地理信息系統(tǒng)概論：第四講 GIS應(yīng)用篇-DEM2013

地理信息系統(tǒng)概論3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)上節(jié)知識(shí)回顧1、矢量地理信息特點(diǎn)？2、如何將地理要素轉(zhuǎn)換為地理信息？地理信息的特點(diǎn)3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)地理信息系統(tǒng)概論1.位置----空間位置2.大小----空間尺度3.形狀----幾何形態(tài)4.屬性----地理特性5.關(guān)系----拓?fù)潢P(guān)系如何將地理要素轉(zhuǎn)化為矢量地理信息地理信息系統(tǒng)概論地理要素?cái)?shù)字化矢量地理信息1.位置----空間位置2.大小----空間尺度3.形狀----幾何形態(tài)4.屬性----地理特性5.關(guān)系----拓?fù)潢P(guān)系1.建立坐標(biāo)系2.分類(lèi)、分圖層3.按點(diǎn)、線、面采集圖形4.按地理特性記錄屬性5.按連通/相鄰/包含建立關(guān)系地理信息系統(tǒng)概論地理要素

數(shù)字化

地理信息地理信息如何應(yīng)用？？？3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)地理信息系統(tǒng)概論如何利用地理信息位置、形態(tài)、屬性、關(guān)系通過(guò)：查詢、分析、統(tǒng)計(jì)、傳輸有利信息實(shí)現(xiàn)：規(guī)劃管理、輔助分析與決策

？3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)GIS概論應(yīng)用篇地理信息系統(tǒng)概論3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)主講人：李衛(wèi)紅Email:hongweili9981@163.comTELQQ：915892541華南師范大學(xué)地理系————地理信息系統(tǒng)的空間查詢與分析地理信息系統(tǒng)概論GIS空間查詢與分析3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)地理信息系統(tǒng)概論GIS空間查詢與分析課程設(shè)計(jì)3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)三講1.數(shù)字地面模型分析2.空間疊加與網(wǎng)絡(luò)分析3、空間查詢與集合分析1兩綜合1.典型案例分析2.自主命題綜合實(shí)驗(yàn)3兩實(shí)驗(yàn)1.DEM建立與分析2.空間查詢與空間分析2地理信息系統(tǒng)概論第一講：數(shù)字地面模型分析3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)地理信息系統(tǒng)概論3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)地貌要素?cái)?shù)字化矢量地理信息問(wèn)題:地球表面不規(guī)則高低起伏的地貌要素如何表示？地理信息系統(tǒng)概論3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)地貌要素?cái)?shù)字化地貌地理信息等高線高程點(diǎn)遇到的問(wèn)題地球表面是高低起伏的,每一個(gè)位置(X,y)都對(duì)應(yīng)了高程，即地球表面是連續(xù)的高程變化，而等高線或高程點(diǎn)的表示都不連續(xù)，如何模擬？解決方法-----數(shù)字地面模型分析。數(shù)字高程模型地理信息系統(tǒng)概論3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)數(shù)字地面模型分析

數(shù)字地面模型（DEM）的概念1DEM計(jì)算機(jī)模擬的數(shù)學(xué)模型2Grid與TIN的對(duì)比分析3

基于DEM的數(shù)字地形分析與應(yīng)用4

實(shí)驗(yàn)：DEM的建立與分析應(yīng)用5地理信息系統(tǒng)概論

數(shù)字地面模型（DEM）的概念1數(shù)字地面模型（DTM）：是地形表面形態(tài)等多種信息的一個(gè)數(shù)字表示.DTM是定義在某一區(qū)域D上的m維向量有限序列：

{Vi=（Xi，Yi，Zi）i=1,2,…,n}若只考慮DTM的地形分量，我們通常稱(chēng)其為DEM數(shù)字地面模型；數(shù)字高程模型即是地理空間的三維模型（x,y,z)

