数字高程期末作业.docx
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数字高程期末作业
简述数字高程模型
1、数字高程模型定义
数字高程模型是将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。
2、数字高程模型的研究内容
数字高程模型研究内容包括地形数据采样、地形建模与内插、数据组织与管理、地形分析与地学应用、DEM可视化、不确定性分析和表达。
2.1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。
2.1.1DEM数据模型
空间数据模型是空间数据组织和空间数据库设计的基础。
数字高程模型主要刻画具有连续变化的空间对象，属于基于场的镶嵌数据模型。
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。
所谓规则镶嵌数据模型，就是用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。
构造规则镶嵌模型的方法是：
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。
不规则镶嵌数据模型是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界。
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，TIN是DEM的主要表达形式。
TIN与规则格网DEM显著不同之处在于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、等表示地形特征。
2.1.2DEM数据结构
规则格网DEM数据结构为简单矩阵结构、行程编码结构、块状编码结构、四叉树数据结构。
与网格DEM的规则数据阵列相比，不规则三角网DEM的数据结构要复杂得多。
由于三角形的不规则型，三角形定义及其与相邻三角形的关系要显式地表达出来，这种结构需要两个文件：
三角形顶点坐标文件和组成三角形三顶点文件。
但是，上述这种结构简单但拓扑关系是隐含的，不利于TIN模型的检索与应用。
因此围绕着拓扑关系的描述产生了多种TIN的数据结构：
TIN的面结构、TIN的点结构、TIN的点面结构、TIN的边结构、TIN的边面结构。
不同TIN结构的对比如表1。
表1TIN结构的对比
2.1.3DEM数据库管理
DEM数据库的内容包括：
数据库设计、数据组织方法、元数据、数据库功能等。
DEM数据库的实现方式：
一是基于文件系统和空间索引的方式；二是基于关系型数据库的方式。
DEM数据库组织指DEM数据的管理和调度方式：
一般在水平方向上将同一尺度的DEM数据划分为一系列的块，在垂直方向上将不同尺度DEM分层组织（不同分辨率）。
数据库管理系统是为访问数据库提供的软件系统，负责维护所有数据必须的特性。
数据库管理系统的基本服务功能有：
数据库管理、数据库维护、数据通信。
元数据是关于数据的数据，是对有关数据体、数据集合等在内容、性能、特征、规律等方面的解释和说明。
2.2地形数据采样
DEM的数据来源有：
影像、地形图、地面测量数据、其他数据源、既有DEM数据。
2.2.1DEM数据采样
DEM数据采样要求：
深入了解地形表面结构特征和地形复杂程度，正确选择地形特征点和线，合理分布采样点。
地形数据采样的观点有：
统计学观点、几何学观点、基于特征的采样观点、地形的复杂程度、地貌单元类型，不同的方法考虑的角度不同。
确定在何处需要量测点的过程由三个参数决定：
点的分布、点的密度和点的精度。
采样的方法有：
沿等高线法、规则格网采样、剖面法采样、渐进采样、选择性采样、混合采样。
沿等高线法主要用于山区采样，规则格网采样可直接形成规则矩形格网的DEM数据，剖面法采样速度较快、精度比规则格网的要低，渐进采样随着地形复杂程度的变化合理分布采样点，选择性采样根据地形特征进行选择性采样。
2.2.2DEM数据采集
地形图数字化是一种DEM数据获取的最基本方法，包括手扶跟踪数字化、扫描数字化/矢量化，还有摄影测量数据采集方法、野外测量数据采集方法、雷达测量数据采集方法采集数据。
图1数据采集方法比较
影响DEM精度的因素很多，但是减少数据采集时的误差是保证DEM精度的根本。
在测量过程中，由于测量仪器工作失常，或观测者疲劳、大意等因素造成的误差，如读取数据、记录数据发生的错误等，这种误差属于测量坏值，一旦发现，应及时剔除。
滤波处理可以去掉原始数据中的随机误差，以提高数据质量和DEM地形表达精度。
2.3地形建模与内插
数字高程模型的实质：
就是一个分片的曲面（平面）模型。
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，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。
DEM是对地形曲面的一种逼近，保凸性、逼真性、光滑性评价DEM质量。
2.3.1内插
DEM建立过程中，关键的环节是格网点上高程的内插计算。
整体内插是整个区域用一个数学函数来表达地形曲面。
简单的曲面并不能很好的表达复杂的地貌形态地形曲面，将地形区域按一定的方法进行分块，对每一块根据地形曲面特征进行曲面拟合和高程内插，称为DEM局部分块内插。
