数字高程模型习题集.docx
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数字高程模型习题集
《数字高程模型》复习题
第1讲概论
一、名词解释
1、数字高程模型（DEM）：
通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟，或者说，地形表面的数字化表示。
DigitalElevationModel，缩写DEM.。
二、填空（选择、判断）
1、地形表达的历史演进过程，经历了象形绘图法、写景法、等高线地形图、地貌晕渲图、航空摄影图像、遥感图像、数字地形表达等7个阶段。
2、DEM按结构分类包括：
基于面元的DEM、基于线单元的DEM、基于点的DEM；按连续性分类，包括：
不连续DEM、连续但不光滑DEM（逐点内插的格网DEM、TIN）、光滑DEM（样条函数内差的格网DEM）;按范围分类，局部DEM、区域DEM、全局DEM。
三、问答题
1、DEM的特点。
（1）容易用多种形式显示地形信息。
地形数据经计算机处理后能产生不同比例尺的纵横断面图与立体图，而常规地图一旦制作形成，比例尺不容易改变，绘制其他的地形图需要人工处理；
（2）精度不会损失，没有载体变形的问题；
（3）容易实现自动化、实时化。
将修改信息直接输入计算机，软件处理后生成各种地形图。
（4）快速计算、获取DEM分辨率范围内的高程数据。
2、在ArcGIS中，如何通过纸质等高线地形图生成不同形式的DEM。
（1）纸质等高线地形图扫描；
（2）在ArcMap中配准（选取投影和坐标系）；
（3）等高线地形图矢量化并给每条等高线赋以属性值（高程）；
（4）运用Arctoolbox—Convertiontools—featurestoraster工具将矢量线转化为栅格线（每个栅格的值为高程）；
（5）在ArcScence中，运用convert—rastertofeature将栅格线转化为矢量点数据文件；
（6）在ArcScence中，运用3Danalyst—inpolatetoraster—Idw进行差值；
（7）三维显示（在属性表中设置高程）；
（8）在ArcScence中，运用3Dannlyst—convert—rastertoTin转化为TIN。
第2讲数据获取
一、填空（选择、判断）
1、地面复杂度描述的指标主要有：
光谱频率、分维数、曲率、相似性、坡度等；其中坡度是描述地面复杂度最基本、最有效的指标。
2、参考下图，说明每个图所代表的采样策略。
沿等高线采样规则格网采样
剖面法采样渐进采样
选择性采样混合采样
3、DEM数据源的三大属性是数据分布、数据密度和数据精度。
三、问答题
1、叙述采样理论。
假定某个地形曲面的纵断面为周期为正弦函数，请计算该段面上合理的采样间隔。
如果对某一函数g（x）间隔d进行采样，则高于1/2d的频率部分将不能通过数据采样的重建而恢复。
也就是说，如果要想恢复重建表面，则函数的频率应小于或等于1/（2d）。
采样间隔应为：
2、DEM三大数据源的特征。
（1）地形图数据
主要通过等高线来描述地物高度和地形起伏。
地形图数据覆盖范围广、比例尺系列齐全、获取经济，是各种尺度DEM主要数据。
制作复杂，更新周期长，不能反映局部地形地貌变化。
多为纸质，存在不同程度变形。
（2）遥感影像数据
1）航空影像：
更新速度快，地形图测绘、更新的有效手段，也是获取大面积、高精度DEM最有价值数据源。
2）卫星遥感影像：
传统立体扫描仪所获得高程数据，精度较差，只适合小比例尺（1：
100万）DEM生产。
3）高分辨率遥感影像（1m分辨率IKONOS）、合成孔径雷达干涉测量、激光扫描仪等新型传感器数据，是高精度、高分辨率DEM最有希望的数据，但价格昂贵。
（3）地面测量数据
GPS、全站议、经纬仪在野外获取观测地面点数据，精度较高，但工作量大，只适合小范围DEM数据获取。
第3讲DEM表面建模—格网DEM
一、填空题
1、地形起伏的空间自相关性是DEM内插的数理统计基础。
2、内插方法按内插范围可分为整体内插、分块内插、逐点内插。
分块内插又包括线性内插、双线性内插、二元样条函数内插、多面函数法内插、最小二乘配置法内插、有限元法内插等。
二、问答题
1、评述几类内插方法
（1）一般说来，大范围内的地形比较复杂，用整体内插法若选取采样点个数较少时，不足以描述整个地形，而若选用较多的采样点则内插函数易出现振荡现象，很难获得稳定解。
因此在DEM内插中通常不采用整体内插法。
（2）相对于整体内插，分块内插能够较好地保留地物细节，并通过块间一定重叠范围保持内插曲面的连续性。
分块内插方法的一个主要问题是分块大小的确定。
（3）逐点内插方法计算简单，应用比较灵活，是较为常用的一类DEM内插方法。
逐点内插方法的主要问题是内插点邻域的确定，它不仅影响到DEM内插精度，也影响到内插速度。
（4）各种内插方法在不同地貌地区和不同采点方式下有不同的误差。
具体选择时，要考虑每种方法的适用前提及优缺点，同时考虑应用的特点，从内插精度、速度、计算量等方面选取合理的方法。
