《DEM及地学分析》
第三章 DEM数据获取方法 第一节 DEM数据源特征
准备知识
数据点是建立数字地面模型的基础。
有了地面三维信息，就能根据这些已知信息 （X,Y,Z）来确定地面数字函数模型，内插出需 要的数据点。取得一种密集方形格网线结点处 高程值，就能绘制等高线。对于图形的数据获 取，则是记录坐标、属性、特征等。获取的原 始数据，还要进行预处理。
工程设计的基 本用图，实地 测量
我国地形图 系列的基本 地形图
摄影测量/遥感影像数据及其特征
现势性好：获取速度快、更新速度快、 更新面积大（大范围DEM数据的最有价 值来源） 相对精度和绝对精度低的遥感影像： Landsat—MSS、TM传感器、SPOT 高分辨率遥感图像：1米分辨率的IKONOS 0.61米QUICKBIRD
基于坡度信息的规则格网分布 数据粗差探测技术
坡度差计算 通过相邻两个网格之间的坡度差确定衡 量坡度是否变化一致的阈值 怀疑一点 粗差剔除与数据点改正
基于高程信息的不规则分布数 据粗差探测方法
第五节
DEM数据共享和利用
各个国家、地区和组织纷纷制定了相关领域的数据共享 原则和数据交换标准，我国也适时颁布了我国DEM数据 交换格式标准
非特征要素是分布在各个地形单元上的 点和线，是为满足采样点密度要求而加 测的点，这些点线主要是用来辅助地形 重建（地形测图中的辅助等高线勾绘等）
地形的复杂程度
采样点多少要求 地形比较破碎，沟壑交错，这时宜多布 设一些采样点，以便能正确反映地形细 部变化特征 地形变化比较均匀平坦，则可在满足密 度要求的条件下，可适当减少采样点
剖面（Profile）
渐进采样：平坦的地区采样要相对较少， 地形复杂的地区要采样相对较多 选择性采样：根据地形特征进行选择性 的采样（方法并不常见 ） 混合采样 ：选择采样与规则格网采样相 结合或者是选择采样与渐进采样相结合 的采样方法 （数据的存储管理与应用较 复杂 ）
DEM数据采集方法
地形图数据采集方法
手扶跟踪数字化操作
在数字化地图区域之外的三个角上分别 选取三个参照点 确定几个控制点并将其数字化 以点方式或流方式跟踪采集高程数据和 平面数据。
扫描矢量化
扫描过程：颜色（灰度值）和分辨率 （DPI） 矢量化过程 ：栅格图像转换成矢量数据 （矢量化过程可分为手动式、半自动式 和全自动式（暂时还没有）三类 ）
数据的密度
数据点的密度有多种表示方式： 1.相邻两点之间的距离：通常采样间隔 以一个数字加单位组成（所有采样点距 离的平均值） 2.单位面积内点数 3.截止频率 4.单位线段上的点数
如何确定数据点最佳密度？
一是用截止频率方法，对地形进行频谱分析， 地形谱中高频成分比较丰富时，即地形比较破 碎，坡度变化较大，则要求数据点较密；反之， 则对数据点要求较稀。 二是采用渐近采样法，即按一定间距采样时， 取二次曲线代表地面的曲线，用间隔中点的线 性内插值与二次曲线内插值的高程差异来判断 格网密度是否适当。

(1,0)
y
S
tan tan tan
第三节
DEM数据采样策略与采样方法
在何处的点要 量测记录
数字高程模型数据源的三大属性
点分布 （地理坐标系统中的经纬度或直 角坐标系统中的东北向坐标值 ）
采样点的选取
●规则网格采样：按规则矩形网格进行采样， 可直接生成规则矩形格网的DEM数据。 ●渐进采样：根据地形使采样点合理分布， 即平坦地区采样点少，地形复杂区采样点多 ●沿等高线采样：主要用于山区采样。 ●选择采样(特征链状数据 )：根据地形特征
航空遥感影像数据作为DEM数 据源注意点
遥感影像的几何畸变 遥感数据的增强处理 遥感影像数据的空间分辨率
遥感影像数据的解译和判读
地面测量数据及其特征
测量仪器：全球定位系统（GPS）、全站仪、 电子平板或经纬仪/测距仪 测量要素：方向、距离和高差 （三维坐标x、y、 z） 用途：公路铁路勘测设计、房屋建筑、场地平 整、矿山、水利等对高程精度要求较高的工程 项目 缺点：工作量大，周期长、更新十分困难，费 用较高
进行采样，如沿山脊线、山谷线等进行采集。
●随机采样：随机分布采样点
●混合采样。
注意：所有采集的数据都要按一定的 空间插值方法转换成点模式格式数据。
数据的密度
高程数据点的密度，是影响数字高程模型质量的 主要因素。数据点太稀，则数字模型的精度差， 数据太密，则增加了数据点数，增加了处理工作 量以及不必要的存储。
有等高线图的计算方法
无等高线图：航测
等高线图中平均坡度计算方法
arctg
h l P
P为测区的面积，为测区等高线的长度，h为等高距
平均坡度在测区较大或等高距不相等误差大 解决途径：统计回归方法 基于的思想：地形图上的地形坡度越大等高线越密， 反之，坡度越小等高线越稀 方法：格网划分研究区（格网大小取决于应用精度 要求），计算各子区域内的等高线总长度，再根据 回归分析方法统计计算单位面积内等高线长度值与 坡度值之间的回归模型，然后将等高线长度值转换 成坡度值。
