第一章概述 术,进行数字高程模型原始数据的采集工作。特别是在摄影测量领域DEM已经成为主要的 产品形式和正射影像生产的基础。DEM辅助遥感影像的处理,则可提高影像分类及解译的成 功率。 13地理信息系统(GS 地理信息系统( Geographic Information System,简称GIS)开始出现于20世纪60年代,它 是在计算机软、硬件支持下,对空间信息进行管理、分析、表示和应用的技术系统或系统实体。 DEM作为地球空间框架数据的基本内容和其他各种地理信息的载体,是各种地学分析的基础 数据,自然也是GIS的基本内容。特别是G中的三维可视化和虚拟现实更是离不开DEM。 2应用 数字高程模型既然是地理空间定位的数字数据集合,因此凡奉涉到地理空间定位,在研究 过程中又依靠计算机系统支持的课题,一般都要建立数字高程模型。从这个角度看建立数字 高程模型是对地面特性进行空间描述的一种数字方法途径,数字高程模型的应用可遍及整个 地学领域。在测绘中可用于绘制等高线坡度图、坡向图、立体透视图、立体景观图,并应用于 制作正射影像图、立体匹配片、立体地形模型及地图的修测。在各种工程中可用于体积和面积 的计算、各种剖面图的绘制及线路的设计。军事上可用于导航(包括导弹及飞机的导航)、通 讯作战任务的计划等。在遥感中可作为分类的辅助数据。在环境与规划中可用于土地现状 的分析各种规划及洪水险情预报等。 一般而言,可将DEM的主要应用归纳为 作为国家地理信息的基础数据 美国地质测量局USs认为国家基础地理信息产品至少包括五种基本类型的标准数字 地学空间数据分别是数字线化图 Digital Line Graphs,简称DLG)数字高程模型( Digital E evation models,称DEM)数字正射影像( Digital Orthophoto Quadrangles,简称DOQ)、地理 名字( Geographic Name)和数字栅格图( Digital Raster Graphs,简称DRG)。我们国家现在强 调其中4D产品即 DLG,DEM,DOQ, DRG的生产和管理,并以前3D作为国家空间数据基础 设施(NSDI)的框架数据。 土木工程景观建筑与矿山工程的规划与设计 为军事目的(军事模拟等)而进行的地表三维显示 景观设计与城市规划 流水线分析可视性分析 交通路线的规划与大坝的选址 不同地表的统计分析与比较 生成坡度图坡向图剖面图,辅助地貌分析,估计侵蚀和泾流等 作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等,以进行显示与分析
10 数字高程模型 为遥感、环境规划中的处理提供数据 辅助影像解译、遥感分类 将DEM概念扩充到表示与地表相关的各种属性,如人口交通、旅行时间等 与GS联合进行空间分析 虚拟现实( Vrtual Reality) 从DEM还能够派生以下主要产品: 长平面等高线图 立体等高线图 等坡度图 关晕渲图 通视图 纵、横断面图 三维立体透视图 三维立体彩色图 景观图 随着各种相关技术的发展,数字高程模型也经历了一个循序渐进的发展过程。20世纪50 年代中期到60年代初数字高程模型多局限于土木水利工程和地图测绘中的应用。DEM的 建立都只是为了某种特定的应用,如高速公路设计中的体积计算、遥感影像的几何纠正和正射 影像生产等这些DEM只能满足特定的行业和专业部门的应用需求,未成为一种像地图那样 的标准产品。从60年代中期开始,随着数据库和环境遥感技术的迅速发展,一些发达国家在 机助制图的基础上,逐步建立起国家范围和区域范围的地理信息系统,DEM作为标准的基础 地理信息产品也开始大规模的生产。如加拿大环境部的“加拿大地理信息系统(CGIS)”,美国 地质调查局的“地理信息检索和分析系统( GIRAS)”。数字高程模型开始作为数据库的实体, 为地理信息系统进行空间分析和辅助决策提供充实而便于操作的数据基础,同时与地理信息 系统的结合也愈来愈紧密。近年来,随着空间数据基础设施的建设和“数字地球( Digital Earth)”战略的实施,更加快了DEM与地理信息系统、遥感等的一体化进程,为DEM的应用 开辟了更广阔的天地 第五节数字高程模型的生命周期 近年来数字高程模型受到了普遍关注在许多与地学相关学科领域的应用得到了迅速发 展。为了更好地理解与此有关的问题,图1-51概略地描述了DEM的生命周期。从中可见 DEM数据流有六个不同的阶段,而在每一个阶段又需要一项或多项工作用以推进到另外一 阶段。尽管图中列出了12项不同的工作,但实际上一个专门的DEM项目也许并不需要所有 这些工作流程。然而,从各种数据源获取原始数据和从原始数据建立DEM表面却是必要的
始数据 DEM表面 重建 认 证 应用 采样 类 质量控制 DEM 数据源 转换 设计 用户 可行性研究 场 DEM项目 生产商 图1-5-1DEM的生命周期
数字高程模型 第二章数字高程模型的数据获取 DEM数据包括平面位置和高程数据两种信息可以直接在野外通过全站仪或者GPS激 光测距仪等进行测量,也可以间接地从航空影像或者遥感图像以及既有地形图上得到。具体 采用何种数据源和相应的生产工艺,一方面取决于这些源数据的可获得性,另一方面也取决于 DEM的分辨率精度要求数据量大小和技术条件等。 第一节数字高程模型的数据来源 地球表面的陆地面积约为15亿kn2,约占地球表面总面积的29.2%。本书所述的DEM 数据获取的各种方法集中于对这部分地表的数据采集。常见的数据来源有以下几种。 1影像 航空摄影测量一直是地形图测绘和更新最有效也是最主要的手段,其获取的影像是高精 度大范围DEM生产最有价值的数据源。利用该数据源,可以快速获取或更新大面积的DEM 数据,从而满足对数据现势性的要求。 航天遥感也是获取DEM数据的一种方式有些空间摄影系统如 SkyLab.S-190A和S 190B以及宽幅照相机,曾经进行过DEM数据获取的实验。由于从这些系统所摄像片上获取 的高程数据精度太低因此仅能作粗略勘测之用。另外从一些卫星扫描系统如 Landsat系列 卫星上的MSS和TM传感器及SPOT卫星上的立体扫描仪上所获取的遥感影像也能作为 DEM的数据来源,但从实验结果来看所获高程数据的相对精度和绝对精度都太低除可作某 种目的的勘测之用外,在生产实践上并没有太多的应用价值。但是,近年来出现的于涉雷达和 激光扫描仪等新型传感器数据被认为是快速获取高精度、高分辨率DEM最有希望的数据源 (如图21-1所示)。 2地形图 几乎世界上所有的国家都拥有地形图,这些地形图是DEM的另一主要数据源。对许多 发展中国家来说,这些数据源可能由于地形图覆盖范围不够或因地图高程数据的质量低下和 等高线信息的不足而比较欠缺。但对大多数发达国家和某些发展中国家比如中国来说其国
第二幸数字高程模型的数据获取 13 图211获取DEM数据的最新发展的一个例子 (a)实验地区的正射影像(b)根据激光扫捕得到的DEM产生的三维透视图