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1、DEM复习整理DEM 复习整理1、 DEM概念 (1)狭义概念： DEM是区域地表面海拔高程的数字化表达。(2)广义概念： DEM是地理空间中地理对象表面海拔高度的数字化表达。(3)数学意义： DEM是定义在二维空间上的连续函数H=f(x,y)2、数字高程模型的特点 精度恒定性 表达多样性 更新实时性 尺度综合性3、规则格网DEM和TIN的对比4、DEM数据模型 从认知角度 基于对象的模型、基于网络的模型、基于场的模型 从表达角度 矢量数据模型 镶嵌数据模型 组合数据模型5、DEM数据结构（1）、规则格网DEM数据结构 a、简单矩阵结构 b、行程编码结构 c、块状编码结构 d、四叉树数据结构（

2、2）、不规则三角网DEM数据结构TIN数据结构：面结构、点结构、点面结构、边结构、边面结构、简单结构（3）、格网与不规则三角网结构混合结构6、DEM数据源特征地形图、航空、遥感影像、野外测量、既有DEM数据 可获得性（x，y，z）、DEM应用目的（分辨率、精度）、数据采集效率、数据量大小、技术熟练程度（1）数据源：地形图覆盖面广，可获取性强，是丰富、廉价的建立DEM的主要数据源。特点：现势性（经济发达地区往往不满足现势性要求）、存储介质、精度：比例尺、等高线密度、成图方式有关 （2）数据源：航空、遥感影像a、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）b、 缺

3、点：受外界影响因素较大，对于精度要求高的DEM难以满足要求，高精度影像获取方法费用昂贵c、相对精度和绝对精度低的遥感影像： LandsatMSS、TM传感器、SPOTd、高分辨率遥感图像：1米分辨率的IKONOS 0.61米QUICKBIRD （3）数据源：地面测量缺点：工作量大，周期长、更新十分困难，费用较高 用途：公路铁路勘测设计、房屋建筑、矿山、水利等对工程精度要求较高的工程项目（4）数据源：既有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 7、 数据采样方法对比（1）、地形图数据采集方法优点：a地形图易获取、作业设备简单、对操作人员技术要求较低，因而地形图是

4、DEM获取最基本的方法。b手扶跟踪数字化的优点是所获向量形式的数据在计算机中较易处理缺点：速度慢、劳动强度大、精度难保证，难以实现大面积DEM数据采集（2）地图扫面数字化优点：速度快、精度高、自动化程度高 缺点：技术相对复杂（3）摄影测量优点：更新速度快、主要处理大范围、大批量的数据缺点：精度受外界影响较大、对于精度要求高的DEM难以满足要求，高精度影像获取方法费用昂贵8、采样的布点原则沿等高线采样 ：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方

5、向上采样 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 ） 9、DEM数据采集方法地形图数据采集方法 摄影测量数据采集方法 野外测量数据采集方法 DEM数据采集技术的进展10、规则格网DEM建立的基本思路 （1）空间结构在水平面的投影为正方形格网时，称为基于格网的建模；（2）对研究区域在二维平面上进行格网划分（格网大小取决于DEM应用目的），形成覆盖整个区域的格网空间结构；然后利用分布在格网点周围的地形采样

6、点内插计算格网点的高程值，最后按一定的格式输出，形成该地区的格网DEM；（3）DEM建立过程中的关键环节是格网点上高程的内插计算；11、TIN的基本概念 不规则三角网（Triangulated Irregular Network 简称TIN）：是用一系列互不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形来表示地形表面。TIN既是矢量结构又有栅格的空间铺盖特征，能很好地描述和维护空间关系。TIN的基本元素节点（Node）：是相邻三角形的公共顶点，也是用来构建TIN的采样数据；边（Edge）：指两个三角形的公共边界，是TIN不光滑性的具体反映。边同时还包含特征线、断裂线以及区域边界。面（Face）：由最近的三

7、个节点所组成的三角形面，是TIN描述地形表面的基本单元。TIN中的每一个三角形都描述了局部地形倾斜状态，具有唯一的坡度值。三角形在公共节点和边上是无缝的，或者说三角形不能交叉和重叠12、TIN的三角剖分准则 空外接圆准则：在TIN中，过每个三角形的外接圆均不包含点集的其余任何点；最大最小角准则：在TIN中的两相邻三角形形成的凸四边形中，这两三角形中的最小内角一定大于交换凸四边形对角线后所形成的两三角形的最小内角；最短距离和准则：指一点到基边的两端的距离和为最小。张角最大准则：一点到基边的张角为最大。面积比准则：三角形内切圆面积与三角形面积或三角形面积与周长平方之比最小。 对角线准则：两三角形组