{Zi=（Xi，Yi）i=1,2,…,n}地理信息系統(tǒng)概論3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)地貌要素?cái)?shù)字化地貌地理信息等高線高程點(diǎn)地理信息系統(tǒng)概論DEM計(jì)算機(jī)模擬的數(shù)學(xué)模型22.1.規(guī)則格網(wǎng)模型2.2.不規(guī)則三角模型數(shù)字地面模型—規(guī)則格網(wǎng)數(shù)字地面模型—不規(guī)則三角網(wǎng)地理信息系統(tǒng)概論問(wèn)題如何利用等高線或高程點(diǎn)地理信息創(chuàng)建規(guī)則格網(wǎng)模型？？不規(guī)則的三角網(wǎng)模型？？3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)地理信息系統(tǒng)概論2.1.規(guī)則格網(wǎng)（grid）模型—概念規(guī)則格網(wǎng)模型將空間區(qū)域分成規(guī)則的等距離單元,每個(gè)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值，通常在數(shù)學(xué)上表示為一個(gè)矩陣，在計(jì)算機(jī)中表現(xiàn)為一個(gè)二維數(shù)組，每個(gè)格網(wǎng)單元或數(shù)組元素對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值。地理信息系統(tǒng)概論2.1.規(guī)則格網(wǎng)（grid）模型—數(shù)學(xué)表達(dá)Z11Z12Z13Z1nZ21Z22Z23Z2n

DEM=ZM1ZM2ZM3ZMn

其中Zij為網(wǎng)格點(diǎn)（i，j）上的高程數(shù)據(jù)。在規(guī)則格網(wǎng)模型中，平面上的任意一點(diǎn)Zij，其坐標(biāo)為（xi，yi）。地理信息系統(tǒng)概論2.1.規(guī)則格網(wǎng)（grid）模型—格網(wǎng)含義1)格網(wǎng)點(diǎn)針對(duì)格網(wǎng)點(diǎn)的值2）格網(wǎng)面元組成格網(wǎng)的四個(gè)相鄰格點(diǎn)在水平面上所包含的面積單元。3）格網(wǎng)面元的趨勢(shì)面格網(wǎng)面元的四個(gè)角點(diǎn)高程支撐的數(shù)學(xué)面。(i+1,j)(i+1,j+1)(i,j)(i,j+1)(i+1,j)(i+1,j+1)地理信息系統(tǒng)概論2.1.規(guī)則格網(wǎng)（grid）模型—格網(wǎng)含義4）格網(wǎng)面元的趨勢(shì)面三種表示形式按最小二乘法將格網(wǎng)面元四個(gè)角點(diǎn)高程擬合為一個(gè)平面，稱(chēng)格網(wǎng)面元的平面趨勢(shì)面。將格網(wǎng)面元四個(gè)角點(diǎn)高程擬合為雙線性趨勢(shì)面。將格網(wǎng)面元四個(gè)角點(diǎn)高程擬合為雙三次趨勢(shì)面。(i,j)(i,j+1)(i+1,j)(i+1,j+1)地理信息系統(tǒng)概論2.1.規(guī)則格網(wǎng)（grid）模型—格網(wǎng)含義（1）平面趨勢(shì)面：用最小二乘法，對(duì)格網(wǎng)面元四個(gè)角點(diǎn)高程擬合的平面。方程為：（2）雙線性趨勢(shì)面：采用雙線性函數(shù)（二元一次多項(xiàng)式）插值逼近的面。方程為：（3）雙三次趨勢(shì)面：采用雙三次多項(xiàng)式（二元三次樣條函數(shù)）插值逼近的面。方程為：地理信息系統(tǒng)概論問(wèn)題規(guī)則格網(wǎng)模點(diǎn)的高程如何產(chǎn)生？3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)地理信息系統(tǒng)概論基于移動(dòng)曲面的逐點(diǎn)內(nèi)插方法以每一格網(wǎng)點(diǎn)為中心，定義一個(gè)曲面函數(shù)去擬合周?chē)母叱厅c(diǎn)數(shù)據(jù)。2.1.規(guī)則格網(wǎng)（grid）模型—格網(wǎng)內(nèi)插135.2135.2135.2138.2145.2135.2135.2135.2135.2135.2135.2145.2135.2139.2165.2135.2135.2135.2135.2135.2135.2135.2175.2135.2155.2135.2135.2135.2135.2135.2135.2137.2135.2137.2175.2175.2155.2125.2135.2135.2135.2135.2135.2139.2165.2135.2135.2135.2135.2135.2135.2137.2135.2135.2134.2地理信息系統(tǒng)概論基于移動(dòng)曲面的逐點(diǎn)內(nèi)插方法2.1.規(guī)則格網(wǎng)（grid）模型—格網(wǎng)內(nèi)插選二次曲面擬合方程擬合Pydi以P為圓心R為半徑，選擇落入圓內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)x地理信息系統(tǒng)概論移動(dòng)曲面擬合法特點(diǎn)2.1.規(guī)則格網(wǎng)（grid）模型—格網(wǎng)內(nèi)插對(duì)點(diǎn)的選擇除滿足n＞6外，應(yīng)保證各個(gè)象限都有數(shù)據(jù)點(diǎn)；當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí)，半徑R不能取得很大；當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)較稀或分布不均勻時(shí)，利用二次曲面移動(dòng)擬合可能產(chǎn)生很大的誤差。數(shù)字地面模型—規(guī)則格網(wǎng)地理信息系統(tǒng)概論2.2.不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型—概念不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型將區(qū)域內(nèi)有限的點(diǎn)集連成相互連續(xù)的三角面來(lái)逼近地形表面。三角形面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的位置和密度。地理信息系統(tǒng)概論問(wèn)題如何利用高程點(diǎn)

