第3章 DEM数据获取方法

数字高程模型第三章DEM数据获取方法•DEM数据源及其特征•DEM数据采样的理论基础•DEM数据采集的主要方法•DEM数据采集质量控制•DEM数据的共享与利用课程内容第一节DEM数据源特征准备知识数据点是建立数字地面模型的基础。有了地面三维信息，就能根据这些已知信息（X,Y,Z）来确定地面数字函数模型，内插出需要的数据点。取得一种密集方形格网线结点处高程值，就能绘制等高线。对于图形的数据获取，则是记录坐标、属性、特征等。获取的原始数据，还要进行预处理。DEM数据的主要来源•地形图•摄影测量与遥感影像数据•地面测量•既有DEM数据DEM数据源及其特征地形图数据及其特征•地形图现势性现势性差，但物美价廉•地形图存储介质温度，湿度等存放环境会使地形图图幅产生不同程度的变形•地形图精度地形图精度决定地形图比例尺、等高线密度（由等高距表示）、成图方法有关各种不同比例尺的比较表3.1我国地形图比例尺系列及其特征类型比例尺等高距（米）厘米实地长度公里图上长度综合特性成图方式大比例尺1:5千1综合程度很低，较真实的反映地形地貌。实地测量1:5千150米20厘米航测成图1:1万2.5100米10厘米1:2.5万5250米4厘米1:5万10500米2厘米1:10万201公里1厘米编绘成图中比例尺1:25万502.5公里4毫米一定程度综合，近似反映地形地貌。编绘成图1:50万1005公里2毫米小比例尺1:100万10公里1毫米较高的综合程度，仅反映地形的大致特征编绘成图工程设计的基本用图，实地测量我国地形图系列的基本地形图摄影测量/遥感影像数据及其特征•现势性好：获取速度快、更新速度快、更新面积大（大范围DEM数据的最有价值来源）•相对精度和绝对精度低的遥感影像：Landsat—MSS、TM传感器、SPOT•高分辨率遥感图像：1米分辨率的IKONOS0.61米QUICKBIRD遥感影像数据及其特征A黄土地貌沟沿线的失真。左图是1:10000DOM，黑色线为沟沿线；右图是1:10000DEMB黄土梯田的失真。左图是1:10000DOM，黑色线为沟沿线；右图是1:10000DEM遥感影像数据及其特征•优点：更新速度快，地形图测绘和更新最主要的手段。•注意问题：存在几何畸变，需要增强处理，空间分辨率问题，解译和判读。航空遥感影像数据作为DEM数据源注意点•遥感影像的几何畸变•遥感数据的增强处理•遥感影像数据的空间分辨率•遥感影像数据的解译和判读地面测量数据及其特征•测量仪器：全球定位系统（GPS）、全站仪、电子平板或经纬仪/测距仪•测量要素：方向、距离和高差（三维坐标x、y、z）•用途：公路铁路勘测设计、房屋建筑、场地平整、矿山、水利等对高程精度要求较高的工程项目•缺点：工作量大，周期长、更新十分困难，费用较高现存DEM数据•覆盖全国范围的1:100万、1:25万、1:5万数字高程模型•七大江河重点防洪区的1:1万DEM•省级1:1万数字高程模型的建库工作也已全面展开第二节DEM数据采样理论基础DEM数据采样的理论基础DEM数据采样的理论基础DEM数据采样的理论基础准备知识DEM重点应放在数据来源和输入质量的控制上，而不是学习复杂的内插方法DEM是实际地形表面的再现，其对地形表达（数字化模拟）的可信程度，很大程度上取决于原始地形采样点的分布和密度地形曲面几何特征•理论基础：地形表面可以划分成点和线划分成一系列的单一几何表面•组成地形表面点和线可以分为两大类：特征要素和非特征要素特征要素包括地形特征点和特征线•特征点：山顶、洼地、鞍部、山脚点、山脊点、山谷点等•特征线：山脊线、山谷线、各种断裂线（陡坎、海岸线、水涯线等）（实线为山脊线，虚线为山谷线，三角形表示山顶，小园为鞍部，正方形为方向变化点和坡度变化点）非特征要素是分布在各个地形单元上的点和线，是为满足采样点密度要求而加测的点，这些点线主要是用来辅助地形重建（地形测图中的辅助等高线勾绘等）地形的复杂程度•采样点多少要求地形比较破碎，沟壑交错，这时宜多布设一些采样点，以便能正确反映地形细部变化特征地形变化比较均匀平坦，则可在满足密度要求的条件下，可适当减少采样点地形复杂度表达方法•常用的判别方法：光谱频率法、分数维、地形曲率、相似性、坡度（李志林）•坡度是地形复杂程度的最重要的因子？