8、成的凸四边形的两条对角线之比。这一准则的比值限定值，须给定，即当计算值超过限定值才进行优化。空外接圆准则、最大最小角准则下进行的三角剖分称为Delaunay (译为狄洛尼或德劳内)三角剖分（Triangulation），简称DT。空外接圆准则也叫Delaunay法则。 13、DEM可视化概念 DEM实现了地形表面的数字化表达，但信息隐含，地形可读性差；需要一种技术以增强DEM的地形表达效果，即DEM地形可视化技术，以DEM为基础实现对地形的直观表达。地形可视化地形可视化主要研究基于DEM的地形显示、简化、仿真等内容，是计算机图形学的一个分支，属于科学计算可视化的范畴14、地形二维可视化表达(1

9、) 等高线法：等高线是高程相等的相邻点的连线。等高线地形图是通过成组的具有一定间隔的（等高距）等高线族来表达地面的起伏形态(2) 明暗等高线法：又称为波乌林法，由波乌林于1895年提出，基本理论为： 根据斜坡所对的光线方向确定等高线的明暗程度（阴坡面和阳坡面）； 将受光部分的等高线饰为白色，背光部分的等高线饰为黑色； 地图的底色为灰色(3) 分层设色法基于高程的分带设色：根据等高线划分出地形的高程带，逐层设置不同的颜色，用以表示地势起伏的一种方法(4) 地形晕渲法又称为地貌晕渲法或阴影法，通过模拟太阳光对地面照射所产生的明暗程度，并用灰度色调或彩色输出，得到随光度仅以连续变化的色调，达到地形的

10、明暗对比，使地貌的分布、起伏和形态显示具有一定的立体感，直观地表达地面起伏变化。15、误差、精度与不确定性误差通常被定义为观测数据与其真值之间的差异。系统误差：定义：它是在一定的测量条件下，对同一个被测尺寸进行多次重复测量时，误差值的大小和符号（正值或负值）保持不变；或者在条件变化时，按一定规律变化的误差。随机误差：定义：在测量时，即使排除了产生系统误差的因素（实际上不可能也没有必要绝对排除），进行了精心的观测，仍然会存在一定的误差，这类由于偶然的或不确定的因素所造成的每一次测量值的无规则变化（涨落），叫做偶然误差，或随机误差。 粗差：定义：在相同观测条件下作一系列的观测，其绝对值超过限差的测

11、量偏差，即超过三倍中误差的测量误差。 误差源分析1）地形表面特征2）数据源3）采点设备误差4）人为误差5）采样点密度和分布6）内插方法7）DEM数据结构16、DEM精度评定方法和精度模型DEM精度平定方式：平面精度和高程精度分开评定、平面精度和高程精度同时评定DEM精度平定 a检查点法和DEM中误差模型b逼近分析和地形描述误差c等高线套合分析和DEM定性评价模型d实验方法和DEM经验模型e理论分析与理论模型17、DEM精度模型分析基于等高线数据的DEM精度分析 原始数据质量； 数据点的分布和密度； 内插数学模型； 等高距。基于格网数据的DEM精度分析 原始数据采样点的误差，可通过对数据采样方式

12、的分析得到； 内插方法：不同内插方法会产生不同的内插曲面，引起DEM的表面建模的精度损失。18、坡度：地表面任一点的坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角。坡度(degree of slope)：即水平面与地形面之间夹角。坡向:坡向反映斜坡所面对的方向。坡向（）也称为坡面倾面，单位为度，一般以正北方向为零度，按顺时针方向度量。19、坡形(1)、宏观坡形因子坡形是指局部地表坡面的曲折状态。宏观上讲，一般可分为直线形斜坡、凸形斜坡、凹形斜坡和台阶形斜坡四种基本类型 ，一般可采用地面曲率因子和地面变率因子度量地面表面一点的弯曲变化程度 (2)、地面曲率因子地面曲率是对地形表面一点扭曲变化程度的定量化

