地理信息系统 第5章第1节DEM.ppt

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1、空间分析的原理与方法空间分析的原理与方法数字地形模型分析数字地形模型分析任课教师：林巧莺在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积 空间分析空间分析是是地理信息系统的核心功能之一，是地地理信息系统的核心功能之一，是地理信息系统区别于一般信息系统的主要功能特征，理信息系统区别于一般信息系统的主要功能特征，也是地学分析模型的基础或构件。也是地学分析模型的基础或构件。空间分析空间分析的定义基于空间数据基于空间数据 （分析对象）（分析对象）以地球科学原理为依托以地球科学原理为依托 （理论支持）（理论支持）通过分析算法通过分析算法 （技术手段）（技术手段）获取地

2、理对象新的空间信息获取地理对象新的空间信息 （目的成果）（目的成果）位置位置分布分布形态形态构成构成演变演变.空间分析的类型矢量数据空间分析l矢量叠合分析l矢量临近性分析l网络分析栅格数据空间分析l数字地形模型分析l栅格叠合分析l栅格临近性分析l栅格统计分析空间分析的类型产生式分析产生式分析 （获取新的信息）（获取新的信息）数字地面模型分析数字地面模型分析空间叠合分析空间叠合分析缓冲区分析缓冲区分析网络分析网络分析空间统计分析空间统计分析咨询式分析（回答问题）咨询式分析（回答问题）空间集合分析空间集合分析空间数据查询空间数据查询1 数字地形模型分析数字地形模型 DTM（Digital Terr

3、ain Model）数字高程模型 DEM(Digital Elevation Model）DTM:数字地形模型定定义义于于二二维维区区域域上上的的一一个个有有限限项项的的向向量量序序列列,以以离离散分布的平面点来模拟连续分布的表面散分布的平面点来模拟连续分布的表面是带有空间位置特征和地面属性特征的数字描述是带有空间位置特征和地面属性特征的数字描述 X X，Y Y：空间位置（二维区域）空间位置（二维区域）Z Z：地面属性数据地面属性数据坡度、坡向、土壤类型、土地利用、降水量、温度坡度、坡向、土壤类型、土地利用、降水量、温度海拔高程海拔高程DEMZ Z 按平面上等间距采样按平面上等间距采样,基于栅

4、格的基于栅格的DTM:DTM:DTM=DTM=Z Zi,j i,j,i=1,2,m;j=1,2,.ni=1,2,m;j=1,2,.n1.1 DTM1.1 DTM的定义的定义1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示DEM的表示方法1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示1.2.1 DEM的表示方法规则格网模型规则格网模型不规则三角网模型不规则三角网模型等高线模型等高线模型根据区域所有的高程点数据，用傅立叶级数和高次根据区域所有的高程点数据，用傅立叶级数和高次多项式拟合统一的地面高程曲面。（整体）多项式拟合统一的地面高程曲面。（整体）将地表复杂表面分成正方形将地表复杂表面分成正方形规则区域规则区域

5、或面积大致相或面积大致相等的等的不规则区域不规则区域进行进行分块分块分块分块搜索，根据有限个点进行搜索，根据有限个点进行拟合形成高程曲面。（局部）拟合形成高程曲面。（局部）1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示数学方法用离散采样数据点建立用离散采样数据点建立DEMDEM是建立是建立DEMDEM的常用方法的常用方法之一。之一。数据采样可以按规则格网采样，可以是密度一致数据采样可以按规则格网采样，可以是密度一致的或不一致的；的或不一致的；可以是不规则采样，如不规则三角网、邻近网模可以是不规则采样，如不规则三角网、邻近网模型等；型等；也可以有选择性地采样，采集山峰、洼坑、隘口、也可以有选择性地采样

6、，采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点。边界等重要特征点。1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示点数据描述高程测量曲线的等高线是表示地形最常描述高程测量曲线的等高线是表示地形最常见的形式。见的形式。其它的地形特征线也是表达地面高程的重要其它的地形特征线也是表达地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。变换线等。1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示线数据1.2.2 DEM 的主要表示模型规则格网模型(主要形式,如 GRID)不规则三角网模型(TIN)等高线模型层次模型(金字塔)1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示规则格网模型

7、规则格网将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应规则格网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。一个数值。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网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格 每个格网单元，对应一个高程值。每个格网单元，对应一个高程值。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1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示不规则三角网模型（TIN Triangular Irregular NetworkTriangular Irregular Network）根据区

8、域有限个点集将区域划分为相连的三角面格网，根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面格网，用一系列互不重叠的三角面格网近似地表示地形用一系列互不重叠的三角面格网近似地表示地形1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示等高线是一条带有高程值属性的简单多边形或多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边形弧段用插值方法计算落在等高线以外的其他点的高程用插值方法计算落在等高线以外的其他点的高程基于矢量的等高线基于矢量的等高线基于栅格的等高线基于栅格的等高线1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示等高线模型规则格网规则格网等高线和高程点等高线和高程点(a