自動(dòng)構(gòu)建

相互不重疊的三角形？3S集成技術(shù)————地理信息技術(shù)地理信息系統(tǒng)概論2.2.不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型—構(gòu)建方法1：角度判斷法建立TIN

原理：當(dāng)已知三角形的兩個(gè)頂點(diǎn)后，利用余弦定理計(jì)算備選第三頂點(diǎn)的三角形內(nèi)角的大小，選擇最大者對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為該三角形的第三頂點(diǎn)。

方法2：泰森多(Thicssen)邊形與狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)原理：區(qū)域D上有n個(gè)離散點(diǎn)Pi(Xi,Yi)(i=1,2,…,n)，若將D用一組直線段分成n個(gè)互相鄰接的多邊形，滿足：每個(gè)多邊形內(nèi)含且僅含一個(gè)離散點(diǎn)

;區(qū)域D中任意一點(diǎn)P’(X’,Y’)若位于Pi所在的多邊形內(nèi)，則滿足……地理信息系統(tǒng)概論2.2.不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型—構(gòu)建1、將原始數(shù)據(jù)分塊，確定三角形第一條邊步驟：方法1：角度判斷法建立TIN簡(jiǎn)介

2、以同邊所張最大角確定第一個(gè)三角形

3、按此三角形個(gè)邊向外擴(kuò)展產(chǎn)生三角網(wǎng)

地理信息系統(tǒng)概論2.2.不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型—構(gòu)建則C為該三角形第三頂點(diǎn)

ABC1C2C3數(shù)字地面模型—不規(guī)則三角網(wǎng)地理信息系統(tǒng)概論2.1.規(guī)則格網(wǎng)（grid）模型—概念規(guī)則格網(wǎng)模型將空間區(qū)域分成規(guī)則的等距離單元,每個(gè)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值，通常在數(shù)學(xué)上表示為一個(gè)矩陣，在計(jì)算機(jī)中表現(xiàn)為一個(gè)二維數(shù)組，每個(gè)格網(wǎng)單元或數(shù)組元素對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值。135.2195.2165.2138.2195.2135.2185.2135.2155.2185.2195.2145.2135.2179.2165.2135.2135.2165.2135.2185.2135.2135.2175.2165.2155.2135.2135.2175.2185.2195.2153.2137.2135.2137.2175.2175.2125.2125.2124.2185.2135.2135.2135.2139.2165.2195.2135.2135.2135.2135.2135.2137.2135.2135.2134.2235.2165.2175.2175.2135.2235.2135.2167.2135.2205.2135.2地理信息系統(tǒng)概論2.3.移動(dòng)曲面的逐點(diǎn)內(nèi)插方法G1120G2138G3168G4197G51991201471871851871201341761671671211471581431571201201201201201、最少選均勻分布在4象限的6個(gè)高程點(diǎn)，一般8至10點(diǎn);2、組成6個(gè)方程組，求解A、B、C、D、E、F六參數(shù);3、帶入格網(wǎng)坐標(biāo)，計(jì)算出格網(wǎng)高程值;185167143120197120120120120121120120120120120120120120132158176134146147153167157187173160187199對(duì)點(diǎn)的選擇除滿足n＞6外，應(yīng)保證各個(gè)象限都有數(shù)據(jù)點(diǎn)；當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí)，半徑R不能取得很大；當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)較稀或分布不均勻時(shí)，利用二次曲面移動(dòng)擬合可能產(chǎn)生很大的誤差。地理信息系統(tǒng)概論2.規(guī)則格網(wǎng)模型的構(gòu)建等高線高程點(diǎn)創(chuàng)建格網(wǎng)格網(wǎng)值內(nèi)插用格網(wǎng)高程越秀山越秀山核心問(wèn)題：如何利用等高線/高程點(diǎn)地理信息給規(guī)則格網(wǎng)賦值？101012121316181815200000810131410163045603510000091012215565606078563525200010121520456778807668564530151081112254556677867788050201510812131934456745456756301815091318253260685840322015121009131418253540352015151313100810101212151312151314121212000008988899910100地理信息系統(tǒng)概論2.2.不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型—概念不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型將區(qū)域內(nèi)有限的點(diǎn)集連成相互連續(xù)的三角面來(lái)逼近地形表面。三角形面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的位置和密度。AB與A點(diǎn)距離最近的點(diǎn)C1C2C3