13、度量因子，地面曲率在垂直和水平两个方向上分量分别称为平面曲率和剖面曲率。(3)、地面变率因子 地面变率描述的是地表局部范围内坡度、坡向两个基本的地形指标的变化情况，它包括坡度变率、坡向变率两个基本因子 20、地表粗糙度 是反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标，一般定义为地表单元的曲面面积S曲面与其在水平面上的投影面积S水平之比。数学表达式为： R = S曲面/ S水平 R = 1/cos(S)21、坡面因子提取的算法基础（论述）P15722、地形特正点的提取（论述）P169特征点的提取 山顶点（peak） 凹陷点（pit） 脊点（ridge） 谷点（channel） 鞍点（pass） 平地点（p

14、lane）等在一个33的栅格窗口中，也可以直接利用中心格网点与8个邻域格网点的高程关系来进行判断地形特征点：（Zi，j-1 - Zi，j）（Zi，j+1 - Zi，j）0（1）当Zi，j+1 Zi，j 则VR（i，j）= -1（2）当Zi，j+10 （3）当Zi+1 Zi，j 则VR（i，j）= -1（4）当Zi+1 Zi，j 则VR（i，j）= 1公式（1），（4）；（2）（3）同时成立，则VR（i，j）= 2，以上条件都不成立，则VR（i，j）= 0； 第一章1.2数字高程模型1)狭义概念：DEM是区域地表面海拔高程的数字化表达。(2)广义概念：DEM是地理空间中地理对象表面海拔高度的数字

15、化表达。(3)数学意义：DEM是定义在二维空间上的连续函数H=f(x,y)地理空间是三维的，但DEM是叠加在二维地理空间上的一维特征(高程)的向量空间,其本质是地理空间定位和数字描述。DEM是2.5维的。2.分类：1.范围：局部DEM(Local)2.连续性：不连续DEM(Discontinuous)地区DEM(Regional)连续DEM(Continuous)全局DEM(Global)光滑DEM(Smooth)3.结构（1）.点：散点DEM（3）面：格网DEM（2）线：等高线DEM不规则DEM断面DEM混合DEM3.特点：（1）精度恒定性（2）表达多样性（3）更新实时性（4）尺度综合性4.

16、DEM与DTM区别DTM是地形表面形态等多种信息的一个数字表示。它包含地貌。环境。土地利用等多种信息的定量和定性描述。而DEM只取DTM的（X,y）和对应的Z值。Dem以绝对高程或海拔表示的地形模型，dtm泛指地形表面自然、人文、社会景观模型DTM范围更广。5.我国不同比例尺的DEM（四种不同比例尺DEM与分辨率）1：1,000,000(1000m)、1：250,000(100m)、1：50,000(25m)、1：10,000(5m)DEM的维度为2.5维。第二章1.DEM数据模型主要刻画具有连续变化特征的空间对象，因此属于基于场的镶嵌数据模型。一、DEM数据模型1）、镶嵌数据模型2）、规则镶

17、嵌数据模型：用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形。构造方法：用数学手段将研究区域进行网格划分，把连续的地理空间离散为互不覆盖的网格，然后对格网单元附加相应的属性信息。特点：数据结构简单、隐式的坐标存储、高效的访问效率、数据冗余3）、不规则镶嵌数据模型：用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界。优点：不需要维护模型的规则性，能灵活地随地形的复杂程度而改变格网单元大小，避免平坦地区数据冗余，又能按地形特征点线等来表示地形特征。4）、特征嵌入式数据模型2.数据模型与数据结构区别空间数据模型属于概念层次的空间对象语义描述，它的具体表达则要按一定的结构对空间数据进行组织，因此空间数据结构是空间数据

18、模型的表述。是相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合，这些数据元素是数据的基本单位，而一个数据元素可有几个数据项组成。数据结构一般通过图表。矩阵以及计算机码的数据记录来说明。3.dem的数据结构（1）简单矩阵含义：按行（或列）逐一记录每个格网单元的高程值。记录项：高程，格网西南角坐标值，格网间距；浮点型数据的处理：转为整型数据；无数据区9999；数据文件包含数据头，数据体（2）行程编码结构基本思路：对于一幅dem，常常在行（或列）方向上相邻的若干具有相同的高程值，因而从第一列开始，在格网单元数值发生变化时依次记录该值以及重复的个数，应用时可利用重复个数回复dem矩阵（3）块状编码结构（