9、)a)不规则三角网不规则三角网(b)b)75706060 60 6071 70716760 6060606558 626060605856607260606260(a)(b)(c)(c)c)1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示层次地形模型（层次地形模型（Layer of Layer of DetailsDetails，LODLOD）是一种是一种表达多种不同精度水平的数字高程模型。表达多种不同精度水平的数字高程模型。层次地形模型允许根据不同的任务要求选择不同层次地形模型允许根据不同的任务要求选择不同精度的地形模型。精度的地形模型。大多数层次模型是基于不规则三角网模型的，通大多数层次模型是基于

10、不规则三角网模型的，通常不规则三角网的数据点越多精度越高，但数据常不规则三角网的数据点越多精度越高，但数据点多则要求更多的计算资源。点多则要求更多的计算资源。1.2 DEM1.2 DEM的表示的表示层次模型DEM 模型间的转换不规则点集生成不规则点集生成 TINTIN，DelaunaryDelaunary 三角测量法三角测量法格网格网 DEM DEM 转转 TINTIN，减少顶点数目减少顶点数目等高线与格网等高线与格网 DEM DEM 互转，便于坡度计算、地貌互转，便于坡度计算、地貌渲染等渲染等DEM DEM 提取等高线提取等高线TIN TIN 转转 DEMDEM1.2 DEM1.2 DEM的

11、表示的表示地面测量地面测量数字摄影测量数字摄影测量 数字摄影测量是利用计算机立体视觉代替人眼的立体观数字摄影测量是利用计算机立体视觉代替人眼的立体观测，从遥感立体影像中提取地面高程，其基本原理是识别并测，从遥感立体影像中提取地面高程，其基本原理是识别并测量两个或多个影像上同名影像的像对坐标，实现数字摄影测量两个或多个影像上同名影像的像对坐标，实现数字摄影的自动匹配。的自动匹配。地形图（等高线）数字化地形图（等高线）数字化利用全球定位系统利用全球定位系统GPSGPS，结合雷达和激光测高仪等进结合雷达和激光测高仪等进行数据采集行数据采集 1.3 DEM1.3 DEM的建立的建立1.3.1 数据源人

12、工网格法立体像对法三角网法曲面拟合等值线插值法1.3.2 DEM的采样方法1.3 DEM1.3 DEM的建立的建立(1)人工网格法将地形图蒙上格网，逐格读取中心或交点的高程值、构成数字高程模型。1.3 DEM1.3 DEM的建立的建立（2）立体像对分析通通过过遥遥感感立立体体像像对对，根根据据视视差差模模型型、自自动动选选配配左左右右影像的同名点，可建立数字高程模型。影像的同名点，可建立数字高程模型。1.3 DEM1.3 DEM的建立的建立（3）三角网方法（TIN）对对有有限限个个离离散散点点，每每三三个个邻邻近近点点联联接接成成三三角角形形，每每个个三三角角形形代代表表一一个个局局部部平平面

13、面，再再根根据据每每个个平平面面方方程程，可计算各格网点高程，生成可计算各格网点高程，生成DEMDEM。1.3 DEM1.3 DEM的建立的建立（4）曲面拟合根根据据有有限限个个离离散散点点的的高高程程、采采用用多多项项式式或或样样条条函函数数求求得得拟拟合合公公式式，再再逐逐一一计计算算各各点点的的高高程程，可可得得到拟合的到拟合的DEMDEM。1.3 DEM1.3 DEM的建立的建立（5）等值线插值根据各局部等值线上的高程点，通过插值公式计算各点的高程，得到DEM。1)1)地形因子的自动提取地形因子的自动提取 （基于（基于DEMDEM的信息提取）的信息提取）2)2)地表形态的自动分类地表形

14、态的自动分类3)3)剖面的绘制与分析剖面的绘制与分析4)4)利用利用DEMDEM绘制等高线图绘制等高线图5)5)利用利用DEMDEM绘制地貌晕渲图绘制地貌晕渲图6)6)基于基于DEMDEM的可视性分析的可视性分析7)7)基于基于DEMDEM的流域分析的流域分析1.4 DEM的的应用应用1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用坡度计算坡度计算坡向计算坡向计算曲面面积计算曲面面积计算地表粗糙度计算地表粗糙度计算高程及变异分析高程及变异分析谷脊特征分析谷脊特征分析日照强度的分析日照强度的分析淹没边界的计算淹没边界的计算1)地形因子的自动提取1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用一、地形因子的自动提

15、取（一）坡度和坡向计算格网点标准矢量 Pi,j基本矢量 a,b地表单元法矢量 nij根据法矢量，可进行地表单元各种地形因子的自动计算和提取根据法矢量，可进行地表单元各种地形因子的自动计算和提取1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用空间矢量分析法坡度的计算（P148）地表单元的坡度就是其法向量n n与Z Z轴的夹角，也就是切平面与水平面的夹角坡向的计算坡向是地表单元的法向量在水平面上的投影与Y轴之间的夹角。拟合曲面法 P151 实际应用中，坡度有两种表示方式：实际应用中，坡度有两种表示方式：坡度坡度(degree of slope)degree of slope)：即水平面与地形面之间夹角。即

