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1、任务任务5.4 5.4 数字高程模型分析数字高程模型分析项目项目5 5 GISGIS空间数据查询与分析空间数据查询与分析内容提要01数字高程模型概述区别:DEM表示地貌，DTM不仅表示地貌也表示地物。DEM是DTM的子集数字地形模型（Digital Terrain Model，简称DTM）是利用一个任意坐标场中大量已知的X，Y，Z坐标点，对连续地面一个简单的统计表示。是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。地形属性特征包括高程、坡度、坡向、土地利用、降雨等地面特征。数字高程模型（Digital Elevation Model，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，
2、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。1.DTM及DEM的定义DEM的三维显示DEM1.DTM及DEM的定义z=f(x,y)2.DEM的表示方法1）线模式等高线*一个有序的坐标点序列*带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。*数据表达的局部性*任意点高程获得须插值。2.DEM的表示方法2）DEM的点模式表示-高程矩阵表示方法：将区域划分成网 格，记录每个网格的高程；优点：数据结构简单 计算机处理方便缺点：平坦地区-数据冗余；格网固定-无法表达复杂地形；地表表达不连续。2.DEM的表示方法2）DEM的点模式表示-GRID离散数据点内插规则矩形格网(GRID)2.DE
3、M的表示方法缺点：地形简单-大量冗余数据；地形复杂-不能精确表示地形的关键特征优点：数据结构简单 计算机处理方便2）DEM的点模式表示-GRID2.DEM的表示方法2）DEM的点模式表示-TIN 保证最邻近的点构成三角形 TIN是惟一的 力求最佳的三角形几何形状?什么样的三角网符合地形表达的要求2.DEM的表示方法2）DEM的点模式表示-TIN Delaunay三角网是唯一的 三角网的外边界构成了点集P的凸多边形“外壳”空圆特性 形成的三角形网总是具有最优的形状特征 Delaunay三角网2.DEM的表示方法任意点高程获取 顶点上-其高程与顶点相同；在线上-两个顶点线性插值得到；三角形-由三个
4、顶点插值得到。TIN的优点和缺点 优点：可变的分辨率 顾及地表特征 利用随机点数据，精度高 缺点：数据存储与操作复杂2）DEM的点模式表示-TIN2.DEM的表示方法02数字高程模型建立 建立DEM、首先必须量测一些点的三维坐标，这就是DEM数据采集或DEM数据获取，这些具有三维坐标的点称为数据点或参考点。数据采集是DEM的关键问题，数据的采集密度和采集点的选择决定DEM的精度。数据采集按采集方式可分为选点采集、随机采集、沿等高线采集、沿断面采集等；按数据的来源可分为地形图数字化采集、航空相片采集、地面测量采集、机载测高仪采集等；按数据采集的方法可分为人工、半自动和自动采集等。1.DEM数据获
5、取沿断面采集选点采集（1 1）人工网格法 2.DEM建立方法在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点或交点的高程值。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DEMDEM。（2 2）三角网法2.DEM建立方法（3 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DEMDEM。可反映总的地势，但局部误差较大。整体拟合：根据研究区域内所有采样点的观测值建立趋势面模型。特点是不能反映内插区域内的局部特征。局部拟合：利用邻近的数据点估计未知点的值，能反映局部特征。2.DEM建立方
6、法（4 4）等值线插值法 2.DEM建立方法03数字高程模型分析1.坡度 定义为地表单元的法向与Z轴的夹角，即切平面与水平面的夹角。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。3.地表粗造度（破碎度）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。一、基于DEM的信息提取Grid DEMGrid DE
7、M上制作坡度、坡向图在格网DEM上自动绘制等高线主要包括两个步骤：1.1.等高线追踪：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；2.2.等高线光滑：进一步加密等高线点并绘制光滑曲线。二、等高线的绘制1.1.剖面分析（1 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。三、基于DEM的可视化 （2）绘制 可在格网DEM或三角网DEM上进行。已知两点的坐标A(x1，y1)，B(x2，y2)，则
