[GIS原理] 9.1 数字高程模型DEM-特征 | 分类 | 构建 | 数据结构 | 空间内插 | DEM的未来

在知识传播途中,向涉及到的相关著作权人谨致谢意!

【注意!】DEM概念的区分

  1. 日常所说的DEM:是指特定区域的高程数据,它是基于栅格数据结构、规则的数字高程模型,是狭义的DEM(例如:帮我找个厦门区域30m分辨率的DEM)
  2. 而本文说的DEM是数字高程模型:是一个更广泛的概念,它不仅可以是栅格数据,还有不规则三角网(TIN)、等高线等。

1. 数字高程模型DEM是什么

【背景】由于地表起伏的复杂性,很难用一个连续的函数H=f(x,y)拟合与模拟,故用离散的高程点表达连续的地表面

【数字高程模型(Digital Elevation Model)】通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟,是区域表面海拔高程的数字化表达

2. DEM的基本特征

  1. DEM用离散的采样点表达真实地表面
  2. DEM数据用简单矩阵的方式进行组织和计算
  3. DEM格网大小和表面粗糙度决定地形表达的精度
  4. 2.5D
    DEM表达的只是地表面的三维模型,不知道某个点的地下某个具体的深度是什么东西
    仅仅是张皮,这张皮,我们用模型表达出来就叫做2.5维
  5. 2.75D
    构建过程中,不仅表达表面的,还要记录下面的,但是不可能对所有的下面做连续的表达。只能对地表面以下某个岩层面做一个表达–>2.75维

3. DEM数据构建

说明
DEM数据源 【野外测量数据】更新快;高精度;低冗余;限制较多
【地形图】内容综合;易于收集;高精度;多尺度;更新慢
【遥感影像数据】限制较低;高精度;高效率;数据量大
DEM数据获取方法 【基于等高线的DEM获取】步骤:①数字化;空间内插
【基于摄影测量技术的DME获取】
【基于激光雷达技术的DEM获取】
【干涉雷达】单点基站扫描;多点基站扫描;航空激光雷达测高
【其他遥感技术】月表地形多光谱扫描仪;基于声纳的DEM获取技术;基于超声波的DEM获取技术
构建栅格DEM 将原始离散点转换为规则分布的格网点的数学变换过程

3.1 DEM数据源

方法 评价
野外测量数据 更新快;高精度;低冗余;限制较多
地形图 内容综合;易于收集;高精度;多尺度;更新慢
遥感影像数据 限制较低;高精度;高效率;数据量大
其他方法

3.2 DEM数据获取方法

3.2.1 基于等高线的DEM获取

【步骤】①等高线数字化;②空间内插

【数字化核心技术】保留关键节点和结构线;等高线空间关系;避免平三角

3.2.2 基于摄影测量技术的DEM获取

【原理】在高空中不同的位置S1、S2,观测到同一地物的位置是有位移的,根据位移能够算出高程

【产品类型】

  1. IKONOS-2
  2. SPOT-5
  3. Cartosat-1
  4. WorldView-1
  5. GeoEye-1
  6. ASTER G-DEM

3.2.3 基于激光雷达技术的DEM数据获取

  1. 单点基站扫描
  2. 多点基站扫描
  3. 航空激光雷达测高

3.2.4 干涉雷达(合成孔径雷达干涉测量技术)

【InSAR】Interferometric Synthetic Aperture Radar,简称:干涉雷达测量

是以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据,通过求取两幅SAR图像的相位差,获取干涉图像,然后经相位解缠,从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测新技术

【应用】地形高程数据的获取;地表微量形变的测量技术(D-INSAR)

【主要优势】

  1. 主动式遥感方式为全天候、全天时作业、测量结果具有连续的空间覆盖优势
  2. 可对地壳变形进行准确的测量与检测,是地壳构造变形(板块动力学理论、地震、造山等)研究的一个新的强有力工具。

3.2.5 其他遥感技术

  1. 月表地形多光谱扫描仪
  2. 基于声纳的DEM获取技术
  3. 基于超声波的DEM获取技术

3.3 构建栅格DEM

【格网DEM的构建方法】将原始离散点转换为规则分布的格网点的数学变换过程

3.4 总结

  1. DEM有自身的特殊数据结构,它有深刻的影响着数据的处理效率及DEM应用
  2. DEM有不同的数据源,它同样决定数据分析结果的准确性和效率
  3. DEM的构建在很大的程度上受到内插方法的影响

空间内插

在这里插入图片描述

内插方法 说明
整体内插 【优点】曲面唯一、光滑;编程简单;与坐标系无关;低阶多项式计算量较小;宏观势态
【缺点】
1. 假设理想,与实际不符:事实上没有这么好的地表
2. 无法反映局部的变化:走的是一种宏观态势
3. 边界效应:一个面与另一个面之间边界效应非常明显
4. 高阶多项式系数的物理意义不明显:为我们计算一些地形特征参数提供了障碍
局部分块内插
逐点内插法 步骤:
1. 定义内插点的邻域范围
2. 确定落在邻域内的采样点
3. 选定内插数学模型
4. 通过邻域内的采样点和内插计算模型计算内插点的高程

【内插方法】

  1. 反距离加权内插Inverse Distance Weighting (IDW)
  2. 自然邻近法Natural Neighbors
  3. 克里金Kriging
  4. 样条内插Splines
  5. TIN
内插方法对比
速度 IDW – Spline – Krig
细节程度 Krig – Spline – IDW
光滑程度 IDW – Spline – Krig
整体精度 Spline – Krig – IDW
异常值 IDW – Krig – Spline