16、水平面与地形面之间夹角。坡度百分比（坡度百分比（percent slopepercent slope）：）：即高程增量（即高程增量（riserise）与水平与水平增量（增量（runrun）之比的百分数。之比的百分数。1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用坡向 在输出的坡向数据中，坡向值有如下规定：正北方向为在输出的坡向数据中，坡向值有如下规定：正北方向为00，顺时针顺时针方向方向计计算，取算，取值值范范围为围为00360360。在在ArcViewArcView和和ArcGISArcGIS软软件中，通常把坡向件中，通常把坡向综综合成九种坡向：平合成九种坡向：平缓缓坡（坡（1 1）、北坡（）、北

17、坡（0 0 -22.5-22.5,337.5,337.5 -360-360）、）、东东北坡（北坡（22.522.5 -67.5-67.5）、）、东东坡（坡（67.567.5 -112.5-112.5）、）、东东南南坡、南坡、西南坡、西坡、西北坡。坡、南坡、西南坡、西坡、西北坡。1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用坡度坡向的计算坡度图坡度图坡向图坡向图在在DEMDEMDEMDEM中计算坡度和坡向，派生出中计算坡度和坡向，派生出坡度坡向图坡度坡向图坡度坡向图坡度坡向图,供地形供地形分析（如日照分析、土地适宜性分析等）分析（如日照分析、土地适宜性分析等）1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用曲

18、面面积和填挖土方体积计算规格格网规格格网DEMDEM可以通过四个角点值，确定一个四可以通过四个角点值，确定一个四边形，得到中心点坐标，构成四个三角形，得到边形，得到中心点坐标，构成四个三角形，得到总面积和，通过累积，得到地表曲面面积。总面积和，通过累积，得到地表曲面面积。根据高程与曲面面积可以得到某区域的土方体积根据高程与曲面面积可以得到某区域的土方体积1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用地表粗糙度计算高程及变异分析谷脊特征分析谷脊特征分析 P155P155意义：意义：意义：意义：研究地形剖面，常常可以用线代面，研究区域的地研究地形剖面，常常可以用线代面，研究区域的地貌形态、形状轮廓、地势

19、变化、地质构造、斜坡特貌形态、形状轮廓、地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。征、地表切割强度等。在地形剖面上叠加其他地理变量，还可以提供土地在地形剖面上叠加其他地理变量，还可以提供土地利用规划、工程选址、选线等分析。利用规划、工程选址、选线等分析。绘制：绘制：绘制：绘制：剖面图的绘制应在剖面图的绘制应在格网格网DEMDEM或或三角网三角网DEMDEM上进行。上进行。可以通过简单的直线内插实现高程插值。可以通过简单的直线内插实现高程插值。P(tP(t)=P0+(p1 p0)*t 0=t=1)=P0+(p1 p0)*t 0=t=11.4 DEM1.4 DEM的应用的应用2)剖面的绘制与分

20、析1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用剖面的绘制与分析1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用剖面的绘制与分析高程点格网化，内插，连线高程点格网化，内插，连线从高程矩阵中得到等高线图从高程矩阵中得到等高线图:把高程矩阵中各像元的高程分成适当的高程类别把高程矩阵中各像元的高程分成适当的高程类别,然后然后用不同的颜色或灰度输出每一类别用不同的颜色或灰度输出每一类别.连接等高线时如果原高连接等高线时如果原高程数据点不规则或间隔过大程数据点不规则或间隔过大,必须同时使用内插技术内插到必须同时使用内插技术内插到需要的密度需要的密度.从从TINTIN数据中产生的等高线数据中产生的等高线 是用水平面与是

21、用水平面与TINTIN相交的办法实现的相交的办法实现的.TINTIN中的山脊、山中的山脊、山谷线等数据主要用来引导等高线的起始点谷线等数据主要用来引导等高线的起始点.3)利用DEM绘制等高线图1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用 以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。通视性（通视性（IntervisibilityIntervisibility or Line of Sight or Line of Sight）分析：判断分析：判断从一个观察点是否可以看到目标物从一个观察点是否可以看到目标物 可视域（可视域（ViewShedViewShed）分析：已知一个或一组观察点，分析：已知一个或一组观察点，找出可见区域找出可见区域通视分析，图上灰色区域为不可见区域通视分析，图上灰色区域为不可见区域 1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用4)可视性分析1.4 DEM1.4 DEM的应用的应用6)可视性分析本节结束！GIS网站论坛GISCHINA http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http：/www.esrichina- GIS相关的文章测绘学报、地理学报、遥感学报、测绘通报、中国图形图像学报、计算机辅助图形学报、武汉大学学报（信息科学版）等相关期刊