前言 数字地形模拟是针对地形地貌的一种数字建模过程,这种建模的结果通常就 是一个数字高程模型(DEM)。自从20世纪50年代后期开始被采用以来,DEM 受到了极大的关注,并在测绘、土木工程、地质、矿山工程、景观建筑、道路设计、防 洪、农业、规划、军事工程、飞行器与战场仿真等领域得到了广泛应用。 随着科学技术特别是计算技术的迅速发展,在DEM的数据获取方法、数据存 储和数据处理速度等方面已经取得突破性进展。数字地形模拟已经成为地球科 学重要的分支之一。实际上,由于地理信息系统(GIS)的普及,在美国、中国、德 国、英国和其他国家,DEM作为数字地形模拟的重要成果已经成为国家空间数据 基础设施(NSD)的基本内容之一,并被纳入数字化空间数据框架(DGDF)进行规 模化生产。今天,数字高程模型DEMs已经成为独立的标准的基础产品,并越来 越广泛地被用来代替传统地形图中等高线对地形的描述。显然,同过去提供等高 线地形图一样,提供DEMs也已成为各劫测部门的基本任务和日常工作之一。全 国范围内的DEM等价于中小比例尺的基本地形图,而其他大比例尺、高精度的 DEMs则与更大比例尺的地形图相当。这些高精度DEMs无疑将由更多的地方 或专业部门提供。随着各种精度级别DEMs的普遍获取,过去许多潜在的应用领 域现在已经变成十分重要的用户。DEMs作为地球空问框架数据的基本内容,是 各种地理信息的载体,在国家空间数据基础设施的建设和数宇地球战略的实施进 程中都具有十分重要的作用。为了推动DEMs的生产和应用,有必要推出一本内 容翔实、涉及面广的著作。换句话说,经过四十多年的发晨,DEMs的理论基础和 涉及的主要技术方法都巳经成熟,这些理论与技术应该被归纳总结到这样的书 中,这也是我们致力于该项工作的主要原因。 综合专家学者十多年来在该领域的研究开发成果,汇集国内外最新的理论与 技术成就,我们推出了这本著作。本书首次系统全面地论述了DEMs的概念、数 据源、数据获取、建模方法、精度模型、质量控制、数字分析、可视化与应用等基本
目 录 第一章概述…… (1) 第一节数字地形表达 (1) 第二节数字高程模型的含义……… ……………(5) 第三节数字高程模型的分类…… ……………………(6) 第四节数字高程模型的应用范畴……………… ……………………(8) 第五节数字高程模型的生命周期 (10) 第二章数字高程模型的数据获取 ……… (12) 第一节数字高程模型的数据来源 …………(12) 第二节数据采集方法 ………………(15) 第三节采样的理论基础 ……………(20) 第四节数字高程模型的生产项目设计… (23) 第三章数字高程模型表面建模 …… (29) 第一节简介 (29) 第二节建立DEM表面的各种方法 ……………(29) 第三节三角网的生成 …………(34) 第四节正方形格网的生成 (57) 第五节不规则三角网TIN与正方形格网Grid的比较 (59) 第四章数字高程模型精度的数学模型 (60) 第一节简介 (60) 第二节根据格网数据建立的DEM表面精度的数学模型 … (61) 第三节DEM精度与格网间隔及等高距的关系… (72) 第五章数字高程模型生产的质量控制 (81) 第一节简介 (81) 第二节原始数据误差处理 ………………(83) 第三节数字高程模型的精度评定与质量检查… …… (105)
第六章数字高程模型的数据组织……………………(109) 第一节简介……………… …(109) 第二节数据结构……………… ·(110) 第三节数据库管理系统………………… (119) 第七章数字高程模型内插……………………………………………………… (125) 第一节简介……… (125) 第二节整体内插……………………………………………………(125) 第三节分块内插……………… …………………………………(126) 第四节逐点内插………………………………………………(134) 第五节关于内插技术的探讨…………… ……………………………(139) 第八章数字地形分析… (140) 第一节基本地形因子计算……………………… (140) 第二节特征提取… ………(145) 第三节水文分析……… (151) 第四节可视性分析……… (158) 第九章数字高程模型的可视化……………… (164) 第一节简介… ·(164) 第二节高度真实感图形的生成…………… …………… (167) 第三节虚拟景观… (174) 第十章数字离程模型的应用… ……… (177) 第一节在土木工程中的应用…………… …… (177) 第二节在GIS中的应用 (181) 第三节其他应用…………… (187) 附录11：5万数字高程模型(DEM)生产技术规定 ………………(193) 附录2对DEM精度数学模型的实验验证 ……………(218) 附录31：5万数字高程模型元数据及范例 ……………(226) 附录4术语汇编 (230) 主要参考文献… (245)
