數(shù)字地面模型建立與應用

1、 第七章第七章 數(shù)字地面模型的建立與應用數(shù)字地面模型的建立與應用 n 概述概述 n數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取及預處理數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取及預處理 n數(shù)字高程模型的內(nèi)插方法數(shù)字高程模型的內(nèi)插方法 nDEMDEM的精度及存貯管理的精度及存貯管理 n三角網(wǎng)數(shù)字地面模型三角網(wǎng)數(shù)字地面模型 n數(shù)字地面模型的應用數(shù)字地面模型的應用 主要內(nèi)容 第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字地面模型的概念數(shù)字地面模型的概念 n數(shù)字地面模型的發(fā)展過程數(shù)字地面模型的發(fā)展過程 n數(shù)字地面模型的概念及其形式數(shù)字地面模型的概念及其形式 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 數(shù)字地面數(shù)字地面 模型模型 工程 設(shè)計 攝影測量和遙感中的應用 是地理信 息的基礎(chǔ) 數(shù)據(jù) 軍事上

2、用于導航及導彈制導 1.數(shù)字地面模型的發(fā)展過程數(shù)字地面模型的發(fā)展過程 原始影像原始影像 凸包凸包 表面模型表面模型 原始影像原始影像 三維模型（無紋理）三維模型（無紋理） 三維模型（有紋理）三維模型（有紋理） 50年代末是其概念的形成 60年至70年代對DTM內(nèi)插問題進行研究 70年代中、后期對采樣方法進行了研究 80年代以來，對DTM的研究涉及到DTM系 統(tǒng)的各個環(huán)節(jié) 著名的DTM軟件包 德國Stuttgart大學研制的SCOP程序 Munich大學研制的 HIFI程序 Hannover大學研制的TASH程序 奧地利Vienna工業(yè)大學研制SORA程序 瑞士 Zurich工業(yè)大學研制的 CI

3、P程序 數(shù)字地面模型DTM是一個用于表示地面特征的空間分布的數(shù)據(jù)陣列，最常用 一系列地面點的平面坐標X、Y以及該地面點的高程Z或?qū)傩裕ㄈ绲缆贩课莸龋?組成的數(shù)據(jù)陣列。若地面按一定格網(wǎng)形式有規(guī)則的排列，點的平面坐標X、Y可 由起始原點推算而無須記錄，這樣地表形態(tài)只用點的高程Z來表達，稱為數(shù)字 高程模型（DEM）。 ,2, 1),(niZYXV iiii 2.2.數(shù)字地面模型的概念及其形式數(shù)字地面模型的概念及其形式 (X0,Y0) D x D y )1,2, 1( )1,2, 1( 0 0 NXiDYjYY NXiDXiXX i i 基礎(chǔ)信息高程 3.數(shù)字高程模型DEM表示形式 規(guī)則矩形格網(wǎng) 不規(guī)

4、則三角網(wǎng)TIN Grid-TIN混合網(wǎng) （1）矩形格網(wǎng)DEM存儲量最小（還可進行壓縮存儲），便于使用和 易于管理，缺點是有時不能準確表示地形的結(jié)構(gòu)和細部，導致基于 DEM描繪的等高線不能準確表示地貌。為克服其缺點，可采用附加 地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點、山脊線、山谷線、斷裂線等，從而 構(gòu)成完整的DEM。 （2）不規(guī)則三角網(wǎng)TIN是按地形特征采集的點按一定規(guī)則連接成覆 蓋整個區(qū)域且互不重疊的許多三角形表示的DEM。TIN能夠較好地顧 及地貌特征點、線，表示復雜地面要比矩形格網(wǎng)精確，缺點是數(shù)據(jù) 量較大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜，因此使用和管理也比較復雜。 3.數(shù)字高程模型DEM表示形式 第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)字高程

5、模型的數(shù)據(jù)獲取數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取 及預處理及預處理 數(shù)字地面模型的數(shù)據(jù)來源主要有兩個方面：一是直接取自數(shù)字地面模型的數(shù)據(jù)來源主要有兩個方面：一是直接取自 地形表面，二是間接取自地形表面的模擬模型。根據(jù)數(shù)據(jù)獲地形表面，二是間接取自地形表面的模擬模型。根據(jù)數(shù)據(jù)獲 取的方法不同，數(shù)據(jù)來源可分為以下幾種：取的方法不同，數(shù)據(jù)來源可分為以下幾種： 1、野外實地測量。即在實地直接測量地面點的平面位置和高、野外實地測量。即在實地直接測量地面點的平面位置和高 程。一般使用全站儀、程。一般使用全站儀、GPS和電子速測儀進行觀測。和電子速測儀進行觀測。 一、一、DEM數(shù)據(jù)點的采集方式數(shù)據(jù)點的采集方式 2、由現(xiàn)有