地貌单元类型
DEM数据采样除与地形的几何特征、复 杂度有关外，地貌类型也对采样数据点 的分布和精度有一定影响
行业地貌类型的划分标准
地貌学 黄土地貌、风成地貌、喀斯特地貌、丹 霞地貌 地理学 ：平原、高原、丘陵、低山、高 山、极高山 测绘学 ：地表坡度和高差
黄土地貌样点要多，而平原地貌精度要高
常用的方法：测绘学中的坡度和高差
我国不同比例尺DEM特点
全国1:25万DEM ：格网尺寸为 100m×100m ；高斯-克吕格投影的数字 高程模型数据 全国1:100万DEM
美国USGS DEM特点
原始数据粗差检测与剔除
趋势面概念：地形表面变化符合一定的自然
趋势，表现为连续空间的渐变模型，可用以光 滑的曲面来描述 。 原理：某一采样点的观测值和趋势面计算值相 差较大时，该点可能含有粗差，因为它偏离了 整体变化趋势
某流域降水量的二次多项式趋势面
三维可视化粗差检测技术
通过人机交互的方式可有效的检测粗差点
坡度的计算
Z11
Z10 Z11 Z 00 Z 01 2 2 tan X X Z 01 Z11 Z 00 Z10 2 2 tan Y Y
Z01
P
Z10
R
x 1
T
O
(0,0)
(1,1)
又：
所以：
PO PO QO Q tan X tan sin 1 RO QO RO 2 PO PO QO tan Y tan sin 2 tan cos 1 SO QO SO 2 2 2 X Y
现存DEM数据
覆盖全国范围的1:100万、1:25万、1:5万 数字高程模型 七大江河重点防洪区的1:1万DEM 省级1:1万数字高程模型的建库工作也已 全面展开
第二节
DEM数据采样理论基础
准备知识 DEM重点应放在数据来源和输入质量的控 制上，而不实学习复杂的内插方法 DEM是实际地形表面的再现，其对地形 表达（数字化模拟）的可信程度，很大 程度上取决于原始地形采样点的分布和 密度
DEM数据的主要来源
地形图 摄影测量与遥感影像数据 地面测量
既有DEM数据
地形图数据及其特征
地形图现势性 现势性差，但物美价廉 地形图存储介质 温度，湿度等存放环境会使地形图图幅产生不 同程度的变形 地形图精度 地形图精度决定地形图比例尺、等高线密度 （由等高距表示）、成图方法有关
各种不同比例尺的比较
数据精度
采样数据精度与数据源、数据的采集方 法和数据采集的仪器密切相关的
数据源：野外测量>影像>地形图扫描
影像:摄影测量 >GPS 地形图无论是手扶跟踪数字化 还是地形图扫描的精度都是比较低的。
采样的布点遵循的原则
沿等高线采样 ：地形复杂沿等高线跟踪 的方式进行数据采集 ;在平坦的地区，则 不宜沿等高线采样 规则格网采样 :规定X和Y轴方向的间距 来形成平面格网，量测这些格网点的高 程。 剖面法：而在剖面法中，只沿一个方向 即剖面Hale Waihona Puke 向上采样摄影测量数据采集方法
绝大部分的大比例尺图（1:5千、1:1万、 1:5万）的成图是采用摄影测量方法
立体像对法
资料来源于张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘
两类数字摄影测量
全数字自动摄影测量方法：全数字摄影测量方 法采用规则格网采样，直接形成格网DEM，如 果与GPS自动空中三角测量系统集成，则可形 成内外业一体的高度自动化DEM数据采集技术 流程 交互式数字摄影测量方法：交互式数字摄影测 量方法增加了人工干预和编辑的功能，例如对 于特殊地区的相关影像，采用计算机自动相关 和人工交互相结合的方法，能够获得比较可靠 的、精度较好的DEM。
我国DEM数据交换格式标准
DEMs数据体采取从北到南，从西到东的 顺序，并以ASCII码的方式存储。 文件头分两类数据：一类是基本的必须 的数据，一类是扩充的附加信息
我国不同比例尺DEM特点
1:1万DEM：格网尺寸为12.5m × 12.5m 1：5万DEM ：格网间距为25m ；平面坐 标系以1980西安坐标系为大地基准，投 影方式为高斯-克里格投影，以6度带分 带方式分带。高程基准采用1985国家高 程基准
地形曲面几何特征
理论基础：地形表面可以划分成点和线 划分成一系列的单一几何表面 组成地形表面点和线可以分为两大类： 特征要素和非特征要素
特征要素包括地形特征点和特征线
特征点：山顶、洼地、鞍部、山脚点、山 脊点、山谷点等 特征线：山脊线、山谷线、各种断裂线 （陡坎、海岸线、水涯线等）
（实线为山脊线，虚线为山谷线，三角形表示山顶，小园 为鞍部，正方形为方向变化点和坡度变化点）