19、4）四叉树数据结构4.tin数据结构：简单结构、面结构、点结构、点面结构、边结构、边面结构5.混合数据结构一般采用分别处理的方式，也可设计一个一体化的数据结构。应用时常常将其实时地完全转换为TIN的数据结构。6.规则格网dem与tin的对比规则格网DEM不规则三角网TIN优点简单的数据存储结构较少的点可获取较高的精度与遥感影像数据的复合性可变分辨率良好的表面分析功能良好的拓扑结构缺点计算效率较低表面分析能力较差数据冗余构建比较费时格网结构规则算法设计比较复杂7.dem数据库管理两种方法：基于文件和索引的数据库、基于关系型数据库方式类型：tin库、grid库“工程工作区图幅”的层次结构索引模式是

20、当前GIS空间数据库数据组织的常用方式之一。8.元数据的数据库管理元数据：关于数据的数据。描述数据的内容、质量、状况和其他特征，帮助人们定位和理解数据。元数据是实现空间数据共享的重要基础。元数据的内容：基本标识信息、质量信息、数据组织信息、空间参考信息、实体与属性信息发行信息、元数据参考信息第三章DEM数据获取方法1、DEM数据来源及其特征（1）数据源：地形图 覆盖面广，可获取性强，是丰富、廉价的建立DEM的主要数据源。n特点：n现势性较差（经济发达地区往往不满足现势性要求）n存储介质易变形n精度：与比例尺、等高线密度、成图方式有关（2）数据源：摄影测量/遥感影像n大范围、速度快n航空影像是高

21、精度大范围DEM生产最有价值的数据源n航天遥感影像nLandSat上的MSS、TM，Spot上的HRV适合于小比例尺DEMnIKONOS、Lidar、机载激光扫描仪适合于大比例DEM（3）数据源：地面测量n小范围的数据采集与数据更新n精度高，周期长，成本较高n适用于精度要求较高的工程项目（4）数据源：既有DEM数据n数据存储格式n数据尺度n数据现势性n数据精度与可信度2、DEM数据采样理论基础基于不同观点的采样（1）地形曲面的几何特征特征点：地形表面的局部极值点。特征线：特征点的连线。 *变坡点:坡度发生变化的点（大小方向）3.DEM数据源的三大属性（1）数据分布数据的位置：经纬度、直角坐标数

22、据的分布图案数据的密度相邻两点之间的距离（采样间隔、采样距离）表示规则格网分布的采样点。如：20m单位面积内的点数描述随机分布的采样点。如：每平方千米500点单位线段上的采样点数描述沿线状分布的采样点。如：2点/m截止频率采样数据所能表示的最高频率。数据的精度与数据源、数据的采集方法、采集仪器密切相关。（3）DEM数据采集方法1）地形图数据采集方法2)摄影测量与遥感影像数据采集方法3）野外测量数据采集方法8.粗差探测的几种方式1）基于趋势面的粗差探测与处理2）三维可视化粗差检测技术3）剖度信息的格网数据粗差检测4）基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法5）基于等高线采样数据的粗差探测方法6）

23、等高线回放检查9.dem数据的共享SRTM(shuttleradartopographymission)是美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量,由美国奋进号航天飞机于2000年2月11日开始，历时11天完成的雷达地形测绘计划。常用SRTM数据产品有分辨率为1弧秒（约30m）和3弧秒（约90m）两种，其中覆盖中国区域的是90m分辨率数据（又称SRTM3）。ASTERGDEM数据（30米）第四章DEM建立保凸性逼近面与实际曲面的波动次数相等或接近，而且两者对应的脊线、 谷线位置和走向基本一致，保凸性好，反之保凸性差逼真性逼近面和实际地形曲面对应点之间满足关系式：1、整体内

24、插：由研究区域内所有采样点的观测值建立一个数学函数，来表达整个研究区域的地形。适用于描述面状区域上连续分布现象的空间趋势。整体内插法的应用：常用于揭示整个区域内地形宏观起伏态势。与局部内插法配合使用地形采样数据的粗差检测整体内插法的优缺点优点：整个区域上函数唯一，能得到全局光滑连续的DEM、充分反映宏观地形特征。缺点：（1）保凸性差（2）不容易得到稳定的数值解：采样点的增减或移位需要对多项式所有参数作全面调整，从而使函数极不稳定。采样点测量误差的微小扰动可能引起高次多项式参数的很大变化，使高次多项式难以得到稳定解。（3）高次多项式系数物理意义不明显（4）解算速度慢且对计算机容量有较高要求（5）