6、地形圖上采集。利用數(shù)字化儀對已有地形圖上的信、由現(xiàn)有地形圖上采集。利用數(shù)字化儀對已有地形圖上的信 息（等高線，地形線等）進行數(shù)字化方法。常用的數(shù)字化儀息（等高線，地形線等）進行數(shù)字化方法。常用的數(shù)字化儀 有：手扶跟蹤數(shù)字化儀、掃描數(shù)字化儀和半自動跟蹤數(shù)字化有：手扶跟蹤數(shù)字化儀、掃描數(shù)字化儀和半自動跟蹤數(shù)字化 儀。儀。 手扶跟蹤數(shù)字化手扶跟蹤數(shù)字化：利用數(shù)字化儀將地圖上的空間實體進行離：利用數(shù)字化儀將地圖上的空間實體進行離 散化采點。數(shù)字化儀是通過串口與計算機相聯(lián)的，它可以設(shè)散化采點。數(shù)字化儀是通過串口與計算機相聯(lián)的，它可以設(shè) 置一系列參數(shù)（包括通信參數(shù)和數(shù)字化儀操作參數(shù)）以保證置一系列參數(shù)（包

7、括通信參數(shù)和數(shù)字化儀操作參數(shù)）以保證 數(shù)據(jù)錄入的準確性和精度。數(shù)字化儀的主要工作部分就是數(shù)據(jù)錄入的準確性和精度。數(shù)字化儀的主要工作部分就是面面 板板和和游標游標。 500 6 573.25 358.55 573.80 357.45 575.55 356.50 578.10 355.95 579.67 356.63 580.00 358.38 400 11 571.20 358.40 571.83 356.85 573.15 355.92 575.15 355.45 577.05 354.77 580.08 353.60 582.85 352.77 584.60 354.17 584.42 35

8、6.13 582.83 357.08 582.00 358.35 3、由遙感系統(tǒng)直接測得。如航空和航天飛行器搭載雷達、由遙感系統(tǒng)直接測得。如航空和航天飛行器搭載雷達 和激光測高儀獲得的數(shù)據(jù)。（和激光測高儀獲得的數(shù)據(jù)。（LIDAR） 4 4、數(shù)字攝影測量數(shù)字攝影測量方法是方法是DEMDEM數(shù)據(jù)點采集最常用的方法。可利數(shù)據(jù)點采集最常用的方法。可利 用數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，進行半自動或全自動的數(shù)據(jù)采集。用數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，進行半自動或全自動的數(shù)據(jù)采集。 3.DEM3.DEM數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)預處理 u 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換 u 坐標系統(tǒng)的變換 u 數(shù)據(jù)的編輯 u 柵格數(shù)據(jù)的矢量化轉(zhuǎn)換 u 數(shù)據(jù)分塊 （1）格式轉(zhuǎn)換

9、 采集的軟、硬件系統(tǒng)各不相同，因而數(shù)據(jù)的格式可能也不相同。常用的代碼有 ASCII碼、BCD碼及二進制碼。每一記錄的各項內(nèi)容及每項內(nèi)容的類型位數(shù)也可能 各不相同，要根據(jù)DEM內(nèi)插軟件的要求，將各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成該軟件所要求的數(shù)據(jù) 格式。 （2）坐標系轉(zhuǎn)換 若采集的數(shù)據(jù)不是出于地面坐標系，則應轉(zhuǎn)化為地面坐標系。地面坐標系一般 采用國家坐標系，也可采用局部坐標系。 （3）數(shù)據(jù)編輯 將采集的數(shù)據(jù)用圖形方式顯示在計算機屏幕上，作業(yè)人員根據(jù)圖形交互式剔除 錯誤的、過密的與重復的點，發(fā)現(xiàn)某些需要補測的區(qū)域并進行補測，對斷面掃描 數(shù)據(jù)，還要進行掃描的系統(tǒng)誤差改正。 3.DEM3.DEM數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)預處理 （4

10、）柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù) 由地圖掃描數(shù)字化儀獲取的地圖掃描影像是一灰度陣列，首先經(jīng)過二值化處 理，在經(jīng)過濾波或形態(tài)處理，并進行邊緣跟蹤，獲得等高線上順序排列的點坐 標，即矢量數(shù)據(jù)，供以后建立DEM使用。 （5）數(shù)據(jù)分塊 由于采集方式不同，數(shù)據(jù)的排列順序也不同，例如等高線數(shù)據(jù)是按各條等高線 采集的先后順序排列的。但是在內(nèi)插DEM時，待定點常常只與其周圍的數(shù)據(jù)有 關(guān)，為了能迅速在大量數(shù)據(jù)中查找所需要的數(shù)據(jù)點，必須將其進行分塊。分塊 方法是先將整個區(qū)域分成等間隔的格網(wǎng)，然后將數(shù)據(jù)按格網(wǎng)分成不同的類。 3.DEM3.DEM數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)預處理 第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)字高程模型的內(nèi)插方法數(shù)字高程模型的內(nèi)插方法