概述 第一章概述 第一节数字地形表达 1地形表达的方法 人们生活在地球上并与这个地球表面处处发生联系:工程师在地表设计、构筑楼房地质 学家研究地表结构地质生态学家想了解地表形态和地物形成的过程;而测绘工作者则对地形 起伏进行各种测量并用各种方式如地图和正射影像等描述地形。尽管专业领域不同研究的 侧重点各异但所有的工作都希望能用一种既方便又准确的方法来表达实际地表现象。 人类在很早以前就开始想方设法来描述自己所熟悉的各种地表现象绘画可以说是最古 老的一种。用图画可以粗略地反映所见到的地形景观但这些信息反映的主要是对象的形态 特征和色彩特性定量的描述则非常有限。 另外-种占老而有效并一直沿用至今的精确表达地表现象的方式是地图。在人类文明发 展的历史长河中,人们对自身生存环境的认识和表示可以从地图上得到集中体现。地图对人 类社会发展的作用如同语言和文字对社会发展的作用一样,具有不言而喻的重要性。地图是 记录和传达关于自然世界社会和人文的位置与空间特性信息最卓越的工具。早期的原始地 图用半符号半写景的绘法来表示地形实现了在各种二维介质平面上对实际三维地形表面的 表示和描述。现代地图按照一定的数学法则运用符号系统概括地将地面上各种自然和杜会 现象表示在平面上。地图具有三个基本的特性:数学法则性制图综合性和内容符号性。现代 地图的最大优点在于具有可量测性 在各种地图中,用来准确描述地貌形态的是等高线地形图。用等高线来表达地形表面起 伏可以追溯到18世纪,它的方便性和直观性使得人们认为在制图学的历史上等高线是一项最 重要的发明。在等髙线地形图上,所有的地形信息都正交地投影在水平面上,用线划或符号表 示成比例缩小后的地物而地物高度和地形起伏的信息则有选择地用等高线进行表达。 与各种线划图形相比影像无疑具有更大的优点如细节丰富成像快速、直观通真等因 此摄影术一出现就被广泛用于记录我们生活的这个绚丽多彩的世界。从1849年开始就出现 了利用地面摄影相片进行地形图的编绘,而航空摄影由于周期短覆盖面广、现势性强而被广
数字高程模型 泛采用。利用多张具有一定重叠度的像片还能够重建实际地形的立体模型,并可以进行精确 的三维量测。 20世纪60年代初期,遥感( Remote sensing)技术随着空间科学的发展而兴起。70年代, 美国地球资源卫星( LANDSAT)上天后,遥感技术获得了极为广泛的应用。在遥感技术中除 了使用对可见光摄影的框幅式黑白摄影机,还使用彩色或彩红外摄影机、全景摄影机、红外扫 描仪、多光谱扫描仪、雷达、CCD推扫式行扫描仪和矩阵数字摄影机等它们能提供比原先黑 白像片更丰富的影像信息(包括几何和物理信息)。 从本质上讲地图是对客观存在的特征和变化规则的一种科学的概括(综合)和抽象。对 于地图中最典型也是最重要的地形图而言由于其描述的客观世界是丰富多彩、千姿百态的三 维空间实体,其二维空间的表达与所表示的三维现实世界之间有着不可逾越的鸿沟。正因为 如此,千百年来地图学者们一直致力于地形图的立体表示试图寻求到一种既能符合人们的视 觉生理习惯,又能恢复真实地形世界的表示方法。在此过程中曾先后出现过写景法( Scenog raphy)地貌晕翁法( Hachure)、地貌晕渲法( Shading)、分层设色法( ayer tinting)等,但这些 方法由于缺乏严峦的数学理论以及绘制复杂等而使其应用受到了很大局限。 20世纪中叶以后,伴随着计算机科学、现代数学和计算机图形学等的发展各种数字的地 形表达方式也得到了迅猛的发展。电子计算机为自然科学的发展提供了进行严密计算和快速 演绎的工具。使用计算机和计算技术是当今信息时代的一个重要标志,其在测绘方面的应用 使得测绘学科逐步向数字化与自动化实时处理与多用途的方向发展。计算机技术在很大程 度上改变了地图制图的生产方式同时也改变着地图产品的样式和用图概念。借助于数字地 形表达现实世界的三维特征能够得到充分而真实的再现。 总之,数字地形表达的方式可以分为两大类即数学描述和图像描述。使用傅立叶级数和 多项式来描述地形是常用的数学描述方法。规则格网、不规则格网等高线剖面图等则是图 像描述的常用方式。图1-1-1是地形表达方式的分类示意图。 数学力/局/傅立叶级数 多项式函数 局含规则的分块函数 不规则的分块函数 规则(密度一致密度可变) 点方式不规则(三角形网邻近网) 地形的表达方 典型特征(山峰、洼坑隘口边界等) 图像方式 剖面线 线方式等高线 特征线(山脊线、谷地线海岸线 坡度变化线等 其他方式(绘画影像等 图11-1地形表达的方式