25、不能提供内插区域的局部地形特征2、局部分块内插基本思想：将地形区域按一定的方法进行分块，对每一块根据地形曲面特征单独进行曲面拟合和高程内插，即DEM分块内插。1）线性内插2）双线性多项式内插3、逐点内插法逐点内插：以内插点为中心，确定一个邻域范围，用落在邻域范围内的采样点计算内插点的高程值。又称移动曲面法。1、基于不规则分布采样点的DEM建立（1）直接法直接通过采样点建立DEM。（2）间接法首先建立TIN，再在TIN上通过线性内插形成格网DEMTIN：利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点(各三角形的顶点)连接成相互连续的三角面(在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角

26、三角形或是三边的长度近似相等)TIN的三个基本元素;节点（node）；相邻三角形的公共顶点，构建TIN的采样数据。边（edge）：两个三角形的公共边界，TIN不光滑性的具体反映，包含特征线、断裂线、边界。面（face）：由最近的三个节点所组成的三角形面，是TIN描述地形表面的基本单元。节点、边、面之间存在着关联、邻接等拓扑关系。TIN的三角剖分准则 (1).空外接圆准则：过每个三角形的外接圆均不包含点集的其余任何点(2).最大最小角准则：两相邻三角形形成的凸四边形中，这两三角形中的最小内角一定大于交换凸四边形对角线后所形成的两三角形的最小内角。(3)最短距离和准则：一点到基边的两端的距离和为最

27、小(4)张角最大准则:一点到基边的张角为最大(5)面积比准则:三角形内切圆面积与三角形面积比或三角形面积与周长平方之比最小(6)对角线准则:两三角形组成的凸四边形的两条对角线之比，这一准则的比值限定值须给定。即当计算值超过限定值才进行优化张角最大准则、空外接圆准则及最大最小角准则是等价的，其余的则不然Delaunay（狄洛尼）三角网l通常将在空外接圆准则、最大最小角准则下进行的三角剖分称为Delaunay三角剖分（简称DT）。DT特性：可最大限度的避免狭长三角形的出现及不管从何处开始构网都能保持三角形网络的唯一性。Delaunay法则(空圆法则)：每一个三角形的外接圆均不包含其它三角形的顶点。

28、TIN建立的算法1、三角网生长算法2、分割-合并算法3、数据逐点插入算法4、带约束条件的Delaunay三角网第六章DEM精度分析DEM误差来源地形表面特征数据源误差采点设备误差人为误差采样点密度和分布内插方法DEM结构2、常用DEM精度描述指标（1）数值精度模型中误差RMSE并不反映单个误差的大小，而是从整体上描述地形参数和其真值的离散程度，能提供真值可能存在的范围。（2）误差自相关模型误差的空间自相关性（3）误差与精度可视化模型描述误差的空间分布坡面复杂度因子有地形起伏度、地形粗糙度、地表切割深度、沟壑密度。DEMs的内插方法主要分为整体内插、分块内插、单点内插及剖分内插。地形表达的方式包

29、括:数字方式和图形方式DEM数据的采样而言，扫描过程中一般比较关心的是两个指标，即速度和精度。.目前DEM的数据主要来源于地形图、摄影测量、遥感影像数据、地面测量和既有DEM数据。误差分为系统误差、随机误差和粗差表征地面复杂度总体特征的参数有光谱频率、_分数维_、_曲率_、_相似性_和坡度。从网络的形式看，DEM表面的建模有四种主要的方法：基于点的建模方法、基于三角形的建模方法_、_基于格网的建模方法_和将其中任意两种结合起来的混合方法。国家空间数据基础设施的4D产品包括_DEM_、_DLG_、_DRG_和_DOM_。29.试述请简述数字高程模型常见的数据来源及其数据获取方法。(本小题10分)答：数字高程模型常见的数据来源有航天/航空遥感影像（1分）不同比例尺的地形图（1分）地面本身，全球定位系统GPS、全站仪或经纬仪配合袖珍计算机在野外进 行观测获取地面点数据，经过适当变换处理后建成数字