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1、地理信息系统原理GIS一、一、DTM DTM 和和 DEM DEM 1 1、含义、含义：DEMDEM，（，（Digital Elevation ModelsDigital Elevation Models），数字高程模型是国家基础空间数据的重要组成），数字高程模型是国家基础空间数据的重要组成部分，它表示地表区域上地形的部分，它表示地表区域上地形的三维向量三维向量的的有限有限序列，即地表单元上序列，即地表单元上高程的集合高程的集合，数学，数学表达为：表达为：z=fz=f（x x，y y），地面任一点可以由三维的坐标对表示（），地面任一点可以由三维的坐标对表示（x,y,z)x,y,z)。DTMDT
2、M,（Digital Terrain ModelsDigital Terrain Models）：数字地形模型是建立不同层次的资源与环境系统：数字地形模型是建立不同层次的资源与环境系统不可缺少的组成部分。不可缺少的组成部分。z z为其他二维表面上为其他二维表面上连续变化连续变化的的地理特征地理特征，如地面温度、降雨、，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特征。地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其他地面特征。第八章第八章 数字高程模型（数字高程模型（DEM)DEM)2 2、表示法：、表示法：地理信息系统原理GIS2 2、表示法：、表示法：1）等高线法等高线法 等高等高
3、线线通常被存通常被存储储成一个成一个有序有序的的坐坐标标点序列点序列，可以，可以认为认为是一条是一条带带有高程有高程值值属性的属性的简简单单多多边边形形或多或多边边形弧段。由于等高形弧段。由于等高线线模型只是表达了区域的模型只是表达了区域的部分高程部分高程值值，往往需要一，往往需要一种种插插值值方法方法来来计计算落在算落在等高等高线线以外以外的的其他点其他点的高程，又因的高程，又因为这为这些点是落在两条等高些点是落在两条等高线线包包围围的区域内，所以，通常只要使用的区域内，所以，通常只要使用外包的外包的两条等高两条等高线线的高程的高程进进行行插插值值。地理信息系统原理GIS2 2）TIN TI
4、N 法法 TIN TIN（Triangulated Irregular Network)Triangulated Irregular Network)表示法利用所有采表示法利用所有采样样点取得的离散数点取得的离散数据，按照据，按照优优化化组组合合的原的原则则，把，把这这些离散点（各三角形的些离散点（各三角形的顶顶点）点）连连接成相互接成相互连续连续的的三角面三角面（在（在连连接接时时，尽可能地确保每个三角形都是，尽可能地确保每个三角形都是锐锐角三角形角三角形或是三或是三边边的的长长度近度近似似相等）。相等）。因因为为TINTIN可根据地形的可根据地形的复复杂杂程度程度来确定采来确定采样样点的点
5、的密度密度和和位置位置，能，能充分表示充分表示地形地形特征点和特征点和线线，从而，从而减少了减少了地形地形较较平坦地区的平坦地区的数据冗余数据冗余。地理信息系统原理GIS3 3）规则规则格网法格网法(Grid)(Grid)规则规则格网法是把格网法是把DEMDEM表示成表示成高程矩高程矩阵阵，此，此时时，DEMDEM来源于直接来源于直接规则规则矩形格网采矩形格网采样样点或由不点或由不规则规则离散数据点内插离散数据点内插产产生。生。结构简单结构简单，计计算机算机对对矩矩阵阵的的处处理理比比较较方便方便，高程矩高程矩阵阵已成已成为为DEMDEM最通用最通用的形式。高程矩的形式。高程矩阵阵特特别别有利
6、于有利于各种各种应应用用。但但GridGrid系系统统也有下列也有下列缺点缺点：a)a)地形地形简单简单的地区存在的地区存在大量冗余数大量冗余数据据；b)b)如不改如不改变变格网大小格网大小,则则无法适用无法适用于起伏程度不同于起伏程度不同的地区；的地区；c)c)对对于某些特殊于某些特殊计计算如算如视线视线计计算算时时，格网的，格网的轴线轴线方方向被夸大向被夸大；d)d)由于由于栅栅格格过过于粗略，于粗略，不能精确不能精确表示地形的关表示地形的关键键特特征征,如山峰、洼坑、山脊等；如山峰、洼坑、山脊等；3 3、DEM DEM 特点特点地理信息系统原理GIS3 3、DEM DEM 特点特点1 1
