《地形制图分析》PPT课件.ppt

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1、GIS原理与应用原理与应用|河海大学测绘科学与工程系河海大学测绘科学与工程系南京南京 江苏江苏第第14讲讲 地形制图与分析地形制图与分析葛葛 莹莹第第1周周 第第12周周内容提要内容提要从从GIS数据分析的回顾谈起数据分析的回顾谈起为什么地形制图与分析？为什么地形制图与分析？描述地形的方法描述地形的方法-数字高程模型数字高程模型DEM-不规则三角网不规则三角网TIN地形制图地形制图地形分析地形分析为什么地形制什么地形制图与分析？与分析？GIS数据分析的回数据分析的回顾-数据数据显示与地示与地图制制图（第（第9章）章）-初初级分析，数据无加工分析，数据无加工 所所见即所得即所得-数据探数据探查（

2、第（第10章）章）-初初级分析，数据无加工分析，数据无加工 所所见即所得即所得-矢量数据分析（第矢量数据分析（第11章）章）-高高级分析，分析，针对点、点、线、面的、面的操作，数据加工后分析操作，数据加工后分析-栅格数据分析（第格数据分析（第12章）章）-高高级分析，分析，针对栅格格单元的元的操作，数据加工后分析操作，数据加工后分析为什么地形制什么地形制图与分析？与分析？矢量数据分析的回矢量数据分析的回顾-建立建立缓冲区冲区-将矢量数据将矢量数据分分类，符合要求或不符合要求，符合要求或不符合要求-地地图叠置叠置-对矢量数据矢量数据进行行集合集合操作，如并等操作，如并等-距离量距离量测-对矢量数

3、据矢量数据进行行量量测操作，如操作，如长度等度等为什么地形制什么地形制图与分析？与分析？栅格数据的回格数据的回顾-局域运算局域运算针对一个一个单元元的操作的操作-邻域运算域运算针对一片一片单元元的操作的操作-分区运算分区运算针对2种的不同种的不同单元元的操作的操作-自然距离量自然距离量测运算运算针对单元元的操作的操作为什么地形制什么地形制图与分析？与分析？前面的分析都是前面的分析都是针对-平面位置（平面位置（x,y）的分析）的分析但全面反映自然世界的事物或但全面反映自然世界的事物或现象象-高度高度z的分析不可缺少的分析不可缺少-例如，地理表面的分析（地形）需要例如，地理表面的分析（地形）需要地

4、形制地形制图图与分析与分析地貌地貌晕渲渲图（Hillshade）坡度（坡度（Slope）坡向（坡向（Aspect）表面曲率（表面曲率（Curvature）视域（域（Viewshed）如何如何进行地形制行地形制图与分析？与分析？描述地形的数据描述地形的数据结构构-地形表面特征点的三地形表面特征点的三维坐坐标数据数据-一套一套对地表提供地表提供连续描述的算法描述的算法三种常用的数据三种常用的数据结构构1.基于基于栅格的格的DEM 数字高程模型数字高程模型2.基于矢量的基于矢量的TIN 不不规则三角网三角网3.基于矢量的等高基于矢量的等高线法法数字高程模型数字高程模型DEM如何表示高程点如何表示高程

5、点-规则排列规则排列的高程点的高程点-规则格网单元规则格网单元-每个格网单元对应高程值每个格网单元对应高程值-栅格像元值是栅格像元值是z值值数字高程模型数字高程模型DEM常用的数据源常用的数据源-航片（航片（Aerial Photography）-卫片（片（Satellite Imagery）-雷达（雷达（RADAR）-激光雷达（激光雷达（LAS）QuickbirdQuickbirdGeoEye-1GeoEye-1IkonosIkonosWorldView-1WorldView-1SPOT 5SPOT 5Landsat 7 ETM+Landsat 7 ETM+Landsat 1-5 MSSLa

6、ndsat 1-5 MSSLandsat 1-5 TMLandsat 1-5 TMLASLASWorldView-2WorldView-2Kompsat-2Kompsat-2Formosat-2Formosat-2DTEDDTEDRadarsat 2Radarsat 2CADRG/ECRGCADRG/ECRGHREHRECIBCIBDEM数据采集方式数据采集方式地面地面测量量-利用自利用自动记录的的测距距经纬仪在野外在野外实测现有地有地图数字化数字化-利用数字化利用数字化仪对已有地已有地图上的信息（如等高上的信息（如等高线）进行数字化行数字化空空间传感器感器(LIDAR)精度高精度高-利用全球