示意圖哪個(gè)內(nèi)角最大3、三角形的擴(kuò)展

1）對(duì)每一個(gè)已生成的三角形的新增加的兩邊，按角度最大的原則向外進(jìn)行擴(kuò)展，并進(jìn)行是否重復(fù)的檢測(cè)。

2）

向外擴(kuò)展的處理。若從頂點(diǎn)為P1(X1,Y1),P2(X2,Y2),P3(X3,Y3)的三角形之P1P2邊向外擴(kuò)展，應(yīng)取位于直線P1P2與P3異側(cè)的點(diǎn)

p1p3p2P1P2直線方程為

若備選點(diǎn)P之坐標(biāo)為（X，Y）

重復(fù)與交叉的檢測(cè)。任意一邊最多只能是兩個(gè)三角形的公共邊，方法2：泰森多(Thicssen)邊形與狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)原理：區(qū)域D上有n個(gè)離散點(diǎn)Pi(Xi,Yi)(i=1,2,…,n)，若將D用一組直線段分成n個(gè)互相鄰接的多邊形，滿足：每個(gè)多邊形內(nèi)含且僅含一個(gè)離散點(diǎn)

區(qū)域D中任意一點(diǎn)P’(X’,Y’)若位于Pi所在的多邊形內(nèi)，則滿足

三角網(wǎng)數(shù)字地面模型的構(gòu)建

若P’在與所在的兩多邊形的公共邊上，則滿足條件的多邊形稱(chēng)為泰森多邊形。用直線段連接每?jī)蓚€(gè)相鄰多邊形內(nèi)的離散點(diǎn)而生成的三角網(wǎng)稱(chēng)為狄洛尼三角網(wǎng)泰森多邊形與狄洛尼三角網(wǎng)

數(shù)字高程模型—不規(guī)則三角網(wǎng)地理信息系統(tǒng)概論2.3.DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)則格網(wǎng)模型Grid數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)則格網(wǎng)模型將空間區(qū)域分成規(guī)則的等距離單元,每個(gè)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值，通常在數(shù)學(xué)上表示為一個(gè)矩陣，在計(jì)算機(jī)中表現(xiàn)為一個(gè)二維數(shù)組，每個(gè)格網(wǎng)單元或數(shù)組元素對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值。Z11Z12Z13Z1nZ21Z22Z23Z2n

DEM=ZM1ZM2ZM3ZMn

地理信息系統(tǒng)概論2.3.DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不規(guī)則三角網(wǎng)模型TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)__曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

曲面是指連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面。具有這種覆蓋表面的要素有地形、降水量、溫度、磁場(chǎng)等。表示和存儲(chǔ)這些要素的基本要求是必需便于連續(xù)現(xiàn)象在任一點(diǎn)的內(nèi)插計(jì)算，因此經(jīng)常采用不規(guī)則三角網(wǎng)來(lái)擬合連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，稱(chēng)為T(mén)IN（TriangulatedIrregularNetwork）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。T1T2T3T4T5T6T7T8N1N6N2N8N7N3N4N5地理信息系統(tǒng)概論2.3.DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不規(guī)則三角網(wǎng)模型TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)地理信息系統(tǒng)概論Grid與TIN的對(duì)比分析3數(shù)據(jù)模型規(guī)則格網(wǎng)不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)間隔和方向Z11，Z12,.…Z1m….Zn1,Zn2,…Znm