4. DEM的分类

在这里插入图片描述

分类角度 说明
按照数据结构 基于栅格的高程矩阵、不规则三角网TIN、等高线、基于离散点的DEM等
从测绘角度分类 【U.S. Geological Survey (USGS)】美国最大的空间数据生产单位
在这里插入图片描述USGS, 1987:“DTM is known as a generic term for digital terrain data of any format, and restricts the term DEM to digital terrain data in a grid format”.
这个解释基于数据结构的基础上描述了DEM的两个类型,并且被广泛的接受与认可。
数据组织方式 在这里插入图片描述还有经纬网状的DEM
DEM采样的方法 野外测量;等高线;摄影测量;其他基于电磁波的不同测量
数据尺度 1. 从1:1,000,000地形图获取 –> 1000m
2. 从1:250,000地形图获取 –> 100m
3. 1:50,000 –> 25m
4. 1:10,000 –> 5m
地形表达维度 【2.5 Dimension】单单只是地表面的数字高程模型,一个简单的地皮
【2.75 Dimension】在地表面下面记录几个不规则的岩层面,扩展到2.75D 在这里插入图片描述 但不可能做到连续

4.1 按数据结构分(基于栅格的DEM、TIN、等高线)

基于栅格的数字高程模型 不规则的数字高程模型 等高线模型
全称 1958, Miller在他的博士论文中第一次提出一种全新的DEM概念:When the sampling is within a square grid , the DEM called Grid based DEM. 【TIN(Triangalar Irregular Networks)】地形三角网、地形不规则三角网 等高线模型(Contour-Based DEM)
说明 【Regular Grid-Based DEM(规则格网)】地形表面被分为一序列的格网单元,每个网格存储一个高程值
对地面的离散模拟
将离散的点连接成连续的最优结构三角面 1. 源于地形图
2. 使用于非平坦地区
如何建模与表达 以统一的标准来采样,并构成一个连续矩阵,就能得到DEM
1. 将地表面划分成很多个栅格
2. 把栅格中点的高度或者十字交叉点的高度当成一个栅格的高度
①野外采集特殊点②按照一定的规则构建成三角网③赋予高程
在这里插入图片描述
数据结构 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 链状数据结构
优点 1. 数据结构简单;
2. 便于在GIS环境下处理与现实
1. 相比于规则的栅格表达,数据量小
2. 若加密特征要素点,构建的模型就比原来的更精细
3. 可变的分辨率
4. 顾及地形结构
缺点 1. 数据量大:若采样间隔较小,分辨率就很高,但数据量大
2. 精度低:若分辨率低了,精度也跟着低
3. 丢失地形结构:采样间隔大会导致一些地形结构的丢失
1. 数据结构较为复杂
2. 后序处理和分析较为困难
1. 较大的数据存储量
2. 不适合平坦地区:若两条等高线数值相差很远,那这两条等高线之间的地形信息是缺失的

规则格网基于栅格的DEM

规则格网的DEM 说明
格网参数 形状;位置;方向;分辨率
【分辨率选择原则】保证精度(取决于地形复杂度);避免数据冗余;符合标准(国家或国际)
NSDI的DEM标准 【NSDI的DEM标准】National Spatial Data Infrastructure国家空间数据基础设施
【1:1,000,000】即1000m分辨率:大区域的,宏观范围的特征
【1:250,000】即100m 中尺度,能够描述到流域尺度
【1:50,000】即25m 主要反映小流域,能够反映几十平方公米小流域的地形特征
【1:10,000】即5m 反映坡面地形特征:坡度坡向
其他 后三个的生产方式:基本地形图等高线的数字化
而1:1,000,000生产方式不一样,把1:50,000或者1:10,000方里网交点的高程读出来输进去构建起来
因此1:1,000,000虽然比例尺很少,但是高程采样精度很高

不规则格网基于矢量的DEM(TIN)

【不同TIN数据结构的对比】

在这里插入图片描述

5 DEM应用领域

  1. 国家数据库中存储数字地形图的高程数据;道路设计、民用和军事工程中填挖土石方量
  2. 为军事目的的地标景观设计与规划等现实地形三维图形;越野通视分析
  3. 规划道路路线、坝址选择;不同地面的比较和统计分析
  4. 计算坡度图像图,帮助地貌分析,估计径流
  5. 显示专题信息或将地形起伏数据与专题数据
  6. 提供土地景观和景观处理模型的影像模拟需要的数据

6 DEM的未来

角度 说明
从空间上看 【从地球表面走向地下】2.5D–>2.75D:不仅仅记录一个面,还记录多个地表下的不规则岩层面,扩展到2.75D
【从地球表面走向高空】测量大气中的等压面、等温面–>扩展到别的地理因子,这些面虽然是看不到的,但是可以虚拟存在
【从地球走向外空间】从地球延伸到了月球
从时间维 【从现在地形到历史地形】
【从现在地形到未来地形】
【单一阶段的地形到多时项地形】
从对象上看 【从自然表面到人工表面】
【从地表面到地下水】
【从丘陵到平原】丘陵的DEM很容易来表达,而平原受到人的影响,很难准确表达
【从地形走向地貌】地形只是一个地表形状的概念,而地貌还考虑了该地区的机理
其他 数字地形分析研究与应用进展

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THE END
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