7、定位系利用全球定位系统GPS，结合雷达和激光合雷达和激光测高高仪等等进行数据采集行数据采集数字数字摄影影测量方法量方法-利用附有的自利用附有的自动记录装置（接口）的立体装置（接口）的立体测图仪或立体坐或立体坐标仪、解、解析析测图仪及数字及数字摄影影测量系量系统，进行人工、半自行人工、半自动或全自或全自动的量的量测来来获取数据取数据LAS Data Management WorkflowLarge Collectionsof LAS filesMosaicDatasetVisualization&AnalysisShare asImage ServiceLAS DatasetQCVisualiz

8、ation&AnalysisVisualize AnalyzeEdit/Reclassify/ConstraintsGeodatabase TerrainsRasterData ConsumersLASData ConsumersData ManagersDirectly accessedProject LAS filesDownload Project LAS files数字高程模型数字高程模型DEM影响地形分析的因素影响地形分析的因素-DEM质量量-美国地美国地质调查局的局的DEM数据数据误差差-一一级数据的均方差数据的均方差为715m-二二级数据的均方差数据的均方差为1/2等高距等高距-

9、三三级数据的均方差数据的均方差为1/3等高距等高距激光雷达数据制作的激光雷达数据制作的DEM质量高量高不不规则三角网三角网TIN定定义-用一系列用一系列无重叠无重叠的三角形来近似模的三角形来近似模拟陆地表面，从而构成不地表面，从而构成不规则的三角网的三角网不不规则三角网三角网TIN数据存储结构数据存储结构-点点node、线组成三角形、线组成三角形-点是点是(x,y)+高度值高度值z =node特点特点-用一系列不叠置三角形近似用一系列不叠置三角形近似表示地形表示地形-不规则采样的高程数据不规则采样的高程数据不不规则三角网三角网TIN数据源数据源-主要来源主要来源-DEM（转换成成TIN）-辅助

10、来源助来源-点数据：点数据：实测高程点、高程点、GPS数据和雷达数据数据和雷达数据-线数据：等高数据：等高线和断和断线-断断线：河流、岸：河流、岸线、山脊和道路等、山脊和道路等-面数据：湖泊和水面数据：湖泊和水库Multi-resolution terrain dataset(TIN structure)Multi-resolution terrain dataset(TIN structure)不不规则规则三角网三角网TIN点点 and and 断断线线（河流、岸（河流、岸线线等）等）Terrain PyramidsTerrain PyramidsFull ResolutionFull Re

11、solutionThinned Point SetThinned Point Set不不规则三角网三角网TIN创建建TIN的算法的算法-选择点的算法：点的算法：-最大最大z容差算法容差算法-构建三角网的算法构建三角网的算法-德德劳内三角内三角测量法量法不不规则三角网三角网TIN最大最大z容差算法容差算法-对于高程格网的每个点，其原始高程与由不于高程格网的每个点，其原始高程与由不规则三角网内插的高三角网内插的高程之差在指定的最大程之差在指定的最大z容差之内容差之内-算法算法叠加叠加过程程-构建一个初始的不构建一个初始的不规则三角网三角网-计算格网中每个点与所落入三角面的高差算格网中每个点与所落入

12、三角面的高差-这些差些差值与指定的与指定的Z值比比较，如果大于，如果大于Z，则标记该点并将其添加到不点并将其添加到不规则三角网原型中三角网原型中-格网中每个点都格网中每个点都检测后，用后，用标记的点重新的点重新计算三角网算三角网-直到所有落入三角形内的点都在指定的容差直到所有落入三角形内的点都在指定的容差Z内内不不规则三角网三角网TIN德劳内三角测量法德劳内三角测量法-避免长、窄的三角形避免长、窄的三角形-所有结点（高程点）与最近所有结点（高程点）与最近相邻点连接构成三角形相邻点连接构成三角形-三角形尽量等角，或尽量密三角形尽量等角，或尽量密集集缺点缺点-TIN边界附近的三角形经常边界附近的三

13、角形经常被延伸和拉长，不能如实反被延伸和拉长，不能如实反映地形要素映地形要素Contours不不规则三角网三角网TINData ConversionProduct GenerationProprietary or de-facto standard formatsSurface IntegrationArcGISTerrainDatasetPyramidTIN surfacesPointsBreaklinesDEM TINLIDAR post-processed data Points SONAR post-processed data PointsPhotogrammetric data P