坐標(biāo)點(diǎn)X1，Y1，Z1X2，Y2，Z2。。。。。2、坐標(biāo)關(guān)系主要數(shù)據(jù)源原始數(shù)據(jù)插值離散數(shù)據(jù)點(diǎn)建模的難易度難易數(shù)據(jù)量隨分辨率而變較大表示拓?fù)淠芰ι泻煤芎眠m合表示地形簡(jiǎn)單的平緩地形各種復(fù)雜地形適用的比例尺中小比例尺大比例尺三維顯示方便較方便地理信息系統(tǒng)概論

基于DEM的數(shù)字地形分析與應(yīng)用44.1、基本地形因子的提取

如：坡度、坡向、表面粗糙度等；4.2、應(yīng)用分析

如：視域分析、通視性分析、洪水淹沒(méi)分析、淹沒(méi)邊界的分析計(jì)算等；4.3、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用基礎(chǔ)

1）坡度(slope)的定義地面的坡度是表示地表面上該點(diǎn)傾斜的程度。從數(shù)學(xué)說(shuō)，地面的坡度是一個(gè)矢量，它既有大小，又有方向，坡度定義為地形表面和水平面之間夾角的正切值。用矢量來(lái)描述坡度時(shí)，坡度是地面的法向量與Z軸之夾角。1、坡度和坡向的定義4.1.基本地形因子的提取---坡度YZX坡度角

地面法線

坡度的定義地形表面法線和Z軸間夾角(i,j)(i,j+1)(i+1,j)(i+1,j+1)n格網(wǎng)面元形心處地理信息系統(tǒng)概論4.1.基本地形因子的提取---坡度1、坡度(slope)的提取地面的坡度是表示地表面上該點(diǎn)傾斜的程度。從數(shù)學(xué)角度地面的坡度是一個(gè)矢量，它既有大小，又有方向，坡度定義為地形表面和水平面之間夾角的正切值。用矢量來(lái)描述坡度時(shí)，坡度是地面的法向量與Z軸之夾角。YZX(i,j)(i,j+1)(i+1,j)(i+1,j+1)n坡度圖

地面的坡向就是坡面的朝向，粗略的可分為向南、向北、向東、向西，更細(xì)的還可分為向東南、向西南、向東南和向西北。4.1.基本地形因子的提取---坡向YZX(i,j)(i,j+1)(i+1,j)(i+1,j+1)nDir2、坡向的提取地面的坡向就是坡面的朝向，粗略的可分為向南、向北、向東、向西，更細(xì)的還可分為向東南、向西南、向東南和向西北。地形表面法線在水平面上的投影的方位角。地理信息系統(tǒng)概論4.1.基本地形因子的提取---坡向坡向圖2、坡度和坡向的計(jì)算

坡度和坡向的計(jì)算有很多算法,如空間矢量法、擬合平面法、擬合曲面法、直接解法。

坡度計(jì)算1

按擬合平面法得格網(wǎng)的平面方程為（最小二乘法求得）：坡度為該平面法線與水平面法線之間的夾角：將計(jì)算結(jié)果劃分為91級(jí)（0-90），為代表水平面的情況。

slopewe

2+

slopesn

2

坡向=slopewe/

slopesnslopewe

和

slopesn分別為x方向和y方向的坡度slope算法很多,如

slopewe=

slopesne=坡度=tg

=tgX3*3的窗口求坡度和坡向

e5e2e6

e1ee3

e8e4e7坡度計(jì)算2

e窗口中心為一個(gè)高程點(diǎn)e1-e3e4-e22*cellsize2*cellsize坡度地理信息系統(tǒng)概論4.1.基本地形因子的提取陰影圖地理信息系統(tǒng)概論4.1.基本地形因子的提取地面粗糙度地理信息系統(tǒng)概論4.1.基本地形因子的提取山谷線和山脊線地理信息系統(tǒng)概論4.2、應(yīng)用分析視域分析通視性分析洪水淹沒(méi)分析淹沒(méi)邊界的分析。。。。。。地理信息系統(tǒng)概論4.2、應(yīng)用分析---淹沒(méi)分析1、建立該地區(qū)的DEM模型