8、可求出两点连线与格网或三角网的交点，并内插交点上的高程，以及各交点之间的距离。然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图。剖面图不一定必须沿直线绘制，也可沿一条曲线绘制。三、基于DEM的可视化2.2.通视分析 通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。（1）方法 a.以O为观察点，对格网DEM或三角网DEM上的每个点判断通视与否，通视赋值为1，不通视赋值为0。由此可形成属性值为0和1的格网或三角网。对此以0.5为值追踪等值线，即得到以O为观察点的通视图。三、基于DEM的可视化 b.以观察点O为轴，以一定的方位角间隔算出0360的所有方位线上的通视情况。对于每
9、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。a）倾角法格网DEM为例，O(xo，yo，zo)为观察点，P(xp,yp,zp)为某一格网点，OP与格网的交点为A、B、C。OP的倾角为观察点与各交点的倾角为i(iA,B,C)，若tgmax(tgi,iA、B、C)，则OP通视；否则，不通视。b)剖面图 两点连线是否与剖面相交。（2）关键算法 均是判断格网或三角网上的某一点是否通视（即两点是否可见）。(两点是否可见的算法)三、基于DEM的可视化ABA（3 3）通视分析示例观察点观察点不通视不通视通视通视三、基于DEM的可视化3.3.地形三维图绘制 DEM高程点建立几何
10、模型透视 变换隐藏线、面的消除光照模型计算贴纹理图形输出三、基于DEM的可视化三、基于DEM的可视化3.3.地形三维图绘制 4.4.地貌晕渲图绘制三、基于DEM的可视化 地貌晕渲法即阴影立体法，它可以增加丘陵和山地地区描述高差起伏的视觉效果。自动晕渲的原理是基于“地面在人们眼里看到的是什么样子、用何种理想的材料来制作、以什么方向为光源照明方向”等模式。自动晕渲图的计算首先是根据DEM计算坡度和坡向，然后将坡向数据与光源方向比较，而向光源的斜坡得到浅色调值，反方向的斜坡得到深色调灰值，介于中间坡向的坡度得到中间灰值。灰值的大小按坡度进一步确定。5.5.模拟飞行三、基于DEM的可视化 DEM图象通
11、过与TM图象中7个不同波段进行叠加，生成仿真的真彩色或假彩色三维地形模型（DTM），在此基础上进行飞行模拟。在飞行模拟环境中，可以根据观察的需要，对地面显示速度、方位、观察位置、高程和透视角度进行交互控制，完全达到身临其境的效果。同时，它能将大范围、广视角和小范围、高精度有机地结合起来进行显示可以从不同的高度、方位由远及近地观察大山的总体记部分特征。三、基于DEM的可视化04DEM特点与应用与传统地形图比较，DEMDEM作为地形表面的一种数字表达形式有如下特点：1 1）容易以多种形式显示地形信息。地形数据经过计算机软件处理过后，产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。而常规地形图一经制作完
12、成后，比例尺不容易改变或需要人工处理。2 2）精度不会损失。常规地图随时间的推移，图纸将会变形，失掉原有的精度。而DEMDEM采用数字媒介，因而能保持精度不变。另外，由常规的地图用人工方法制作其他种类的地图，精度会受到损失，而由DEMDEM直接输出，精度可得到控制。3 3）容易实现自动化、实时化。常规地图要增加和修改都必须重复相同的工序，劳动强度大而且周期长，而DEMDEM由于是数字形式的，所以增加和修改地形信息只需将修改信息直接输入计算机，经软件处理后即可得各种地形图。1.DEM的特点DEM主要产品：等高线图2.DEM的应用DEM主要产品：坡度图2.DEM的应用DEM主要产品：坡向图2.DE
13、M的应用DEM主要产品：通视图2.DEM的应用DEM主要产品：断面图2.DEM的应用DEM主要产品：水文分析 2.DEM的应用DEM主要产品：晕渲图2.DEM的应用DEM主要产品：三维立体图 2.DEM的应用2.DEM的应用 1）国家地理信息的基础数据；2）工程建设与规划设计（城市规划、土木工程、景观建筑与矿山工程、交通路线的规划与大坝选址）；3）军事应用（虚拟战场等）；4）地形分析（坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等）5）与GIS联合进行空间分析（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）；6）虚拟现实(Virtual Reality)。问题：DEM可以应用在那些行业或领域？THANKS 谢 谢 观 看