的数数据据，比比如如将将所所有有矢矢量量都都栅栅格格化化。另另外外，考
19、考虑虑到到混混合合结结构构将将导导致致数数据据管管理理复复杂杂化化并并降降低低数数据据检检索索的的效效率率，根根据据研研究究区区域域的的大大小小和和软软件件性性能能，应用时常常将应用时常常将其实时地完全转换为其实时地完全转换为TINTIN的数据结构的数据结构。2.4 DEM2.4 DEM数据库管理数据库管理2.4.1 DEM2.4.1 DEM数据库内容数据库内容 DEMDEM已成为已成为GISGIS的核心数据库和地学分析的基础数据的核心数据库和地学分析的基础数据。DEMDEM数数据据与与遥遥感感影影像像数数据据、矢矢量量特特征征数数据据、多多媒媒体体数数据据等等数数据据进进行行融融合合和和信信
20、息息的的复复合合处处理理，DEMDEM从从单单一一的的文文件件结结构构向向复复杂的信息系统发展已成为一种必然的趋势。杂的信息系统发展已成为一种必然的趋势。DEMDEM数据库属空间数据库。数据库属空间数据库。DEMDEM数据库的内容如图。数据库的内容如图。在在一一个个关关系系数数据据库库里里最最普普通通的的对对象象是是关关系系表表，其其他他对对象象如如索索引引、视视图图、序序列列、同同义义字字和和数数据据字字典典等等都都用用来来进进行行查询和数据存取。查询和数据存取。表表是是基基本本的的存存储储结结构构，是是一一个个由由若若干干行行和和列列的的数数据据元元素素组成的二维矩阵。组成的二维矩阵。表表
21、的的每每一一行行包包含含了了描描述述一一个个实实体体的的所所有有信信息息，而而其其中中的的一列则表示这个实体的一个属性一列则表示这个实体的一个属性。DEM数数据据库库结结构构实实质质上上是是DEM的的数数据据结结构构。对对于于TIN而而言言，一一般般是是把把三三角角形形的的顶顶点点看看作作数数据据库库中中的的基基本本实实体体，并并在在此此基基础础上上定定义义是是三三角角形形顶顶点点、三三角角形形边边、三三角角形形面面之间的拓扑关系。之间的拓扑关系。在在DEM构构建建过过程程中中，还还有有一一类类比比较较重重要要的的数数据据，即即地地形形特特征征数数据据，如如地地形形断断裂裂线线、特特殊殊边边界
22、界线线、山山脊脊线线、山山谷谷线线等等，它它们们是是高高精精度度逼逼真真再再现现地地形形的的保保证证，同同时时也也是是信信息息复复合合的的需需要要，一一般般在在DEM数数据据库库中中也也予予以以保保留留。它它们们的结构如下图所示。的结构如下图所示。2.4.2 DEM2.4.2 DEM数据库结构数据库结构 2.4.3 DEM2.4.3 DEM数据库数据组织数据库数据组织定义：定义：DEMDEM数据的管理和调度方式。数据的管理和调度方式。组织方式：组织方式：“工程工程-工作区工作区-图幅图幅”工程工程：是指一个区域内的：是指一个区域内的全部全部DEMDEM数据数据。图图幅幅：是是按按照照一一定定规
23、规则则对对研研究究区区域域进进行行二二维维划划分分是是DEMDEM数数据据采采集集、建建立立、操操作作和和调调度度的的基基本本单单位位，每每一一个个图图幅幅由由若若干干行行和若干列格网单元组成。和若干列格网单元组成。工工作作区区：是是当当前前感感兴兴趣趣的的研研究究区区域域，一一般般情情况况下下工工作作区区就就是是图幅，如果需要，也可将图幅，如果需要，也可将多个图幅定义为一个工作区多个图幅定义为一个工作区。图图幅幅由由坐坐标标范范围围定定义义，通通过过记记录录每每一一个个图图幅幅范范围围的的空空间间索索引引文文件件(工工作作区区范范围围通通过过图图幅幅范范围围确确定定)，即即可可建建立立工工程
24、程与与工工作作区、图幅之间的联系。区、图幅之间的联系。当当一一个个工工程程具具有有不不同同的的分分辨辨率率的的DEM时时，则则形成细节层次模型（形成细节层次模型（levels oF Detail LOD）。）。LOD模型形成方案：模型形成方案：（1）形形成成某某一一地地区区不不同同分分辨辨率率的的DEM，通通过过一一体体化化管管理理建建立立金金字字塔塔数数据据库库核核心心是是不不同同分分辨率辨率DEM的融合。的融合。（2）在在地地形形可可视视化化中中，实实施施细细节节分分层层是是一一个个热点。热点。图图 幅幅 由由 坐坐 标标 范范 围围 定定 义义，例例 如如，图图 幅幅 H的的 范范 围围
25、 是是（270,120,280,130）。通通过过记记录录每每一一个个图图幅幅范范围围的的空空间间索索引引文文件件（工工作作区区范范围围通通过过图图幅幅范范围围确确定定），即即可可建建立立工工程程与与工工作作区区、图图幅幅之之间间的的联联系系，用用户户可可以以在在工工程程界界面面下下，确确定定整整个个工工程程内内任任意意一一点点的的DEM值值，也也可可在在工工程程内内开开窗窗、放放大大、漫漫游游、查查询询、分分析析和和制制图图。在在工工程程-工工作作区区-图图幅幅层层次次结结构构空空间间索引下，可保证索引下，可保证DEM数据的快速查询和无缝浏览。数据的快速查询和无缝浏览。上上述述空空间间索索引
26、引模模式式对对格格网网DEM是是非非常常适适合合的的，但但对对TIN而而言言，要注意两点：要注意两点：（1）由由于于TIN的的每每个个图图幅幅区区域域的的边边界界不不规规则则，为为避避免免相相邻邻图图幅幅之之间间的的接接边边问问题题，一一般般在在进进行行数数据据分分幅幅时时，各各个个图图幅幅之之间间要有一定的重叠度。要有一定的重叠度。（2）TIN的的不不规规则则性性，为为快快速速对对点点所所在在三三角角形形进进行行定定位位，有有必必要要在在图图幅幅内内建建立立TIN的的空空间间索索引引，常常用用的的如如链链表表+头头指指针针、四叉树等。四叉树等。DEMDEM元数据元数据2.4.5 DEM2.4.5 DEM数据库功能数据库功能数据库的专业服务课后作业课后作业1.DEM1.DEM数据模型设计遵循的基本原则有哪些？数据模型设计遵循的基本原则有哪些？2.2.镶嵌数据模型的思想、类型和应用范围？镶嵌数据模型的思想、类型和应用范围？3.3.规则镶嵌数据模型构造方法、特点？规则镶嵌数据模型构造方法、特点？4.4.不规则镶嵌数据模型构造方法、特点？不规则镶嵌数据模型构造方法、特点？5.DEM5.DEM的数据结构有哪些？的数据结构有哪些？6.6.格网格网DEMDEM与与TINTIN的比较？的比较？7.7.什么是元数据？什么是元数据？