11、 攝影測量學第七章攝影測量學第七章 n線性內(nèi)插方法線性內(nèi)插方法 n移動曲面內(nèi)插方法移動曲面內(nèi)插方法 n雙線性多項式內(nèi)插方法雙線性多項式內(nèi)插方法 n多面函數(shù)內(nèi)插方法多面函數(shù)內(nèi)插方法 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 概述概述 DEM內(nèi)插就是根據(jù)參考點上的高程求出其它特定點的高程。內(nèi)插特點： （1）整個地球表面的起伏形態(tài)不可能用一個簡單的低次多項式來擬合，而高 次多項式的解不穩(wěn)定且會產(chǎn)生不符合實際的振蕩 （2）地形表面既有連續(xù)光滑的特性，又可能有由于自然力或人為地原因產(chǎn)生 地形的不連續(xù)。 （3）由于計算機內(nèi)存的限制，不可能同時對很大的范圍進行內(nèi)插數(shù)字地面模 型。 綜合上述三個特點：一般講測區(qū)或圖幅劃分成較小的計算

12、單元，采用局部 函數(shù)內(nèi)插方法，并在內(nèi)插中兼顧一般數(shù)據(jù)點和地形特征點、線，并且根據(jù)數(shù) 據(jù)點采集的不同方法采取相應的內(nèi)插方法。 一一 線性內(nèi)插線性內(nèi)插 線性內(nèi)插即使用最靠近的三個數(shù)據(jù)點，其高程的觀測值為Z1、Z2、Z3， 可確定一個平面，從而求出一個新的高程Zp（其平面坐標為X、Y）： Zp=a0+a1X+a2Y 參數(shù)a0 、 a1 、 a2 由三個數(shù)據(jù)點組成的線性方程組求出。 線性內(nèi)插法主要用于根據(jù)格網(wǎng)點和注記點，斷裂線點高程內(nèi)插等高線點 及三角形網(wǎng)眼的有限元內(nèi)插法中。 二二 移動曲面擬合法移動曲面擬合法 u整體函 數(shù)內(nèi)插 u局部函 數(shù)內(nèi)插 u逐點 內(nèi)插法 它是一個以待求點為中心的逐點內(nèi)插法，它

13、定義一 個新的局部函數(shù)去擬合周圍的數(shù)據(jù)點，進而求出待定 點的高程。通常是將坐標原點移到待定點上，而采用 的數(shù)據(jù)點應落在半徑R的圓內(nèi)。 pii pii YYY XXX 建立局部坐標 2. 移動曲面擬合法步驟移動曲面擬合法步驟 對DEM每一個格網(wǎng)點，將坐標原點 移至該DEM格網(wǎng)點P（Xp，Yp） 列出誤差方程式 FEyDxCyBxyAxZ 22 RYXd iii 22 選取鄰近數(shù)據(jù)點 P x y d i FEYDXCYBYXAXv iiiiiii 22 ZMXV 誤差方程式 由n個數(shù)據(jù)點列出的誤差方程為 1 1 1 1 22 22 2 222 2 2 11 2 111 2 1 nnnnnn YXY

14、YXX YXYYXX YXYYXX M F C B A X n z z z Z 2 1 n v v v V 2 1 內(nèi)插參數(shù)解算 計算每一數(shù)據(jù)點的權(quán) 2 1 i i d p 2 )( i i i d dR p 2 2 k d i i ep l法化求解 PZMPMMX TT1 )( 系數(shù)F是待定點內(nèi)插高程值ZP 除滿足n6，保證各象限都有數(shù)據(jù)點， 當?shù)匦纹鸱^大時，半徑R不能取很大 當數(shù)據(jù)點較稀或分布不均勻時，可能產(chǎn) 生很大的誤差 3.3. 注意事項注意事項 由于每個內(nèi)插點所選用的數(shù)據(jù)點不同，所以內(nèi)插曲面是不連續(xù)的。因此移動曲 面擬合法一般不用于內(nèi)插通用的數(shù)字高程模型，但由于其計算機量很小，它仍

