建立DTM的原理和方法

学习情境七建立DTM的原理和方法学习单元7.1DTM的认识7.1.1学习目标通过本单元的学习，对DTM有系统的认识。7.1.2学习任务能够理解DTM的概念，熟悉DTM的基本知识。7.1.3任务分析了解DTM的基本内容及系统的基本组成。对DTM有系统的认识。7.1.4任务实施7.1.4.1DTM的概念分析1.DTM的概念解读DTM（digitalterrainmodel）即数字地面模型，简称数模，是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征的空间分布，也就是地形形状大小和起伏的数字描述。只有在DTM的基础上才能绘制等高线。数字表示方式包括离散点的三位坐标（测量数据）、由离散点组成的规则或不规则的格网结依据数模及一定的内插和拟合算法自动生成的等高线(图)、断面（图）、坡度（图）等等。2.DTM的概念拓展DTM的核心是地形表面特征点的三位坐标数据，和一套对地表提供连续描述的算法，最基本的DTM至少包含了相关区域内平面坐标(x,y)与高程z之间的映射关系，即),(yxfzyx,DTM所在区域在航片数据采集中，数据点往往呈现规则格网分布，其平面位置可由起始点坐标和点间格网的边长确定，只提供点的行列号即可。这时所指的地形特征仅指地面点的高程，所以不少文献又将这种数字地形描述称为数字高程模型（digitalelevationmodel,DEM）。7.1.4.2DTM基本知识解读1.DTM应用分析通过DTM可以得到有关区域中任一点的地形情况，计算出任一点的高程并获得等高线。DTM还可以用于计算区域面积，划分土地，计算土方工程量，获取地形断面和坡度信息等。2.DTM建立条件分析建立DTM需要再有关区域内采集相当数量的地形数据，采样点的位置和密度都可能影响DTM的精度，插值算法和数据结构的选择同样会影响DTM的精度和使用效率。目前，DTM已经成为地理信息系统(geographicalinformationsystem,GIS)的重要组成部分。GIS的许多功能是以DTM为基础的，DTM的原理还适用于水文、海洋、气象的数据处理。3.DTM系统分析DTM系统主要是由计算机程序实现的，应用于各种类型计算机系统的DTM已经在许多国家开发成功，尽管使用的方法不同，用户界面各异，但主要功能都是从离散数据够造出相互连接的网格结构，以此作为地形的数子模型基础。等高线、断面和三维地形图都是根据这个模型生成的。综上所述，建立一个数字地面模型系统必须具有以下几个基本组成部分：·数据的获取；·数据的转换；·数据的预处理；·构网建模；·存储和管理；·数模的应用。由于实际地形表面有连续变化，也有断裂，而构造时采集的数据量都是有限的，因此如何选择构造DTM的算法及应用时的插值算法，以利用有限的数据准确地表达实际的地形变化，是DTM研究的重要课题。评价DTM系统性能的主要参数有精度、计算速度、处理的数量、用户界面和数据采集工作量等。学习单元7.2数据的获取、转换及预处理7.2.1学习目标通过本单元的学习，掌握DTM数据的获取、转换及预处理。7.2.2学习任务了解DTM数据的获取、转换及预处理。7.2.3任务分析DTM数据的获取。→DTM数据的转换。→DTM数据的预处理。7.2.4任务实施7.2.4.1数据获取1.DTM数据获取概念分析DTM的数据获取就是提取并测定地形的特征点，即将一个连续的地形表面转化成一个以一定数量的离散点表示的离散的地表。离散点数据的获取是建立数模最费工时而又最重要的一步，它影响着建模的正确性、精度、效率、成本。2.DTM数据获取接口分析完善的DTM系统应具有各种类型数据输入的接口，它可以接受野外测量仪器直接传输的数据，还可以接受由人工键入的测量数据；也可以接受航测照片经立体坐标测量仪或解析测图仪等量测的三位地形数据；遥感图像经图像处理系统处理后也可得到地形数据。因此DTM数据获取部分应包括计算机与不同的设备，如全站仪、电子手簿、数字化仪……进行数据传送的接口。