第二章数字高程模型的教据获取 全要素地形图 等高线版地形图 地图扫描 地图扫描 人机交互等高线矢量化 等高线自动矢量化 加測注记点 加测注记点 等高线高程赋值与检查 周边等高线地图的数据获取 构造三角网 内插DEM格网 DEM建库与刻盘 质量检测与元数据文件记录 图221由等高线地形图生成格网DEM的方法 表221DEM的采集方法及各自特性比较一览表 获取方式_DEM的精度速度成本更新程度 应用范围 地面测量 常高 时很高很困难小范围区域特别的工程项目 摄影测量比较高(∞m-m)比较快比较高周期性 大的工程项目国家范围内 的数据收集 立体遥惑 低很低很容区家在为全在内 GPS 比较高(cm-m)很快比较高容易 小范围特别的项目 地形图手扶比较低图上精度 跟踪数字化0.2-0.4m)/较耗时 低 国家范围内以及军事上的数据 地形图屏幕比较低(图上精 周期性采集中小比例尺地形图的数据 数字化度01-0.3m) 非常快|比较低 获取 非常高(cm 干涉雷达 很快非常高容易 高分辨率、各种范围
数字高程模型 (2)摄影测量是DEM重要的数据源,采用解析测图仪或经数字化改造的精密立体测图仪 在使用摄影测量方法对DEM的采集中仍占有很重要的地位。由于交互式数字摄影测量自动 化程度较高,并可顾及地形特征,同时生成的DEM精度也比较高,因此是进行数据库更新的 最有效的方式之一 (3)现有地形图是DEM的另一重要数据源,经过大量的实践证明,从等高线地形图生产 DEM的方法已经相当成熟,可以广泛应用于生产 (4)使用全球定位系统GPS激光扫描、于涉雷达等新型技术进行DEM数据采集是很有 发展前景的DEM采集方式,也不应当忽视。 (5)不论从何种数据源获取DEM数据在采集等高线或规则格网点的同时采集重要的地 形特征点线是保证DEM质量和提高作业效率的重要的措施。 (6)利用基于不规则三角网TIN的方法进行数据建模和随机栅格转换,是快速可靠地生 产高精度格网DEM切实可行的方案。 第三节采样的理论基础 l采样的理论背景 从理论上说,地表上的点维数为零没有大小,因此地表包含有无穷多的点。如果要获取 地表全部的几何信息,则需要量测无穷数量的点,从这一点来说,不论在理论上还是在实践上 要获取地表的全部信息都是不可能的。但从实践来看待定区域的地表信息可通过DEM的 重建完整表达出来。在大多数情况下,对一具体DEM项目来说,并不需要DEM表面所表达 出来的全部信息,只需量测表达相应地表所需要的数据点以达到一定的地形表面精度和可信 度即可。 现在的问题是,如何以有限的地面高程点来表达完整的地形表面。这个问题可以采样理 论为基础来解决。被广泛应用于数学统计学、工程学和其他相应学科的基本采样理论可表述 如下 如果对某一函数g(x)以间隔DX进行抽样,则函数高于12DX)的频率部分将不能 通过对采样数据的重建而恢复。 这就是说当采样间隔能使在函数g(x)中存在的最高频率中每周期取有两个样本时,则 根据采样数据可以完全恢复原函数g(x)。具体到地形建模,如果一地形剖面具有足够的长 度来表达局部地形,那么此剖面可用一系列正弦波和余弦波的和来表示。假设波的数量有限 那么对这组波束来说存在一最大频率值F,根据采样理论如果沿剖面以小于1/(2F)的间隔 抽样,则此地形剖面可由采样数据完全恢复。推而广之采样定理同样适用于决定相邻剖面之 间的采样间隔从而得以获取由DEM所表示的地形表面的足够信息。另一方面,如果地形剖