第4讲TIN建立
一、名词解释
1、TIN:
基于不规则三角网的数字高程模型（BasedonTriangulatedIrregularNetworkDEM，简写为BasedonTINDEM，简称TIN）.用一系列互不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形来表示地形表面。
2、Delaunay三角网：
有公共边的Voronoi多边形称为相邻Voronoi图，连接所有相邻Voronoi多边形的生长中心所形成的三角网称为Delaunay三角网。
它是一个布满整个区域有互不重叠的三角网结构。
第5讲DEM可视化表达
一、名词解释
1、可视化（visualization）：
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、发现规律和传播知识。
2、地形可视化：
是在20世纪60年代以后随着地理信息系统的出现而逐渐形成的，主要研究基于DEM的地形显示、简化、仿真等内容，是计算机图形学的一个分支，属于科学计算可视化的范畴。
3、地形三维可视化：
是将三维空间对象按某一规则变换到二维平面，为了使变换过的图形具有真实感，还须根据光源的位置和颜色、对象表面的形状和方位及光谱特性等计算画面每一点的颜色灰度，并选择合适的纹理贴附于对象表面。
二、填空
1、地形可视化经历了从简单到复杂、从低级符号到高级符号、从抽象到逼真的过程。
2、地形三维可视化方法有：
立体等高线模型、三维线框透视模型、地形三维表面模型、地形三维景观模型等。
三、问答题
1、简述地形三维可视化的基本步骤。
（1）DEM三角形分割（TIN不需此步骤）；
（2）透视投影变换；
（3）光照模型；
（4）消隐处理；
（5）图形绘制和存储；
（6）地物叠加（添加纹理）。
第6讲DEM数据组织与管理
一、填空题
1、DEM数据模型包括镶嵌数据模型（不同大小、不同形状网络覆盖）、规则镶嵌数据模型（如正方形）、不规则镶嵌数据模型（如三角网）。
2、规则格网DEM数据结构包括：
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。
3、TIN数据结构包括：
面结构、点结构、点面结构、边面结构、
4、DEM数据库属空间数据库，DEM数据库的内容包括数据库结构设计、数据组织方法、元数据、数据库功能等。
第7讲DEM生产质量控制
一、名词解释
1、DEM质量控制：
指DEM数据在表达空间位置、高程、时间信息这三个基本要素时所能达到的准确性。
2、随机误差：
对同一目标，多次观测的结果会有不同，且没有任何规律性，所以称为随机误差。
二、填空题
1、DEM质量控制策略：
减少数据采集时的误差引入；对采集到的数据作误差处理，以提高可靠性；减少表面建模时的误差引入。
2、不管采用何种采集方法，测量数据都包含误差，主要来自：
（1）原始资料的误差；
（2）采点设备的误差；（3）人为误差；（4）坐标转换误差.
3、DEM数据误差包括：
系统误差、随机误差、粗差。
研究的重点是偶然误差。
三、问答题
1、DEM质量检查的内容
（1）检查DEM原始的数学基础（投影/坐标系）；
（2）数据起止点坐标的正确性（范围）；
（3）原始数据质量（系统误差/随机误差/粗差）；
（4）高程值有效区间（插值会超出）；
（5）内插模型（选择是否恰当）
（6）产品质量（整体精度）
（7）元数据文件（描述是否准确）
第8讲DEM精度分析
一、名词解释
1、极限误差：
通常以3倍中误差作为偶然误差的极限，并称为极限误差。
二、填空题
1、DEM误差就是数字地形表面建模过程中所传播的各种误差的综合。
2、DEM常用的精度描述指标是中误差、平均误差和标准差（公式）。
第9讲DEM的多尺度表达
一、名词解释
1、地图综合：
同一地物在不同比例尺上所表达的细节是不一样的。
通过一些诸如简化和有选择性省略的操作，从大比例尺地图中获得小比例尺地图，即地图综合。
二、填空题
1、地理空间中地理对象的图形表达，往往在欧氏空间进行。
但是，欧氏空间中地理对象的放大和缩小，并不改变地理对象的尺度（比例尺）。
2、分辨率指地理对象基本测量单位的大小。
反应的是对象的细节程度；而尺度则反映观测对象时，距离对象的远近。
二者显然是不同的。
3、多尺度DEM的表达方法：
层次结构（金字塔结构、四叉树结构）；表面综合。
4、我国目前上产的不同尺度的DEM有：
1：
100万，1：
25万，1：
5万，1：
1万。
三、问答题
1、简述DEM多尺度表达的理论基础
根据人眼观察物体的规律，即人只能在一定的分辨率内观察物体，超出了这个分辨率，将看不到这个物体。
Li和Openshaw（1993）提出了尺度变换自然规律：
在一定的尺度中，如果基于空间变换的地理目标的大小低于最小规定尺寸，那么它就会被忽略而不再被表达。
运用这个规律，忽略掉人眼不能看到的空间物体细节，进而可以得到不同分辨率（不同尺度）的DEM.
