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1、数字高程模型,第一章 概论,1、地表形态表达,1.1 地形的表达 早期由于测量知识的缺乏，对地形表面形态的描述主要采用象形绘图方法进行，例如山体用岩石堆符号表达，山体范围用一系列的“鱼鳞”符号或类似的锥形符号。十七世纪以后，人们逐步意识到地面起伏变化对气温、植被、环境等的深刻影响，先后出现了透视写景图、晕滃法、斜视区域图、地貌写景图、地貌形态图、地貌单元图等。,十八世纪，测绘技术的发展使高程数据和平面位置数据的获取成为现实，对地形的表达也由写景式的定性表达逐步过渡到以等高线为主的量化表达。在等高线地形图上，地形起伏、地物等的描述不再是象形符号、色彩或明暗的变化，而是正交地投影在水平面上，相邻高
2、程相等的点连接而成的闭合曲线表示地形起伏特征和形态结构，线划符号表示按比例缩小的地物。,与各种线划图形相比，用影像记录景观现象无疑具有更大的优点，如地形特征表达细节丰富、直观逼真、图形获取快速等，因此摄影技术一经出现就被广泛的用来记录丰富多彩、千姿百态的自然景观现象。航空摄影测量技术的出现，使得影像数据获取在周期、覆盖面、应用范围等方面大幅度提高。,1.2 数字地形的表达。二十世纪六十年代以后，空间技术、通讯技术等的迅速发展，在航空摄影测量、航空地质探矿、航空像片判读应用发展的基础上诞生了遥感科学技术。伴随着70年代美国地球资源卫星（LandSat）的升空，摄影测量从航空发展到航天，遥感技术获
3、得极为广泛的应用。20世纪四十年代计算机技术的出现以及相关技术如计算机图形学、计算机辅助制图、现代数学理论等的完善和实用，使得各种数字地形的表达方式得到迅速发展。借助于地形的数字化表达，现实世界的三维特征以及可量测性能够得到充分而真实地再现。,1958年麻省理工学院摄影测量实验室Miller教授对计算机和摄影测量技术的结合在计算机辅助道路设计方面进行了试验，量取了设计道路两侧大量的地形点三位空间坐标，由计算机取代人进行土方计算、方案比选等，成功地解决了道路工程计算机辅助设计问题。证明了用计算机进行地形表达的可行性、巨大应用潜力和经济效益。提出了Digital terrain modelDTM，
4、数字地面模型，随后在测绘、遥感、农林、土木工程、军事、地学分析等领域得到广泛深入地研究。地形表达从模拟时代走向数字时代！,2、数字高程模型,2.1 数字高程模型的概念高程用来描述地形表面的起伏形态，传统的高程模型是等高线，其数学意义是定义在二维地理空间上的连续曲面函数，当此高程模型用计算机来表达时，称为数字高程模型。计算机化的数字高程模型需要考虑三方面的因素：计算机容量：建立完整的连续三维表面模型需要无数个点，需要无限的存储容量，因此与传统的地形测图一样连续曲面必须是离散的。只有将模拟数据（地形图等图形数据和文字数据）转化为数字数据，参能为计算机所接受。模型化表达：用数字表达的有限的地形高程数
5、据在计算机中按一定的规则进行组织，这样才可以从建地形表面。,数字高程模型的定义为：数字高程模型是对二维地理空间上具有连续变化特征地理现象通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟模型化表达和过程模拟，Digital Elevation Model，简称DEM。简单地说，空间起伏连续变化现象的数字化表示和分析工具的集合。狭义DEM：是区域地表面海拔高程的数字化表达地表；广义DEM：是地理空间中地理对象表面海拔高度的数字化表达-对象表面，具有更大的包容性，如海底DEM，大气等压面DEM等。,DEM和DTM的关系：DEM是DTM的子集，是DTM最基本的部分；20世纪60年代出现了地理信息系统的
6、概念，其含义包括了DTM，在概念上取代了DTM。DTM提出后，其实际发展和应用中的内涵还主要局限于DEM，故二者的名称混淆使用，主要表示的都是DEM的概念。,2.2 数字高程模型的研究内容 地形数据采样。建立DEM的基础是地形高程数据，因此地形数据获取是数字高程模型的首要环节。地形数据的分布、密度和精度对数字高程模型的质量有着非常重要的影响。数据采样策略、高精度快速数据采样技术等一直是DEM数据采样的主要研究议题之一。地形建模与内插。DEM是对地形表面的数字化表示，其建立过程实际上是一种数学建模过程，也就是说地形表面被一组相互组织在一起的地形采样点所表达，如果需要该数学表面上其它位置处的高程值