7、）容容易易以以多多种种形形式式显显示示地地形形信信息息。地地形形数数据据经经过过计计算算机机软软件件处处理理过过后后，产产生生多多种种比比例例尺尺的的地地形形图图、纵纵横横断断面面图图和和立立体体图图。而而常常规规地地形形图图一一经经制制作作完完成成后后，比比例例尺尺不容易不容易改变或需要人工处理。改变或需要人工处理。2 2）精精度度不不会会损损失失。常常规规地地图图随随着着时时间间的的推推移移，图图纸纸将将会会变变形形，失失掉掉原原有有的的精精度度。而而DEMDEM采采用用数数字字媒媒介介，因因而而能能保保持持精精度度不不变变。另另外外，由由常常规规的的地地图图用用人人工工的的方方法法制作其
8、他种类的地图，精度会制作其他种类的地图，精度会受到损失受到损失，而由，而由DEMDEM直接输出，精度可直接输出，精度可得到控制得到控制。3 3）容容易易实实现现自自动动化化、实实时时化化。常常规规地地图图要要增增加加和和修修改改都都必必须须重重复复相相同同的的工工序序，劳劳动动强强度度大大而而且且周周期期长长，而而DEMDEM由由于于是是数数字字形形式式的的，所所以以增增加加和和修修改改地地形形信信息息只只需需将修改信息直接将修改信息直接输入计算机输入计算机，经软件经软件处理后即可得各种地形图。处理后即可得各种地形图。与与传统传统地形地形图图比比较较，DEMDEM作作为为地形表面的一种数字表达
9、形式有如下特点：地形表面的一种数字表达形式有如下特点：地理信息系统原理GIS4 4、DEMDEM应用应用 1 1）作为国家地理信息的基础数据；）作为国家地理信息的基础数据；2 2）土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计；）土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计；3 3）为军事目的而进行的三维显示；）为军事目的而进行的三维显示；4 4）景观设计与城市规划；）景观设计与城市规划；5 5）流水线分析、可视性分析；）流水线分析、可视性分析；6 6）交通路线的规划与大坝选址；）交通路线的规划与大坝选址；7 7）不同地表的统计分析与比较；）不同地表的统计分析与比较；8 8）生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助
10、地貌分析、估计侵蚀和径流等；）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 9）作作为为背背景景叠叠加加各各种种专专题题信信息息如如土土壤壤、土土地地利利用用及及植植被被覆覆盖盖数数据据等等，以以进进行行显显示示与与分析；分析；10 10）与）与GISGIS联合进行空间分析；联合进行空间分析；11 11）虚拟现实）虚拟现实(Virtual Reality)(Virtual Reality)；此外，从此外，从DEMDEM还还能派生以下主要能派生以下主要产产品：平面等高品：平面等高线图线图、立体等高、立体等高线图线图、等坡度、等坡度图图、晕晕渲渲图图、通、通视图视图、纵纵横断面横
11、断面图图、三、三维维立体透立体透视图视图、三、三维维立体彩色立体彩色图图等。等。返回返回地理信息系统原理GIS二、二、DEMDEM建立建立1 1、数据获取与处理、数据获取与处理沿断面采集沿断面采集选点采集选点采集1 1）数据采集数据采集地理信息系统原理GIS2)2)数据处理数据处理 资料来源于张超主编的地理信息系统教程所配光盘资料来源于张超主编的地理信息系统教程所配光盘地理信息系统原理GIS2 2、DEM DEM 生成生成1 1）人工网格法）人工网格法 在地形图上蒙上格网，在地形图上蒙上格网，逐格逐格读读取取中心点中心点或或交点交点的高程值。的高程值。对有限个离散点，对有限个离散点，每三个每三
12、个邻近点邻近点联联结成结成三角形，每个三角形代表一个三角形，每个三角形代表一个局局部平面部平面，再根据每个平面方程，可计，再根据每个平面方程，可计算算各格网点各格网点高程，生成高程，生成DEMDEM。2 2）三角网法）三角网法地理信息系统原理GIS3 3）立体像对法）立体像对法 资料来源于张超主编的地理信息系统教程所配光盘资料来源于张超主编的地理信息系统教程所配光盘D地理信息系统原理GIS4 4）曲面拟合法）曲面拟合法 根据根据有限个有限个离散点的高程，采用离散点的高程，采用多项式多项式或或样条函数样条函数求得求得拟合公式拟合公式，再逐个计算各点，再逐个计算各点的高程，得到拟合的的高程，得到拟