14、oints&Lines 不不规则三角网三角网TIN如何构建如何构建TIN-DEM转换成成TIN-加入加入辅助信息，克服助信息，克服边缘高程的扭曲高程的扭曲-在在河流、岸河流、岸线、山脊和道路等，高程突然降落、山脊和道路等，高程突然降落-解决的方法：将解决的方法：将这些些线加入，同加入，同时生成生成TIN-提高提高TIN的精度的精度-加入高程点等点数据加入高程点等点数据-加入湖泊等面数据加入湖泊等面数据DEM与与TIN的的应用用地形制地形制图常用的五种地形制常用的五种地形制图技技术-等高等高线法法-垂直剖面法垂直剖面法-地貌地貌晕渲法渲法-分分层设色法色法-透透视图法法地形制地形制图等高等高线法

15、法等高线等高线是一种等值线，连接相同高程的点。是一种等值线，连接相同高程的点。等高距等高距表示等高表示等高线之间的垂直距离。线之间的垂直距离。基准等高线基准等高线是开始计算高程的等高线。是开始计算高程的等高线。-例如，例如，DEM高程范围是高程范围是7431986m，如果等高距是，如果等高距是100m，基准，基准等高线是等高线是800m，等高线为，等高线为800、900、1000等等地形制地形制图等高等高线法法等高等高线的排列及其模式是地形的反映的排列及其模式是地形的反映-陡峭地形，等高陡峭地形，等高线间距距紧密密-沿着河流，等高沿着河流，等高线向上游方向弯曲向上游方向弯曲地形制地形制图等高等

16、高线法法等高线的自动生成等高线的自动生成-检查等高线与栅格像元或三角形是检查等高线与栅格像元或三角形是否交叉否交叉-通过栅格像元或三角形绘出等高线通过栅格像元或三角形绘出等高线生成等高线算法生成等高线算法1.给定一条等高线给定一条等高线2.检查每个三角形的边缘做线形内插检查每个三角形的边缘做线形内插可确定等高线的位置可确定等高线的位置3.如果有，则沿三角形边缘做线形内如果有，则沿三角形边缘做线形内插可确定等高线的位置插可确定等高线的位置4.连接代表等高线位置的点连接代表等高线位置的点5.平滑等高线平滑等高线地形制地形制图垂直剖面法垂直剖面法定义定义-表示高度沿一条线（道路、表示高度沿一条线（道

17、路、河流等）上的变化河流等）上的变化用途用途-在工程方面在工程方面(如在公路、如在公路、铁路、管线等的设计过程铁路、管线等的设计过程中中)，常常需要制作剖面，常常需要制作剖面图图地形制地形制图垂直剖面法垂直剖面法垂直剖面生成步垂直剖面生成步骤-在等高在等高线图上画一条上画一条线-标记等高等高线与剖面与剖面线的每个交叉点，并的每个交叉点，并记录其高其高层-适当提高每个交叉点的高度比例适当提高每个交叉点的高度比例-连接各交叉点，接各交叉点，绘成垂直剖面成垂直剖面图地形制地形制图地貌地貌晕渲渲图模拟在太阳光与地表要素相互作模拟在太阳光与地表要素相互作用下的地形地貌用下的地形地貌显示显示-向光的山坡明

18、亮，背光的山坡阴向光的山坡明亮，背光的山坡阴暗暗用途用途-研究阳光的照射位置与公路上发研究阳光的照射位置与公路上发生的车祸事件发生率之间的相关生的车祸事件发生率之间的相关性性-分析农作物与太阳光照的关系分析农作物与太阳光照的关系地形制地形制图地貌地貌晕渲渲图地貌地貌晕渲的渲的视觉效果与四个因素有关效果与四个因素有关-太阳方位角，太阳方位角，变化范化范围是是0360-太阳高度角，太阳高度角，变化范化范围是是090-地形的坡度地形的坡度-地形的坡向地形的坡向地形制地形制图分分层设色色图定义定义-用不同颜色表示不同的高度用不同颜色表示不同的高度带带用途用途-强调高程对分析对象的影响强调高程对分析对象

