第二章 DEM的数据组织与管理

第二章DEM的数据组织与管理2.1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数据设计基本原则2.2DEM数据模型：镶嵌数据模型镶嵌数据模型（Tessellationmodel）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为不规则三角网DEM。2.2.1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。2.2.1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。2.2.1规则镶嵌数据模型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。2.2.2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（TriangulatedIrregularNetwork，简称TIN），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。2.2.2不规则镶嵌数据模型特点：不规则三角网数字高程模型由连续的三角面组成，三角形的形状、大小取决于不规则分布的点的位置和密度。地形变化越简单，采样点就越少，则单元格就越大；反之地形变化比较复杂，数据点分布比较密集，格网单元就越小。与规则格网的区别：TIN模型不需要维护模型的结构规则性，不但能灵活地随地形的复杂程度而改变格网单元大小，避免平坦地形的数据冗余，而且又能按地形特征点线如山脊点、山谷线、地形变化线等表示地形特征。2.3DEM数据结构2.3.1规则格网DEM数据结构（1）简单矩阵结构规则格网DEM的数据在水平方向和垂直方向的间隔相等，格网点的平面坐标隐含在行列号中，故适宜用矩阵形式进行存储，即按行（或列）逐一记录每一个格网单元的高程值。同时为了实现行列号和平面位置坐标之间的转换，还需要记录格网西南角的坐标值、格网间距等。规则格网DEM的数据文件一般包含数据头和数据体。数据头：定义DEM西南角起点坐标、坐标类型、格网间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等内容。数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列。Arcview的文本文件格式（2）行程编码结构DEM行程编码的基本思路是：对于一幅DEM，常常在行(或列)方向上相邻的若干点具有相同的高程值，因而从第一列开始，在格网单元数值发生变化时依次记录该值以及重复的个数，应用时可利用重复个数恢复DEM矩阵。行程编码方案实际上是一种栅格数据的压缩方案，能够有效的减少DEM数据存储量，特别是对平坦地区。（3）块状编码结构块状编码方案是行程编码方案从一维扩展到二维的情况，它采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。该数据结构是由记录单元的初始位置(行、列号)、格网单元高程值和方形区域半径(正方形区域的边长，采用格网间距倍数表示)所组成的单元组，即(行号，列号，格网高程值，区域半径)，整个DEM数据文件由该单元组组成，根据初始位置和区域半径可恢复高程矩阵。（4）四叉树结构四叉树数据结构是一种对栅格数据的压缩编码方法。基本思想是将一幅栅格数据层或图像等分为四个部分，逐块检查其格网属性值（或灰度）；如果某个子区的所有格网值都具有相同的值，则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区分割为四个子区；这样依次分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。2.3.2TIN结构不规则三角网DEM直接利用原始采样点进行地形表面的重建，由连续的相互联接的三角面组成，三角面的形状和大小取决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TIN的面结构在基本链表结构基础上增加了用来描述三角形之间拓扑关系的数据，也就是说TIN的面结构一般由三个表组成，即坐标表、三角形顶点表以及邻接三角形表。特点：由于存储了三角形之间的邻接关系，TIN内插、检索、等高线提取、显示及局部结构分析都比较方便。不足：存储量较大，而且在TIN的编辑中要随时维护这种关系。TIN的点结构TIN的点结构由坐标文件和三角形顶点的邻接指针链组成。三角形顶点的邻接点是指共用该顶点的所有三角形其余两顶点的不重复顶点的集合，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。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。