13、合的DEMDEM。可反映。可反映总的地势总的地势，但，但局部局部误差误差较大较大。可分为：可分为：整体拟合整体拟合：根据研究区域内：根据研究区域内所有采样点所有采样点的观测值建立的观测值建立趋势面模型趋势面模型。特点是不能反映内插。特点是不能反映内插区域内的局部特征。区域内的局部特征。局部拟合局部拟合：利用：利用邻近的邻近的数据点数据点估计估计未知点的值，能未知点的值，能反映局部反映局部特征。特征。地理信息系统原理GIS5 5）等值线插值法）等值线插值法 资料来源于资料来源于张超主编的张超主编的地理信息地理信息系统教程系统教程所配光盘所配光盘地理信息系统原理GIS三、三、DEM DEM 的应用
14、的应用（一）（一）基于基于DEMDEM的信息提取的信息提取1 1、坡度、坡度定义为定义为地表单元的法向地表单元的法向与与Z Z轴轴的夹角，即的夹角，即切平面切平面与与水平面水平面的夹角。的夹角。在在计计算算出出各各地地表表单单元元的的坡坡度度后后，可可对对不不同同的的坡坡度度设设定定不不同同的的灰灰度度级级，可可得得到到坡坡度度图图。2 2、坡向、坡向坡向是地表单元的法向量在坡向是地表单元的法向量在水平面上的投影水平面上的投影与与X X轴轴之间的夹角，之间的夹角，在在计计算算出出每每个个地地表表单单元元的的坡坡向向后后，可可制制作作坡坡向向图图，通通常常把把坡坡向向分分为为东东、南南、西西、北
15、北、东东北北、西西北北、东东南南、西西南南8 8类类，再再加加上上平平地地，共共9 9类类，用用不不同同的的色色彩彩显显示示，即即可可得得到到坡坡向向图。图。（Grid DEMGrid DEM上制作坡度、坡向图上制作坡度、坡向图）3 3、地表粗造度（破碎度）、地表粗造度（破碎度）是是反反映映地地表表的的起起伏伏变变化化和和侵侵蚀蚀程程度度的的指指标标，一一般般定定义义为为地地表表单单元元的的曲曲面面面面积积与与其其水水平平面上的面上的投影面积投影面积之比。之比。4 4、高程变异分析、高程变异分析地理信息系统原理GISGrid DEMGrid DEM上制作坡度、坡向图上制作坡度、坡向图 通常用通
16、常用3*33*3的格网窗口在的格网窗口在DEMDEM数据矩阵中连续移动计算完成。数据矩阵中连续移动计算完成。返回返回部分资料来源于张超主编的地理部分资料来源于张超主编的地理信息系统教程所配光盘信息系统教程所配光盘地理信息系统原理GIS4 4、高程变异分析、高程变异分析平地平地岗丘岗丘丘陵丘陵低山低山高山高山绝对绝对h h400600400600相对相对h h100100100-200100-200坡向坡向33DEMDEM计算地表形态要素计算地表形态要素H,H,H,H,坡度、坡向等坡度、坡向等地形分类标准表地形分类标准表地形自动分类地形自动分类5 5、地貌形态的自动分类地貌形态的自动分类包括平均
17、高程、相对高程、高程标准差，高程变异。包括平均高程、相对高程、高程标准差，高程变异。高程变异：为格网顶点的高程变异：为格网顶点的高程标准差高程标准差与与平均高程平均高程的的比值比值。地理信息系统原理GIS（二）等高线的绘制（二）等高线的绘制 在格网在格网DEMDEM上上自动绘制自动绘制等高线主要包括两个步骤：等高线主要包括两个步骤：1 1、等高线追踪、等高线追踪，利用，利用DEMDEM矩形格网点的高程内插出矩形格网点的高程内插出格网边上格网边上的等高线的等高线点，并将这些等高线点点，并将这些等高线点排序排序；2 2、等高线光滑、等高线光滑，进一步，进一步加密加密等高线点并绘制光滑曲线。等高线点
18、并绘制光滑曲线。地理信息系统原理GIS（三）（三）基于基于DEMDEM的可视化分析的可视化分析1 1、剖面分析、剖面分析1 1）意义）意义：常常可以常常可以以线代面以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、斜坡，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。特征、地表切割强度等。如果在地形剖面上如果在地形剖面上叠加叠加其它地理变量，例如坡度、土壤、植被、土地利用现状等，可其它地理变量，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。以提供土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据。2 2）绘制）绘制 可在可在