逐点内插，是以内插点为中心，确定一个邻域范围，用落在邻域范围内的采样点计算内插点的高程值。
逐点内插本质上是局部内插，但是与局部分块内插有所不同，局部内插中的分块范围一经确定，在整个内插过程中其大小、形态和位置是不变的，凡是落在该块中的内差点，都用该块的内插函数进行计算；而逐点内插法的邻域范围大小、形状、位置乃至采样点个数随内插点的位置而变动，一套数据只用来进行一个内插点的计算。
2.3.2DEM建立过程
构建模型的一般内容和过程可以表示为：
采用合适的空间模型构造空间结构；采用合适的属性域函数；在空间结构中进行采样、构造空间域函数、利用空间域函数进行分析。
规则格网DEM建立，首先对研究区域在二维平面上进行格网划分（格网大小取决于DEM应用目的），形成覆盖整个区域的格网空间结构，然后利用分布在格网点周围的地形采样点内插计算各网点的高程值，最后按照一定的格式输出。
线性内插、双线性内插、三次样条函数是适合于规则分布采样点的内插函数。
基于不规则分布采样点的DEM建立有直接法和间接法。
基于规则格网分布采样点的DEM建立相对不规则分布的采样点而言，DEM建立不需要搜索内插点的邻域，而是通过其简单的几何关系就可建立。
基于等高线分布采样点的DEM建立有等高线离散化法、等高线内插法、等高线构建TIN法。
2.4DEM可视化
DEM信息隐含，地形可读性较差。
DEM地形可视化技术以DEM为基础实现对地形的直观表达。
可视化是指运用计算机图形图像处理技术，将复杂的科学现象、自然景观以及十分抽象的概念图像化，以便理解现象，观察其模拟和计算的过程和结果，发现规律和传播知识。
根据可视化技术的特点及其对象可视化可分为：
科学计算可视化、信息可视化。
信息可视化是一种帮助人们表现数据或挖掘数据隐含信息的手段，目的是辅助人们得出某种结论性的观点。
科学计算可视化是指空间数据场的可视化，而信息可视化则是指非空间数据的可视化。
传统地形表达方式：
等高线地形图、剖面线、沙盘等，直观性差、制作费时。
近代地形表达：
以三维地形模拟和表达为基本特征，伴随着计算机技术的发展而发展--经历了三维地形图、实体图三维地形图、高度真实感三维地形图三个阶段。
2.4.1地形（DEM）可视化表达的基本类型
地形可视化从维数上来讲可分为三类：
一维可视化、二维可视化、三维可视化。
二维可视化将三维地形表面投影到二维平面，并用约定的符号进行表达，根据所采用的方式，二维可视化又有写景法、等高线法、分层设色法、明暗等高线、半色调符号表达等。
地形可视化从数据源角度可分为:
基于等高线DEM、格网DEM和不规则三角网DEM。
从技术角度，地形可视化有静态可视化和交互式动态可视化两种。
从地形模拟角度，分为真实地形和模拟地形两类。
从纹理角度，地形可视化分为基于分形、基于遥感影像和基于纹理影像地形可视化三类。
地形三维可视化表达的理论基础：
DEM三角形分割（TIN不需此步骤）；透视投影变换；光照模型；消隐和裁剪；图形绘制和存储；地物叠加
三维可视化模型有立体等高线模型、三维线框透视模型、地形三维表面模型、地形三维景观模型、基于纹理映射算法的地形三维景观、基于遥感航空影像的地形三维景观、基于地物叠加的DEM可视化、基于虚拟现实的地形三维可视化、地形场景漫游与动画。
2.5不确定性分析和表达
数据获取方式、数据误差、内插方法都会影响DEM对地形的表达，而且这些误差在DEM的各种应用中会被传播和扩大。
精度是评价模型好坏的重要指标，DEM精度也是数字地形建模、数字地形分析和各种地学过程模拟最为关心的问题。
2.5.1误差、精度与不确定性
误差定义为观测数据与其真实值之间的差异；从性质上分为系统误差、随机误差和粗差。
对于DEM误差而言，当原始数据中的粗差剔除后，系统误差处于次要地位，因此DEM误差一般是指随机误差。
精度是数据准确度和精密度的统称，指误差分布的密集或离散程度。
不确定性指对真值的认知或肯定的程度，是更广泛意义上的误差，包含系统误差、偶然误差、粗差、可度量和不可度量误差、数据的不完整性、概念的模糊性等。
2.5.2DEM误差源分析
从DEM生产过程来看，DEM误差主要来源于以下几个方面:
地形表面特征、数据源误差、采点设备误差、人为误差、采样点密度和分布、内插方法、DEM结构。
尺度是由DEM空间分辨率所以引起的，尺度越大，误差越大；采样点的分布和密度也是DEM描述误差中的影响因素，采样点的分布与地形吻合得越好，由采样点生成的DEM的描述误差越小，采样点的密度越大，所生成的DEM越能精确地描述地面信息。
2.5.3DEM精度评定方法和精度模型
在实际应用中由于平面精度比较容易控制，一般只讨论DEM的高程精度评定问题并用高程数据精度表达DEM精度。
DEM高程精度的评定通常有理论分析、实验分析两种途径，精度模型如图2。
图2DEM精度模型
2.5.4DEM精度模型分析
影响等高线数据DEM精度的因素涉及以下几个方面:
原始数据质量、原始数据质量、内插数学模型、等高距。
基于规则格网数据建立DEM需要考虑两个因素的影响：
原始数据采样点的误差，可通过对数据采样方式的分析得到。
内插法。
不同内插方法会产生不同的内插曲面，引起DEM的表面建模的精度损失。
2.6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，如坡面地形因子的提取。
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