1.通过坡度可以完整地形成地形曲面2.坡度是地形曲面函数一阶微分的函数(高程随距离变化的比率),坡度的变率是地形曲面的二阶微分3.区域DEM高程精度与平均坡度值之间存在强相关4.坡度可以表示地表的陡峭方向和大小地貌单元类型DEM数据采样除与地形的几何特征、复杂度有关外，地貌类型也对采样数据点的分布和精度有一定影响行业地貌类型的划分标准•地貌学黄土地貌、风成地貌、喀斯特地貌、丹霞地貌•地理学：平原、高原、丘陵、低山、高山、极高山•测绘学：地表坡度和高差黄土地貌样点要多，而平原地貌精度要高•常用的方法：测绘学中的坡度和高差有等高线图的计算方法无等高线图：航测•等高线图中平均坡度计算方法PlharctgP为测区的面积，为测区等高线的长度，h为等高距平均坡度在测区较大或等高距不相等误差大•解决途径：统计回归方法•基于的思想：地形图上的地形坡度越大等高线越密，反之，坡度越小等高线越稀•方法：格网划分研究区（格网大小取决于应用精度要求），计算各子区域内的等高线总长度，再根据回归分析方法统计计算单位面积内等高线长度值与坡度值之间的回归模型，然后将等高线长度值转换成坡度值。坡度的计算2yx1(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRSYZZZZXZZZZYX22tan22tan10001101010011101sintantanROQOQOPOROPOX12costansintantanSOQOQOPOSOPOY222tantantanYX又：所以：T第三节DEM数据采样策略与采样方法在何处的点要量测记录数字高程模型数据源的三大属性•点分布（地理坐标系统中的经纬度或直角坐标系统中的东北向坐标值）采样点的选取●规则网格采样：按规则矩形网格进行采样，可直接生成规则矩形格网的DEM数据。●渐进采样：根据地形使采样点合理分布，即平坦地区采样点少，地形复杂区采样点多●沿等高线采样：主要用于山区采样。●选择采样(特征链状数据)：根据地形特征进行采样，如沿山脊线、山谷线等进行采集。●随机采样：随机分布采样点●混合采样。注意：所有采集的数据都要按一定的空间插值方法转换成点模式格式数据。数据的密度高程数据点的密度，是影响数字高程模型质量的主要因素。数据点太稀，则数字模型的精度差，数据太密，则增加了数据点数，增加了处理工作量以及不必要的存储。数据的密度•数据点的密度有多种表示方式：1.相邻两点之间的距离：通常采样间隔以一个数字加单位组成（所有采样点距离的平均值）2.单位面积内点数3.截止频率4.单位线段上的点数如何确定数据点最佳密度？一是用截止频率方法，对地形进行频谱分析，地形谱中高频成分比较丰富时，即地形比较破碎，坡度变化较大，则要求数据点较密；反之，则对数据点要求较稀。二是采用渐近采样法，即按一定间距采样时，取二次曲线代表地面的曲线，用间隔中点的线性内插值与二次曲线内插值的高程差异来判断格网密度是否适当。数据精度•采样数据精度与数据源、数据的采集方法和数据采集的仪器密切相关的数据源：野外测量影像地形图扫描影像:摄影测量GPS地形图无论是手扶跟踪数字化还是地形图扫描的精度都是比较低的。采样的布点遵循的原则•沿等高线采样：地形复杂沿等高线跟踪的方式进行数据采集;在平坦的地区，则不宜沿等高线采样•规则格网采样:规定X和Y轴方向的间距来形成平面格网，量测这些格网点的高程。