19、格网格网DEMDEM或或三角网三角网DEMDEM上上进行。进行。已知两点的坐标已知两点的坐标A(xA(x1 1，y y1 1)，B B(x(x2 2，y y2 2)，则可求出，则可求出两点连线两点连线与与格网格网或或三角网三角网的的交点交点，并，并内插内插交点上的高程，以及各交点之交点上的高程，以及各交点之间的距离。然后按间的距离。然后按选定选定的垂直的垂直比例尺和水平比例尺，按比例尺和水平比例尺，按距离距离和和高程高程绘出剖面图。绘出剖面图。剖面图剖面图不一定不一定必须沿直线绘必须沿直线绘制，也可沿一条制，也可沿一条曲线绘制曲线绘制。地理信息系统原理GIS2 2、通视分析通视分析通视分析是指
20、以通视分析是指以某一点某一点为观察点，研究为观察点，研究某一区域某一区域通视情况通视情况的地形分析。的地形分析。1）方法）方法：a a、以以O O为为观观察察点点，对对格格网网DEMDEM或或三三角角网网DEMDEM上上的的每每个个点点判判断断通通视视与与否否，通通视视赋赋值值为为1 1，不不通通视视赋赋值值为为0 0。由由此此可可形形成成属属性性值值为为0 0和和1 1的的格格网网或或三三角角网网。对对此此以以0.50.5为为值值追追踪踪等等值值线线，即得到以即得到以O O为观察点的通视图。为观察点的通视图。b b、以以观察点观察点O O为轴，以一定的为轴，以一定的方位角间隔方位角间隔算出算
21、出00360360的的所有方位线上所有方位线上的通视情况。的通视情况。对于每条方位线，通视的地方绘线，不通视的地方断开，或相反。这样可得出射线状的对于每条方位线，通视的地方绘线，不通视的地方断开，或相反。这样可得出射线状的通视图。通视图。2）关键算法）关键算法均是判断格网或三角网上的某一点是否通视（即均是判断格网或三角网上的某一点是否通视（即两点是否两点是否可见可见）。）。(两点是否可见的算法两点是否可见的算法)3）通视分析示例）通视分析示例地理信息系统原理GIS两点是否可见的算法：两点是否可见的算法：a a）倾角法）倾角法格网格网DEMDEM为例，为例，O(xO(xo o，y yo o，z
22、zo o)为为观察点观察点，P(xP(xp p,y,yp p,z,zp p)为某一为某一格网点格网点，OPOP与格网的与格网的交点交点为为A A、B B、C C。OP OP的的倾角倾角为为 观察点与观察点与各交点各交点的的倾角倾角为为i i(i(iA,B,C)A,B,C)若若tgtgmax(tgmax(tgi i,i,iA A、B B、C)C)，则，则OPOP通视通视否则，不通视。否则，不通视。b)b)剖面图剖面图 两点连线是否与剖面相交。两点连线是否与剖面相交。A AB BA A返回返回地理信息系统原理GIS3）通视分析示例）通视分析示例观察点观察点不通视不通视通视通视雷雷达达盲盲区区飞飞行
23、行 可可视视域域的的三三维维显显示示资料来源于张超主编的地理信息系统教程所配光盘资料来源于张超主编的地理信息系统教程所配光盘地理信息系统原理GIS3 3、地形三维图绘制、地形三维图绘制 DEMDEM高程点高程点建立几建立几何模型何模型透视透视变换变换隐藏线、隐藏线、面的消除面的消除光照光照模型模型计算计算贴贴纹纹理理图形图形输出输出开放式图形标准库（开放式图形标准库（OpenGLOpenGL）。）。部分图片摘自张超主部分图片摘自张超主编的地理信息系统编的地理信息系统教程所配光盘教程所配光盘地理信息系统原理GIS4 4、地貌晕渲图绘制、地貌晕渲图绘制资料来源于张超主编的地理信息系统教程所配光盘资料来源于张超主编的地理信息系统教程所配光盘地理信息系统原理GIS5 5、模模拟拟飞飞行行地形地形 资料来源于资料来源于张超主编的张超主编的地理信息地理信息系统教程系统教程所配光盘所配光盘地理信息系统原理GIS（四）流域水文特征及土木工程（四）流域水文特征及土木工程 水淹示例水淹示例 三维规划设计三维规划设计 用于工程项目中的开挖填方、线路勘测设用于工程项目中的开挖填方、线路勘测设计、水利建设工程等。计、水利建设工程等。资料来源于资料来源于张超主编的张超主编的地理信息地理信息系统教程系统教程所配光盘所配光盘