15、然能 用來處理一些特殊的任務(wù)。例如，當直接沿等高線采集了數(shù)據(jù)點后，欲從中計算出 格網(wǎng)點的高程，并用于正射像片的制作，則可以采用這種方法。 根據(jù)最近的根據(jù)最近的4 4個數(shù)據(jù)點，確定一個雙線性多項式：個數(shù)據(jù)點，確定一個雙線性多項式： 或用矩陣形式表示為：或用矩陣形式表示為： 利用利用4 4個已知點求出個已知點求出4 4個系數(shù)，個系數(shù)， 再由求出的系數(shù)和待定點的平面坐標（再由求出的系數(shù)和待定點的平面坐標（X,YX,Y）內(nèi)插出該點的內(nèi)插出該點的 高程。高程。 xyayaxaaz 11011000 yaa aa xz 1 1 1110 0100 三三 雙線性多項式內(nèi)插雙線性多項式內(nèi)插 mDYDX10 )

16、,(ZYXP AB CD X Y O 158151 156152 DC BA ZZ ZZ Z )40.576,80.630(P D C B A DDDD CCCC BBBB AAAA Z Z Z Z a a a a YXYX YXYX YXYX YXYX 11 01 10 00 1 1 1 1 XYaYaXaaZ 11011000 mYXaYaXaaZ PPPPP 39.153 11011000 (627.00,570.00) (627.00,580.00) (637.00,570.00)(637.00,580.00) 2、雙三次多項式內(nèi)插、雙三次多項式內(nèi)插 33 33 32 23 3 13

17、3 03 23 32 22 22 2 12 2 02 3 31 2 211101 3 30 2 201000 ),( YXaYXaXYaYaYXaYXaXYaYa YXaYXaXYaYaXaXaXaaYXfZP )0 ,0(A)0 , 1(B )1 ,0(C)1 , 1(D 123 4 5 6 7 8 P X Y Z 132 ) 0 , 0 (A )0 , 1 (B ) 1 , 0(C) 1 , 1 (D ),(YXP Y X 4 5 6 7 8 )()( 4 1 ; 2 ; 2 ) 2 ()(; 2 ; 2 7351 132756 262684 ZZZZT ZZ X ZZZ X Z ZZ X

18、Y Z X T ZZ Y Z S ZZ X Z R A AAA 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 0000012302460369 0000010002000300 0000012300000000 0000010000000000 0000111122223333 0000100020003000 0000111100000000 0000100000000000 0123012301230123 0100010001000100 0123000000000000 0100000000000000 1111111111111111 100010

19、0010001000 1111000000000000 1000000000000000 ;:, a a a a a a a a a a a a a a a a T T T T S S S S R R R R Z Z Z Z ZKAKAZTSRZDCBA D C B A D C B A D C B A D C B A 的的式式子子寫寫成成列列出出四四個個數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)點點 三三 多面函數(shù)法多面函數(shù)法DEMDEM內(nèi)插內(nèi)插 “任何一個圓滑的數(shù)學表面總是可以用一 系列有規(guī)則的數(shù)學表面的總和，以任意的 精度進行逼近?！币簿褪且粋€數(shù)學表面上 某點（X，Y）處高程Z的表達式為: ),(),(),( ),(),(

20、 222111 , 1 nnn jj n j j YXYXqaYXYXqaYXYXqa YXYXqaYXfZ 2 1 22 )()(),( jjjj YYXXYXYXq nm 1.1.核函數(shù)核函數(shù) 2 1 22 )()(),( jjjj YYXXYXYXq ij n j ji qaZ 1 選其中n個為核函數(shù)的中心點 各數(shù)據(jù)點應滿足 i=1,2m 2.誤差方程 mnmnmm n n m z z z a a a qqq qqq qqq v v v 2 1 2 1 21 22221 11211 2 1 ZQaV 3.法化求解得 ZQQQa TT1 )( 4.任意一點上的高程 ZQQQQaQZ TTT

21、 k T kk 1 )( 21knkk T K qqqQ ),( jjkkkj YXYXqq ZQa 1 ZQQZ T KK 1 m=n 全部數(shù)據(jù)點取為核函數(shù)的中心 nnnnn n knkkK z z z qqq qqq qqq qqqZ 2 1 1 21 212221 11211 21 5.5.多面函數(shù)法解算多面函數(shù)法解算 主要包含兩個步驟：主要包含兩個步驟： 利用DEM的矩形或方格網(wǎng)點的高程，內(nèi)插出格網(wǎng) 邊上的等高線點的位置，并將這些等高線點按順序排列。 利用這些等高 線點的平面坐標進一步加密等高線，并繪制成光滑的曲線。 ),( 00 YX 150140 160150 152 154 156 158 152154156158 10m 等高線的自動繪制等高線的自動繪制 等高線的繪制（基于矩形格網(wǎng)）等高線的繪制（基于矩形格網(wǎng)） 第四節(jié)第四節(jié) DEMDEM的存儲管理的存儲管理 1.DEM1.DEM的存貯管理的存貯管理 1. 1.DEMDEM數(shù)據(jù)文件的存貯數(shù)據(jù)文件的存貯 2 2 .