19、的影响-左图：地形对城市形成的影左图：地形对城市形成的影响响地形制地形制图透透视图透视图是地形的三维视图透视图是地形的三维视图应用应用-用于显示从飞机上某个角度所见用于显示从飞机上某个角度所见的地形地貌，制作飞机鸟瞰图的地形地貌，制作飞机鸟瞰图与四个参数有关与四个参数有关-观察方位观察方位-观察角度观察角度-观察距离观察距离-竖向（竖向（z向）比例尺向）比例尺地形制地形制图透透视图影响因子影响因子-观察方位角：观察者对地表的方向，观察方位角：观察者对地表的方向，变化范围为顺时针方向变化范围为顺时针方向0360。-观察角度：观察者所在高度与地面观察角度：观察者所在高度与地面的夹角，在的夹角，在0

20、90之间。之间。0表示正表示正前方，前方，90表示正上方。表示正上方。观察方位角观察距离d观察角度北垂直比例尺影响因子影响因子-观察距离：观察者与地表面的距观察距离：观察者与地表面的距离离-z-比例系数：垂直比例尺与水平比例系数：垂直比例尺与水平比例尺的比率比例尺的比率坡度和坡向坡度和坡向最广的地形分析最广的地形分析应用用坡度是地面特定区域高度坡度是地面特定区域高度变变化率的量度化率的量度坡度可用坡度可用“百分数百分数”或或“度度”做做单单位，位，“百分数百分数”是垂直距离与水是垂直距离与水平距离之比的平距离之比的100倍倍坡度和坡向坡度和坡向最广的地形分析最广的地形分析应用用坡度的应用非常广

21、泛坡度的应用非常广泛-根据坡度起伏变化，确定崩根据坡度起伏变化，确定崩塌、泥石流区域或严重的土塌、泥石流区域或严重的土壤侵蚀区，作为灾害防治与壤侵蚀区，作为灾害防治与水土保持工作的基础水土保持工作的基础-提取平坦区域，为大型商业提取平坦区域，为大型商业中心或房屋建筑选址中心或房屋建筑选址坡度和坡向坡度和坡向最广的地形分析最广的地形分析应用用坡向是斜坡方向的度量，从正北开始坡向是斜坡方向的度量，从正北开始0，顺时针顺时针移移动动坡向的坡向的单单位是度，从正北位是度，从正北0开始，开始，顺时针顺时针移移动动，回到正北以，回到正北以360结结束束坡向坡向经经常被分常被分为为8向，如向，如图图所示所示

22、坡度和坡向坡度和坡向最广的地形分析最广的地形分析应用用影响坡度、坡向量算的因子影响坡度、坡向量算的因子-DEM分辨率和分辨率和质量量-分辨率和分辨率和质量越高，坡度、坡向量越高，坡度、坡向测算精度越高算精度越高-坡度、坡向的算法坡度、坡向的算法-各有千秋，尚无定各有千秋，尚无定论-局部地形局部地形-陡坡地区，坡度估算陡坡地区，坡度估算误差差较大大-平坦地区，坡向估算平坦地区，坡向估算误差差较大大坡度和坡向坡度和坡向最广的地形分析最广的地形分析应用用影响坡度、坡向量算的因子影响坡度、坡向量算的因子-三种不同的三种不同的DEM分辨率分辨率图图像像-（a）美国地质调查局的）美国地质调查局的30m D

23、EM-（b）美国地质调查局的）美国地质调查局的10m DEM-（c）LIDAR数据的数据的1.83m DEM-从上图三种不同分辨率的从上图三种不同分辨率的DEM中提取的坡度，坡度越中提取的坡度，坡度越陡，图上颜色越暗陡，图上颜色越暗表面曲率表面曲率水文研究中水文研究中经常用到，确定一个常用到，确定一个单元位置的表面是向上的凸元位置的表面是向上的凸面面还是凹面是凹面曲率的度量有三个量曲率的度量有三个量-剖面曲率：沿着最大坡度方向剖面曲率：沿着最大坡度方向进行估算行估算-平面曲率：沿着最大坡度的垂直方向平面曲率：沿着最大坡度的垂直方向进行估算行估算-表面曲率：剖面曲率表面曲率：剖面曲率 平面曲率平面曲率-表面曲率表面曲率为正，意味着正，意味着该单元表面向上凸出元表面向上凸出-表面曲率表面曲率为负，意味着，意味着该单元表面向下凹陷元表面向下凹陷-表面曲率表面曲率为零，是平面零，是平面