数字地形模型分析

数字地形模型分析数字地形模型分析一.DEM概述二.DEM建立三.DEM的应用一.DEM概述1.概述DTM:数字地形(面)模型（DigitalTerrainModel）,是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。属性特征如气压、温度、土地利用类型、植被覆盖度和人口密度等。DEM:数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型（DigitalElevationModel）。高程是地理空间中的第三维坐标。DTM、DEM关系：数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型。DEM可以用于各种地形信息提取，如坡度、坡向、三维正射影像、剖面分析、可视域分析和填挖方分析等。DEM在土木工程设计、军事指挥等众多领域被广泛使用。2.DEM表示法2.DEM表示法地形曲面数学方法表示：z=f（x，y）：z为二维表面上连续变化的地理特征。在地理信息系统中，DEM最主要的三种表示模型是：–规则格网模型，–等高线模型，–不规则三角网模型。三种表示模型是地形分析的基础数据。DEM三种表示模型等高线DEM规则格网DEM三角网DEM-TIN规则格网模型规则网格法将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值。DEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据点内插产生。规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则格网模型在高程模型中，三维信息是以一个矩阵的形式存储高程数据，而该高程点的平面坐标值（X,Y）隐含在一个矩阵的行列值（i,j）中，可以通过下面的公式计算得到：DEM={Zi,j},i=1,2,3…,n;j=1,2,3,...,nXi=X0+I*dxYj=Y0+j*dy其中I,J＝（0，1，……n-1）；n为行,列数规则网格模型对于每个网格的数值有两种不同的解释。–第一种认为该格网单元的数值是其中所有点的高程，即格网单元对应的地面面积内高程是均一的高度。这种数字高程模型是一个不连续的函数，一般用来表示离散空间。–第二种认为该格网单元的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值，这样则需要用一种插值方法来计算每个点的高程。在ArcGIS中，每个网格的值被认为是栅格中心点的值.规则格网模型优点：结构简单，计算机对矩阵的处理比较方便，成为DEM最通用的形式。缺点：–a)地形简单的地区存在大量冗余数据；–b)如不改变格网大小,则无法适用于起伏程度不同的地区；–c)对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大；–d)由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征,如山峰、洼坑、山脊等；等高线模型等高线是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。需要用插值方法来计算落在等高线以外的其他点的高程。美国USGSDEM数据我国1:1万、1:5万、1:25万、1:50万、1:100万DEM数据等高线模型矢量等高线栅格等高线TIN模型TIN（TriangulatedIrregularNetwork)利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点连接成相互连续的三角面。连接原则：尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等--Delaunay。不规则三角网是另外一种表示数字高程模型的方法，它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。TIN模型TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。TIN模型TIN模型二.DEM的建立建立DEM的方法(过程)：–DEM数据采集–DEM数据处理–DEM数据生成DEM数据采集沿断面采集选点采集1）数据采集方法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选点采集随机采集沿等高线采集沿断面采集DEM数据采集所遵循的原则(1)、在DEM数据采集之前，根据DEM的精度要求确定合理的采样精度。(2)、单调地形应均匀采点，密度不必过大。变化明显的地形应密集采点，尽量采集地形转折处的数据点。(3)、不应出现大的空白区。对于大片平坦的地区应保证最低的采点密度（单位面积内若干点）。DEM数据处理2)数据处理方法用各种方法采集的数据需要经过必要的处理才能提供应用。DEM数据处理一般包括：格式转换坐标系变换数据编辑数据分块数据内插DEM数据处理1、数据格式转换–将其它格式的数据转换成相应DEM内插软件要求的格式。2、坐标系统转换–如像片坐标－－－－大地坐标，并且具有相同的投影和比例尺。3、数据编辑–剔除错误的、系统误差改正DEM数据处理4、数据分块–待定点的高程常常与周围的数据点有关。为了能在大量的数据中迅速查找到所需要的数据点，必须将其分块。如：等高线数据是按照各条等高线采集的先后顺序排列的。方法是先将整个区域划分成等间隔的格网，然后将数据点按格网分成不同的类。通常有交换法、链指针法。5、数据内插(加密)–采集DEM数据点时，点位、点数选择不一致，为保证内插时避免太大的失真和所要求的精度，在原有基础上进行加密是必要的。加密之后的（黑色点）原有的绿色采集点DEM数据处理DEM数据处理数据内插方法：–距离加权–移动拟合–样条函数内插–最小二乘法–有限元法（1）人工网格法-地图数字化在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点或交点的高程值。DEM数据生成（2）立体像对法数字摄影测量方法：通过遥感立体像对，根据视差模型，自动选配左右影像的同命点，建立数字高程模型。