7.2.4.2数据的转换1.DTM数据转换的原因分析不同来源的原始数据类型可以使各种各样的，例如三维坐标或距离、方位角等。数据中除了离散点的坐标信息，还包含离散点之间的地形关系及地物特征等信息。因此，DTM系统还要有数据格式转换的功能。2.DTM数据转换格式说明不同类型的原始数据经过处理之后，转换成DTM系统的标准格式（一般为三维坐标）数据，但不能影响原始数据精度。转换模块需对原始数据进行分类，把坐标数据、连接信息、地物特征等按标准格式分别存放。7.2.4.3数据的预处理1.DTM坐标数据预处理分析通过数据采集、数据转换得到一组（或一个区域）的原始DTM数据，其中可能包含不符合建立数模要求的数据，甚至有错误的数据。为了顺利完成构网建模，首先要对原数据进行必要的预处理，如数据过滤，剔除几乎重合的数据，给定高程限值，剔除粗差数据，进行必要的数据加密等等，同时程序还应提供编辑数据的工具。2.DTM特征数据预处理分析除地面坐标数据之外，地形和地物的特征信息，如地性线、山谷线、断裂线等，是DTM不可缺少的要读。为了便于计算机程序识别和提高工作效率，这些信息是由地形地物的特征代码及连接点关系代码表示的。从原始数据中提取地形地物特征信息的依据是数据记录中的特定编码，不同类型的原始数据可采用不同的编码方式，但在采集数据过程中要遵循测量软件规定的形影规则。DTM系统的特征提取部分功能包括：·识别原始数据记录中的特征编码；·将地性线特征编码和相关的空间定位数据转换成DTM标准数据格式；·提取地性线、断裂线以及处理特殊地形（如陡坎等）；·数据编辑。学习单元7.3DTM的数据结构7.3.1学习目标通过本单元的学习，了解DTM数据结构。7.3.2学习任务了解常用的DTM数据结构。7.3.3任务分析DTM的数据结构对DTM的应用有着重要的影响，不同的数据结构采用的算法不同，占用的存储空间大小不同，进行计算时的效率也不相同。要熟悉建立DTM的原理和方法，必须了解常用的DTM数据结构。7.3.4任务实施7.3.4.1DTM数据结构类型的认识1.DTM数据结构分析DTM是由离散数据点构造出的，其最简单的结构是离散点结构。这种结构的DTM中只包含了分块、分类存储的离散点坐标和某些断裂线地物的连接信息。由于离散点结构不利于DTM的进一步应用，实际中很少采用。2.DTM数据结构分类DTM常用的数据结构是网格结构，即将离散点连接成为多边形格网。它分为规则和不规则格网。7.3.4.2规则格网结构的认识1.规则格网结构概念分析规则格网结构是将离散的原始数据点，依据插值算法归算出规则形状格网的结点坐标，每个节点的坐标有规律的存放在DTM之中，最常用的结构是矩形网格（图7-1（a））。航测内业一般是按规则格网结构采点。矩形格网的存储结构如图7-1（b）所示。由于矩形格网中结点分布具有规律，各结点的坐标可以用它在格网中的位置代替，因此矩形格网可以用一个二维数组（矩阵）进行存储，并且仅存储各结点的高程。nmnmmmnnnnhhhhhhhhhhhh,1,1,0,,11,11,10,1,01,01,00,0（a）矩形格网（b）存储结构图7-1规则格网结构2.规则格网结构特点分析规则格网结构便于数据的检索，可以用统一的算法完成检索和插值计算。但它的建立过程中对原始数据进行归算时，所用的算法对数据精度有所影响。规则格网应用于不规则边界区域时，边界处需要特殊处理。7.3.4.3不规则格网结构1.不规则格网结构概念分析不规则格网是以原始数据的坐标位置作为格网的结点，组成不规则形状格网。实际应用中主要采用的是不规则三角形格网（triangleirregulationnetwork,TIN），如图7-2（a）所示。2.不规则格网结构特点分析建立不规则格网的算法比较复杂，但具有如下特点：利用原始数据作为格网结点；不改变原始数据及其精度；保存了原有的关键地形特征；利用TIN追踪等高线的算法相对简单；TIN能够较好地适应不规则形状区域。