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。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TIN的边结构是从组成整个TIN模型的所有三角形中，抽取其不重复边集所组成。特点：存储量比较小，非常适合等高线的提取不足：编辑、内插以及检索不太方便。TIN的边面结构边面结构重点在于刻画三角形边和三角形面之间的拓扑关系，一般由边表和邻接三角形表组成。在边表中，定义该边的起点、终点和左右相邻三角形，而邻接三角形表中则记录三角形之间的拓扑关系。特点：为上述所有结构中存储量最大的，虽然在检索、等高线提取等方面比较方便。不足：不利于动态更新和维护。不规则三角网DEM的优点是：能充分利用地貌的特征点和特征线，较好地表示复杂地形；可根据不同的地形，选取合适的采样点数；进行地形分析和绘制立体图也很方便。其缺点是：由于数据结构复杂，因而不便于规范化管理，难以与矢量和栅格数据进行联合分析。格网DEM和TIN的对比2.3.3格网与不规则三角网结构混合结构由于规则格网DEM和不规则三角网各有优缺点，在实际应用中，在大范围内一般采用规则格网附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、山谷线、断裂线等，构成全局高效、局部完美的DEM，规则格网DEM被分割而形成一个局部的不规则三角网。但由于特征线作为矢量数据具有比规则格网复杂得多的拓扑结构和属性内容，一般还是采用混合的数据结构分别进行处理。当然也可以设计一个一体化的数据结构同时组织这些不同类型的数据，比如将所有矢量都栅格化。另外，考虑到混合结构将导致数据管理复杂化并降低数据检索的效率，根据研究区域的大小和软件性能，应用时常常将其实时地完全转换为TIN的数据结构。2.4DEM数据库管理2.4.1DEM数据库内容DEM已成为GIS的核心数据库和地学分析的基础数据。DEM数据与遥感影像数据、矢量特征数据、多媒体数据等数据进行融合和信息的复合处理，DEM从单一的文件结构向复杂的信息系统发展已成为一种必然的趋势。DEM数据库属空间数据库。DEM数据库的内容如图。在一个关系数据库里最普通的对象是关系表，其他对象如索引、视图、序列、同义字和数据字典等都用来进行查询和数据存取。表是基本的存储结构，是一个由若干行和列的数据元素组成的二维矩阵。表的每一行包含了描述一个实体的所有信息，而其中的一列则表示这个实体的一个属性。DEM数据库结构实质上是DEM的数据结构。对于TIN而言，一般是把三角形的顶点看作数据库中的基本实体，并在此基础上定义是三角形顶点、三角形边、三角形面之间的拓扑关系。在DEM构建过程中，还有一类比较重要的数据，即地形特征数据，如地形断裂线、特殊边界线、山脊线、山谷线等，它们是高精度逼真再现地形的保证，同时也是信息复合的需要，一般在DEM数据库中也予以保留。它们的结构如下图所示。2.4.2DEM数据库结构2.4.3DEM数据库数据组织定义：DEM数据的管理和调度方式。组织方式：“工程-工作区-图幅”工程：是指一个区域内的全部DEM数据。图幅：是按照一定规则对研究区域进行二维划分是DEM数据采集、建立、操作和调度的基本单位，每一个图幅由若干行和若干列格网单元组成。工作区：是当前感兴趣的研究区域，一般情况下工作区就是图幅，如果需要，也可将多个图幅定义为一个工作区。图幅由坐标范围定义，通过记录每一个图幅范围的空间索引文件(工作区范围通过图幅范围确定)，即可建立工程与工作区、图幅之间的联系。当一个工程具有不同的分辨率的DEM时，则形成细节层次模型（levelsoFDetailLOD）。LOD模型形成方案：（1）形成某一地区不同分辨率的DEM，通过一体化管理建立金字塔数据库—核心是不同分辨率DEM的融合。（2）在地形可视化中，实施细节分层是一个热点。图幅由坐标范围定义，例如，图幅H的范围是（270,120,280,130）。通过记录每一个图幅范围的空间索引文件（工作区范围通过图幅范围确定），即可建立工程与工作区、图幅之间的联系，用户可以在工程界面下，确定整个工程内任意一点的DEM值，也可在工程内开窗、放大、漫游、查询、分析和制图。在工程-工作区-图幅层次结构空间索引下，可保证DEM数据的快速查询和无缝浏览。上述空间索引模式对格网DEM是非常适合的，但对TIN而言，要注意两点：（1）由于TIN的每个图幅区域的边界不规则，为避免相邻图幅之间的接边问题，一般在进行数据分幅时，各个图幅之间要有一定的重叠度。（2）TIN的不规则性，为快速对点所在三角形进行定位，有必要在图幅内建立TIN的空间索引，常用的如链表+头指针、四叉树等。DEM元数据2.4.5DEM数据库功能数据库的专业服务课后作业1.DEM数据模型设计遵循的基本原则有哪些？2.镶嵌数据模型的思想、类型和应用范围？3.规则镶嵌数据模型构造方法、特点？4.不规则镶嵌数据模型构造方法、特点？5.DEM的数据结构有哪些？6.格网DEM与TIN的比较？7.什么是元数据？