（3）曲面拟合法整体拟合：根据研究区域内所有采样点的观测值建立趋势面模型。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。（4）等值线插值法距离加权法移动拟合法双线性多项式内插法样条函数内插法最小二乘匹配法有限元法分形插值法三、DEM的应用1.基于DEM的地形因子提取2.基于DEM的地貌形态的自动分类3.基于DEM的等高线的绘制4.基于DEM的可视化分析5.基于DEM的数字流域分析1.基于DEM的地形因子提取(1)、坡度定义：地表单元的法向与Z轴的夹角，即切平面与水平面的夹角。(2)、坡向坡向：地表单元的法向量在水平面上的投影与正北y轴之间的夹角。(3)、地表粗造度（破碎度）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。(4)、高程变异分析包括平均高程、相对高程、高程标准差，高程变异。高程变异：为格网顶点的高程标准差与平均高程的比值。地形分析：坡度、坡向与曲率坡度、坡向与曲率的连续函数数学表达212222222322222322222222)1)((2)(2)1)((2Pr90180),(yxyxxyyyxxyyxxyxyxxyxxyxyyyxyxyyyyxxyxxxxxxyyxfffffffffffCurturveTangentialfffffffffturveContourCurfffffffffffrveofileCurtuffffarctgAspectffarctgSlopeyxfz切曲率：平面曲率：剖面曲率：坡向：坡度：设地形曲面为：格网计算坡度、坡向-Horn算法e1e2e3e4c0e5e6e7e8北：y)8/()()3221()8726()8523()6421(22dnnseeeeeeneeeeeenyxyx坡度：xHorn算法坡向：Aspect坡向值有如下规定：正北方向为0°，顺时针方向计算，取值范围为0°～360°。坡向可在DEM数据中直接提取。求出坡向有与y轴正向和y轴负向夹角之分，此时就要根据fx和fy的符号来进一步确定坡向值。坡向值的判断Horn算法坡向:IFSlope0THENT=D*57.296IFfx=0IFfy0THENAspect=180ElseAspect=360Elseiffx0THENAspect=90-TElseiffx0THENAspect=270-TENDIFElseIFSlope=0Aspect=-1ENDIFHorn算法实例高程量纲：米d=30100610121017101010151019101210171020Horn算法实例nx=(e1+2e4+e6)-(e3+2e5+e8)=(1006+2*1010+1012)-(1017+2*1019+1020)=-37ny=(e2+2e7+e8)-(e1+2e2+e3)=(1010+2*1017+1020)-(1006+2*1012+1017)=19S=(nx2+ny2)0.5/(8*d)=0.1733s=0.1733*57.296°=9.929°D=arctan(ny/nx)=arctan(-19/37)=-0.4744T=-0.4744*57.296=-27.181因s0,nx0Aspect=270-(-27.181)=297.181平地岗丘丘陵低山高山绝对h……400……相对h…100100-200……坡向30…………DEM计算地表形态要素H,H’,坡度、坡向等地形分类标准表地形自动分类2.基于DEM的地貌形态的自动分类3.基于DEM的等高线的绘制在格网DEM上自动绘制等高线主要包括两个步骤：1、等高线追踪：–利用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、等高线光滑：–进一步加密等高线点并绘制光滑曲线。3.基于DEM的等高线的绘制3.基于DEM的等高线的绘制4.基于DEM的可视化分析基于DEM的可视化分析–剖面分析–通视分析–地形三维图绘制–地貌晕渲图绘制–地形三维可视化剖面分析意义：–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，可以提供土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据。剖面分析绘制数据–格网DEM–三角网DEM绘制剖面图高程的插值–对于格网DEM,可通过其周围的4个格网点内插出，–对于三角网DEM,可通过该点所在的三角形的三个顶点进行内插。–内插的方法可任选。例如可选择距离加权法。在格网或三角网交点的高程通常可采用简单的线性内插算出。格网两点或三角形一条边上的两点为A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)，交点C的坐标为C(x0，y0，z0)，则可计算出AC的距离S1，AB的距离S2，则C点的高程z0为：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。例：观察哨所的设定，观察哨的位置应该设在能监视某一感兴趣的区域，视线不能被地形挡住。这就是通视分析中典型的点对区域的通视问题。例：森林中火灾监测点的设定，无线发射塔的设定等。例：有时还可能对不可见区域进行分析，如低空侦察飞机在飞行时，要尽可能躲避敌方雷达的捕捉，飞行显然要选择雷达盲区飞行。通视分析1）通视分析方法：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。b、以观察点O为轴，以一定的方位角间隔算出0°～360°的所有方位线上的通视情况。A通视分析2）关键算法：判断格网或三角网上的某一点是否通视a）倾角法观察点与各交点的倾角为βi(i＝A,B,C),则可绘出OP的剖面图.若tgα＞max(tgβi,i＝A、B、C)，则OP通视否则，不通视。A通视分析AB通视分析b)剖面图两点连线是否与剖面相交。通视分析示例观察点不通视通视雷达盲区飞行通视分析示例地形三维图绘制DEM高程点建立几何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地貌晕渲图绘制即阴影立体法，可增加丘陵和山区