•剖面法：而在剖面法中，只沿一个方向即剖面方向上采样剖面（Profile）•渐进采样：平坦的地区采样要相对较少，地形复杂的地区要采样相对较多•选择性采样：根据地形特征进行选择性的采样（方法并不常见）•混合采样：选择采样与规则格网采样相结合或者是选择采样与渐进采样相结合的采样方法（数据的存储管理与应用较复杂）DEM数据采集方法•地形图数据采集方法DEM数据采样的主要方法地形图数据采集方法地形图扫描矢量化DEM数据采集资料分析地图扫描地图定向影像处理添加骨架点生成DEM矢量数据处理创建骨架点层构建TIN细部处理方向调整二值化检查验收矢量数据采集属性编辑图廓接边图形编辑创建图廓并裁切手扶跟踪数字化操作•在数字化地图区域之外的三个角上分别选取三个参照点•确定几个控制点并将其数字化•以点方式或流方式跟踪采集高程数据和平面数据。扫描矢量化•扫描过程：颜色（灰度值）和分辨率（DPI）•矢量化过程：栅格图像转换成矢量数据（矢量化过程可分为手动式、半自动式和全自动式（暂时还没有）三类）摄影测量数据采集方法绝大部分的大比例尺图（1:5千、1:1万、1:5万）的成图是采用摄影测量方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DEM数据采样的主要方法摄影测量数据采集DEM数据采样的主要方法摄影测量数据采集如今的数字摄影测量工作站SocetSetDEM数据采样的主要方法摄影测量数据采集数据采集影像扫描航摄底片相片定向参数控制点文件相机文件扫描参数设置影像扫描影像数据定向建立立体模型核线影像重采样对象量测影像相关地形信息编辑内定向相对定向绝对定向特征点线量测推测区范围量测面状水域量测定向建模两类数字摄影测量•全数字自动摄影测量方法：全数字摄影测量方法采用规则格网采样，直接形成格网DEM，如果与GPS自动空中三角测量系统集成，则可形成内外业一体的高度自动化DEM数据采集技术流程•交互式数字摄影测量方法：交互式数字摄影测量方法增加了人工干预和编辑的功能，例如对于特殊地区的相关影像，采用计算机自动相关和人工交互相结合的方法，能够获得比较可靠的、精度较好的DEM。野外测量数据采集方法•全站仪与电子手薄：设备成本低，但是繁琐•全站仪与便携机相连：测量的结果直接显示在屏幕上注意：测量前要知道完整的地物编码系统空间数据采集的基本流程DEM数据采集技术的进展•合成孔径雷达干涉测量数据采集方法DEM数据采集技术的进展•机载激光扫描数据采集DEM数据采集技术的进展•基于声波、超声波的DEM数据采集DEM数据采集方法的对比分析摄影测量激光扫描干涉雷达mmcmdmmkm手扶跟踪数字化野外采集110001001010000高程数据精度数据采集成本适用范围：慢快速度：大小扫描数字化•应用目的、DEM精度、设备条件、经费等DEM用户应把重点放在数据来源和输入质量控制上，而不是学习复杂的内插方法第四节DEM数据采集质量控制原始数据粗差检测与剔除•趋势面概念：地形表面变化符合一定的自然趋势，表现为连续空间的渐变模型，可用以光滑的曲面来描述。•原理：某一采样点的观测值和趋势面计算值相差较大时，该点可能含有粗差，因为它偏离了整体变化趋势某流域降水量的二次多项式趋势面原始采样数据粗差检测与剔除•基于趋势面的粗差探测与处理•三维可视化的粗差检测技术•基于坡度信息的格网DEM粗差探测技术•基于高程信息的不规则分布数据粗差探测•基于等高线采样数据的粗差探测方法•基于等高线回放检查的粗差探测技术三维可视化粗差检测技术通过人机交互的方式可有效的检测粗差点基于坡度信息的规则格网分布数据粗差探测技术•坡度差计算•通过相邻两个网格之间的坡度差确定衡量坡度是否变化一致的阈值•怀疑一点•粗差剔除与数据点改正基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法•原理与格网类似，但由高程取代坡度•方法窗口内代表值计算阈值计算比较分析DEM原始采样数据滤波处理若随机误差是构成误差的主要成分，需进行滤波处理，以消弱随机误差。DEM数据共享和利用第五节各个国家、地区和组织纷纷制定了相关领域的数据共享原则和数据交换标准，我国也适时颁布了我国DEM数据交换格式标准我国DEM数据交换格式标准•DEMs数据体采取从北到南，从西到东的顺序，并以ASCI