图7-2不规则三角形格网及其存储结构3.不规则格网结构概念TIN结点坐标结构如图7-2（b）所示数据结构中仅适用了点号，根据点号在坐标数据文件中查找坐标。这两部分的数据结构核心分别是坐标数组合三角形数组，结点用其在坐标数组中的存储位置（或称下标）作为点号；三角形用其在三角形数组中的存储位置作为三角形号。三角形数组中也不允许重复存储，因此规定每个三角形的三个顶点按顺时针（或逆时针）排列，并且以点号最小的顶点作为第一顶点；全部三角形按各自的第一题顶点的点号大小顺序排列（图9-2（e）），即点号1＜点号2，点号1＜点号3，……当然，也可以采用其它规则。TIN的数据结构如图9-2（d）所示。7.3.4.4小结无论是规则格网或是不规则格网（主要是矩形格网和TIN），因各有特点，所以都得到了广泛的使用。DTM的数据结构还包括等高线结构和带状断面结构，由于等高线和断面都可以从格网结构中获得，后两种结构也可以看成是格网结构的应用。学习单元7.4TIN及矩形格网的建立7.4.1学习目标通过本单元的学习，熟悉TIN及矩形格网的建立。7.4.2学习任务了解TIN格网的算法，懂得TIN格网建立过程中特殊地貌和地物的处理，熟悉矩形格网建立的基本原理。7.4.3任务分析TIN是不规则格网中最简单的形态，而且在等高线追踪、三维显示及断面处理等应用中也是最常用和最简单的结构。7.4.4任务实施7.4.4.1TIN的建立1.TIN的概念TIN（不规则三角形格网），是直接利用测区内野外实测的所有地形特征点（离散数据点），构造出邻接三角形组成的格网型结构。TIN的每个基本单元的核心是组成不规则三角形的三个顶点的三维坐标，这些坐标数据完全来自原始测量成果。由于观测采样时选取观测点是由地形决定的，一般是地形坡度的变换点或平面位置的转折点，从而使得离散点在相关区域中非规则和非均匀分布。由这些点构成的三角形格网所包含的三角形，必然是不规则形状的三角形，网格中三角形的数目只有在格网形成之后才能确定。但根据计算机几何学，设区域中共有n个离散点，它们可构成的互不交叉的三角形的数目最多不超过2n-5。在大比例尺数字测图的建模中，都是采用三角形格网法。它避免了内插方格网而牺牲原始测点的精度，从而保证了整个数模的精度。2.TIN格网的算法建立TIN的基本过程是将最邻近的三个离散点连接成初始三角形，再以这个三角形的每一条边为基础连接临近离散点，组成新的三角形。新三角形的边又成为连接其它离散点的基础，如此继续下去，直到所有的三角形的边都无法再扩展成新的三角形，而且所有离散点都包含在三角网中。在生成TIN的过程中，还要考虑地性线，地物等对格网的影响。为了保证DTM格网最大限度地符合实际地形，应用中通常把地性线等地形特征线作为TIN中三角形的边，扩展TIN时，先从地形特征线开始。构造TIN时，由于取相邻离散点的判断标准不同，就产生了生成TIN的不同算法。常用的有：（1）泰森（Thiessen）多边形算法泰森多边形的概念是将分布在平面区域上的一组离散点用直线分割，使每个离散点都包含在一个多边形之内（图9-3中虚线所示）。进行分割的规则是：每个多边形内只包含一个离散点，而且包含离散点ip的多边形中的任意一点Q到ip的距离都小于Q点到任一其它离散点)(ijpj的距离。把每两个相邻的泰森多边形中的离散点用直线连结后生成的三角形称为泰森多边形的直线对偶，又称为Delaunay三角形。其特点是：每个Delaunay三角形的外接圆内不包含其它离散点，而且三角形的最小内角达到最大值。图9-3泰森多边形可以通过构造泰森多边形产生Delaunay三角形格网，也可以根据Delaunay三角形的特点直接构成TIN。文献［19］提出了通过泰森多边形建立三角形格网的一种方法，分三步构造成一个泰森多边形。①建立离散点相邻数组取一离散点A，并以A为圆心确定一个圆方向，使所有可能与A相邻的离散点都包括在圆方向内，并将圆方向内全部离散点按图9-4所示顺序存入数组)(