[GIS原理] 9 数字地形分析DTA、数字地形模型DTM、数字高程模型DEM、数字地表模型DSM、不规则三角网TIN

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1 数字地形分析(DTA)

【数字地形分析】指在数字地形模型(DTM)上进行地形属性计算和特征提取的数字信息处理技术,是随着数字高程模型的发展而出现的地形分析方法

【主要内容】

  1. 提取描述地形属性和特征的因子,并利用各种相关技术分析解释地地貌形态、划分地貌形态等
  2. DTM的可视化分析

1.1 数字地形模型(DTM)

【数字地形模型Digital Terrain Model 】

  1. 是利用一个任意坐标系中大量选择的已知x,y,z的坐标点对连续地面的一种模拟表示
  2. 是地形表面形态属性信息的数字化表达,是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述
  3. x、y表示该点的平面坐标,地形表面形态的属性信息(z值)可以表示高程、坡度、温度等信息
    • 当z表示高程时,就是数字高程模型(DEM)

【DTM研究内容】DTM的精度问题、地形分类、数据采集、DTM的粗差探测、质量控制、数据压缩、DTM应用以及不规则三角网DTM的建立与应用

【DTM的作用】

  1. 最初是为了高速公路的自动设计提出来的,它被用于各种线段选线(铁路、公路、输电线)的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算,任意两点间的通视判断及任意断面网绘制
  2. 在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图,制作正射影像图以及地图的修测
  3. 在遥感应用中可作为分类的辅助数据
  4. 它还是地理信息系统的基础数据,可用于土地利用现状的分析、合理规划及洪水险情预报等
  5. 在军事上可用于导航即导弹制导、作战电子沙盘等

1.1.1 DSM与DEM对比

DEM(数字高程模型Digital Elevation Model) DSM(数字地表模型Digital Surface Model) 相同点
DEM只包含了地形的高程信息,并未包含其他地表信息 DSM是在DEM的基础上,进一步涵盖了除地面以外的其他地表信息(地表建筑物、桥梁、树木等高度)的高程 都是数字地形模型(DTM)

1.2 数字地形分析研究与应用进展

1.2.1 DEM模型的拓展

当模型改变以后,分析方法和分析的结果都有相应的改变

1.2.1.1 高保真数字高程模型

【特点】通过保持重要的地形特征信息,在相当程度上克服了地形描述失真的DEM
【特征嵌入式DEM】通过在原有栅格DEM中嵌入重要的地形特征线,从而构建的特征嵌入式DEM(F-DEM)
【构建模式】
1. 已知特征数据,实现对DEM数据的修正
2. 在散点数据和特征数据共享下,实现F-DEM构建
【关键技术】数据采样策略;内插范围;内插函数选择
【组织形式】矢栅一体化

【应用案例】梯田数字地面模型构建技术

  1. 对梯田地形的数字化表达具有代表性
  2. 梯田地形具有对原始地形的继承性,类型的多样性,以及田坎边界的不稳定性等特点
  3. 应用部门希望构建二元化的地形描述新方法
    二元化:原始地形、梯田地形一键切换

1.2.1.2 平原河网区P-DEM构建

【问题】平原地区的DEM数据失真较大
【平原河网区P-DEM构建】矢栅一体化记录平原河网与DEM

1.2.2 DEM表达方式的拓展

【背景】三维地形如何在二维的地图上表达,并保持对地形起伏的有效渲染,一直是地图学研究的重要命题

【方法】

  1. 基于DEM的分层设色
  2. 利用地表纹理增强晕渲渲染
  3. 基于DEM的地形素描

1.2.3 DEM地形分析方法的进展

【背景】目前的DEM地形分析方法都是基于窗口分析完成的,缺点是视野过于狭窄,难以看到地面的宏观态势

汤国安教授把窗口分析称为“近视眼分析法”

1.2.3.1 基于DEM的地形模式识别

  1. 坡谱分析法:实践中发现同一个地貌地形区的坡度直方图(横轴坡度,纵轴坡度占的百分比)相同
    【类比】光谱(横坐标波长、纵坐标反射率),每个地物在一个条件是具有同一个光谱
    【思考】坡度直方图:能不能是判别地貌类别的标准
  2. 基于地形特征点簇的地貌模式识别
  3. 多因子分析法、地形信息拓扑分析法:综合多个因子在一起,得到多个复合结果,复合结果就能得到更综合的结果
    【例子】黄土正负地形的空间分异
  4. 地面-地下一体化实验
    【例子】基于下覆基岩DEM构建的黄土地貌继承性研究:用浅层地震的方法测量黄土高原地下的古地形是怎么样
  5. 地形纹理分析:将地形纹理进行定量表达,建立基于纹理的地貌判别方法

1.2.5 DEM应用领域的拓展

  1. 基于DEM重要地理信息的统计
  2. 基于DEM的地质灾害分析
  3. 基于DEM的山地小气候模拟
  4. 基于DEM的流域汇流模拟
  5. 不同年代城市三维变化
  6. 水下DEM建构及长三角地形演变

2 数字地面模型相关术语

术语 全称 特点与含义
DEM Digital Elevation Model 以绝对高程或海拔表示的地形模型
DHM Digital Height Model 以任意高程表示的地形模型,包括绝对高程和相对高程,为德国所用
DGM Digital Cround Model 具有连续变化特征的地表实体模型,为英国所使用
  DIgital Geomorphology Model 除高程外的其他地貌形态模型,如坡度、坡向等
DTM Digital Terrain Model 泛指地形表面自然、人文、社会景观模型
DTEM Digital Terrain Elevation Model 为美国国防制图局所使用的地形模型,强调模型的格网结构特征

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