第10讲从DEM内插等高线
一、名词解释
1、二值等高线法：
把具有相同等高距的高程等级用黑色和白色交替表示，定义黑白的交界线为等高线。
这个等高线没有宽度。
2、边界等高线法：
按照黑白二值法形成的等高线并没有宽度。
如果要让等高线有宽度（一个栅格大小），并用黑色表示出来，可用边缘跟踪算法确定两个等级之间的交界线。
二、填空题
1、从格网DEM内插等高线的栅格方法有：
二值等高线法、边界等高线法，另外还有：
三色等高线法、高亮等高线法、高程灰阶等高线法、明暗等高线法、
第11讲数字地形分析
一、名词解释
1、数字地形分析：
人们习惯用等高线、纵剖面、坡度与坡向、汇水面积、填挖方、三维透视图等DEM的派生图形或数据来表达实际地形的各种特征。
产生这些派生产品的过程称为数字地形分析。
二、填空题
1、曲面拟合法中坡度坡向的计算公式（正切值、角度值）。
2、基于格网DEM的地形特征提取方法：
基于图像处理的方法、断面极值法、基于地形曲面流水物理模拟分析方法、基于地形曲面几何分析与流水物理模型模拟分析相结合的方法。
3、基于等高线的特征提取方法有：
等高线曲率判别法、等高线垂线跟踪法、等高线骨架法、基于Voronoi图的骨架法。
4、可视性分析的基本用途有：
可视查询、可视域计算、水平可视计算。
三、问答题
1、假定某一区域无洼地DEM如图（a）。
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（a）
（1）按照D8算法进行方向编码；并用箭头标出每个格网的水流方向（可用简单的落差值判断）。
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（b）
（2）按照方向编码，填写该格网DEM水流方向矩阵。
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（c）
（3）假定每个格网的降雨均为1个单位，根据水流方向矩阵，填写水流累积矩阵（可以通过指向某个格网的箭头总数确定，一个箭头表示1个水流量）
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（d）
第12讲DEM应用
一、问答题
1、举例说明DEM在工程、军事、测绘等方面的应用。
（1）在工程中的应用：
水库面积、库容计算
其实质是填方分析。
1）首先构建库区的TIN；
2）以TIN为基础，绘制库区的等高线图，用等高线表示不同的水位；
3）将封闭的等高线作为约束条件，使用替代多边形方法，用每条等高线的高程填充封闭多边形，构建约束TIN;
4）以库区原始TIN和某个约束TIN为基础，进行填挖（cut/fill）分析，即可得出某高程上水库的水面面积（area）和库容（volume）.
5）以上面的计算为基础，还可以绘制水库水面面积与库容的关系曲线图。
（2）在军事中的应用
1）虚拟战场
虚拟战场是数字化基础上由计算机上成的另一类战场，是虚拟的，但人可以化身的形式“进入”。
DEM可以导出为虚拟建模语言支持的文件形成，为构建虚拟战场提供地理环境数据。
在虚拟战场中，可以模拟敌我双方在各种情况下的战术行为，演变出千变万化的战场态势，达到训练战术指挥员指挥能力和战斗员的作战技能的目的。
2）其他军事工程
a飞行员模拟飞行:
在虚拟环境下，飞行员真实感受飞行的效果和外部环境的变化，达到节约经费、提到飞行经验、尽快适应实战的目的。
b导弹飞行模拟、雷达基站选址、岗哨设置等，都需要在DEM创建的三位环境下进行。
（3）遥感和制图中的应用
1）单片修侧用于制作正射影像
在遥感图像几何畸变的诸多影响因素中，遥感性能、卫星姿态可用相关参数纠正。
而地形起伏对影像的影响非常显著。
需要在地面实测控制点，建立散点DEM，与遥感影像叠加进行几何纠正。
2）遥感数字图像定量解译：
因为地物光谱特性往往存在”同物异谱”或“同谱异物”的现象，因此仅仅依靠象元灰度值解译会出现很大偏差。
将同一地区的DEM与正射影像叠加，可提高判读的精度，因为地物的分布往往与地形起伏有关。
3）在数字制图中的应用
从DEM可以派生出很多地图产品，如平面等高线地形图、立体等高线图、坡度图、坡向图、纵横断面图、三维立体透视图（TIN边显示方法）、三维立体彩色图，还可以通过通过山体阴影分析，产生晕渲图（不同灰度值表示）。
（4）地质灾害分析
以山体滑坡为例。
滑坡是世界范围内的地质灾害，每年造成大量的经济损失。
其发生与地质、地貌、气象、土壤、土地利用、地下水位等诸多因素有关。
其中地形因素如海拔、坡度、坡向等可从DEM获取。
通过将经常发生滑坡的区域分布图与多因素分布图进行叠加分析，可以分析各因子与滑坡的关系。
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