7、，可应用一种内插方法来进行处理。高度逼真、多尺度地形建模技术和快速高效的内插算法是数字高程模型永恒的主题。,数据组织与管理。DEM是按一定结构组织在一起的地形数据，数据结构的好坏直接涉及DEM对地形的重建精度。对于大规模的地形数据，需要通过数据库进行管理，数据库管理技术和空间索引技术是高效的数据查询、数据浏览、无缝漫游等的技术保证。地形表面具有多尺度特征，多尺度地形的表达与组织是DEM面临的主要课题之一。地形分析与地学应用。DEM的应用主要包括两个部分，即基本应用和地学分析应用。基本应用主要是在DEM上实现等高线地形图上的地形分析功能，如高程内插、坡度坡向计算、土方计算、地形结构识别等；地学分
8、析应用与具体学科相联系，主要研究基于DEM的地学模型、地学过程模拟等内容。,DEM可视化。实现以多种方式如等高线、晕渲图、线框透视、动画等在不同层面上对地形进行表达、观察和浏览。不确定性分析和表达。数字高程模型的精度对DEM的生产者和使用者都具有十分重要的意义。DEM精度研究包括DEM数据源精度、数据内插精度、数据模型精度、各种误差在DEM数据操作过程中的传播问题以及DEM数据生产中的质量控制策略等。,2.3 数字高程模型的类型(1)按结构分类（按其数据组织方式）基于面单元的DEM：将采样点按某种规则剖分成一系列的规则或不规则的格网单元，并用这些格网单元组成的网络逼近原始曲面。规则剖分如正方形
9、格网DEM、六边形格网DEM等。不规则单元如三角形DEM（TIN）、四边形DEM。基于线单元的DEM：将采样点按线串组织在意的DEM。基于线单元的DEM与数据采样方式联系在一起，如沿等高线采样的数据可组织成基于等高线的DEM，断面DEM等。,基于点的DEM：基于点的DEM实际上就是采样点的集合，点与点之间没有建立任何关系，称之为散点DEM。该种结构由于点之间没有任何关系而应用不多。,(2)按连续性分类（从数学角度考察DEM模型连续性、一阶导数及高阶导数等的连续情况）不连续型DEM：用来模拟地形表面分布的不具备渐变特征的地理对象如土壤、植被、土地利用等。DEM单元内部是同质的，变化之发生在单元边
10、界。不连续DEM的典型特征是DEM模型呈阶梯状分布。连续不光滑DEM：该种DEM认为DEM中的数据点仅仅袋便连续表面上的一个采样值，整个曲面通过相互连接在一起的曲面片（格网单元）来逼近，格网单元在北部市连续光滑的，整体上呈连续分布但导数不连续，如基于点山歌的DEM和TIN模型。,光滑DEM：光滑DEM是指一阶导数或高阶单数连续的表面，一般在区域或全局尺度上实现。光滑DEM可以使用数学函数表达的地形曲面，或是在整个区域上通过全局内插函数所形成的DEM，例如通过趋势面拟合内插所建立的DEM，也可以通过分块内插并建立各个块之间的光滑条件形成的DEM。,(2)按范围分类局部DEM：对某一工程所建立的小
11、范围的DEM，或因为研究区域曲面变化比较复杂而将曲面划分成具有单一结构的一个个曲面块，并在该曲面块上所建立的数字高程模型。地区DEM：介于局部和全局模型之间的DEM。全局DEM：全局性DEM一般包含大量的数据并覆盖一个很大的区域。,2.4 数字高程模型的特点与传统的模拟数据如等高线地形图相比，有如下特点：（1）精度的恒定性（2）表达的多样性（3）更新的是实时性（4）尺度的综合性,2.5 数字高程模型的系统结构数字高程模型的理论和技术由数据采集、数据处理和应用三部分组成。这三部分根据功能又可划分为五个功能模块：（1）DEM的建立（2）DEM模型操作（3）DEM分析（4）DEM可视化（5）DEM应
12、用各个功能模块之间的数据流不是单向的，是相互流动的。,3、数字高程模型的应用,3.1科学研究应用区域、全球气候变化研究 水资源、野生动植物分布地质、水文模型地理信息系统地形地貌分析土地分类、土地利用、土地覆盖变化、监测等,3.2 商业应用 数字高程模型的应用是面向用户的，因此DEM的商业价值在于DEM产品与DEM派生产品的生产和分发。DEM的商业市场可分为两类：直接提供DEM数据而不进行增值服务和用户需要增值服务。主要行业有：电信交通管理与导航资源规划管理与建设 地质勘探水文和气象服务遥感、测绘多媒体应用和电子游戏,3.3 工业、工程应用 主要用于进行各种辅助决策和设计，以提高服务、设计质量等，获取更大的经济效益，主要部门有：电信、导航、航空、采矿业、旅游业以及各种工程建设如公路、铁路、水利等部门。3.4 管理应用 地理信息贯穿于政府职能部门的管理规划等各个层面，对于DEM而言，主要有自然资源管理、区域规划、环境保护、减灾防灾、农业、森林、水土保持以及与安全相关的各种应用入保险、公共卫生等领域。3.5 军事应用 虚拟战场、战场地形环境模拟、制作作战地图、军事工程、基于地形匹配的引导技术等。,