第二章数字高程樓型的数据获取 面的采样间隔是DX,那么波长小于2DX的地形信息将完全损失。因此,正如 Peucker(1972) 所指出的那样,“由采祥数据而获得的格网点信息仅仅能表述那些波长大于等于2倍采样间隔 的信息。 2基于不同观点的采样 DEM表面可被认为是由许多点排列而成的,对这些点如果从不同的角度进行观察,并根 据其与统计学几何学地图学等的内在联系,可形成不同的采样观点。根据这些不同的观点, 可以设计并评估不同的采样方法。归纳起来,有三种不同观点的采样方法基于统计学观点的 釆样、基于几何学观点的采样、基于特征的采样 以统计学的观点来看,DEM表面可以看作是点的特定集合(或称采样空间)对集合的采 样有随机和系统两种方法对集合的研究可转化为对采样数据的研究。在随机采样中对各 采样点以一定概率进行选择各点被选中的概率可各不相同。如果每一采样点被选取的概率 相同,则称简单随机采样。在系统规则)样中,以预先设定的方式确定采样点各采样点被 选取的概率都为100%。 从几何学观点来看,DEM表面可通过不同的几何结构来表示,这些结构按其自身性质可 分为规则和不规则两种形式而前者能再细分为一维结构和二维结构。用于数据点采样的不 规则结构比较典型的是不规则三角形或多边形。对规则结构来说如果在一维空间中表现出 规则的特征则对应的采样力法称剖面法或等高线法。二维规则结构通常是正方形或矩形,也 可能是一系列连续的等边三角形、六边形或其他规则的几何图形。 从基于特征的采样观点来看,DEM表面由有限数量的点组成每一点所包含的信息可能 因点在DEM表面上位置的不同而变化。以这种观点来研究模型表面上的点,可将所有DEM 表面上的点分为两组,一组由特征点(和线)组成,另一组则由随机点组成。特征点是指那种比 般地表点包含更多或更重要信息的地表点如山顶点、谷底点等;特征线是由特征点连接而 成的线条如山脊线、山谷线断裂线构造线等。特征点线不仅包含自身的坐标信息也隐含 地表达出了其自身周围特征的某些信息,更重要的是,如果对整个地表仅采集特征点线,仍可 获取地表的主要特征。从这个意义上说可将采样方法划分为选择采样和非选择采样两种方 法 3采样数据的属性 就DEM而言采样是一个确定在何处需要量测点的过程这个过程由两个参数决定:点 的分布(包括位置结构和点的密度。一般地,可将此两参数称为采样数据的采样属性。 3.1采样数据的分布 采样数据的分布通常由数据位置和结构来确定。位置可由地理坐标系统中的经纬度或格 网坐标系统中的东北向坐标决定。而结构则有较多的选择比如规则或矩形格网。对采样数
数字高程樸型 据分布结构的分类并无固定的方法,不同的人从不同的角度可以给出不同的分类。图2-3-1 给出了其中一种分类方法。 矩形格网 二维规则格网 正方形格网 剖面 维分布 等高线 数据分布 角形 特殊规则结构 六边形 链表结构 断裂线 随机分布 随机点 图231摄影测量采样数据的分布 规则二维数据由规则格网釆样或渐进采样生成其数据结构有矩形格网、正方形格网或由 前面两种数据形成的分层结构等,其中以正方形格网数据最为常用。分层结构数据由渐进采 样方法生成,可分解为普通的方格网数据。 数据采样时将某一轴(如X、Y或Z)固定便可产生在一维方向上规则的数据。若固定前 两轴(X或Y)之一对高程进行采集,则相应的方法称为剖面法。若将Z轴固定,也即固定高
第二章数字高程模型的数据获取 程值,对平面坐标进行采集,则对应的方法称等高线法。 至于其他一些特殊的规则结构如等边三角形或六边形,不管从哪一方面看,都没有剖面数 据或规则格网数据在实际中使用得如此广泛。 如前所述,数据结构可分为规则和不规则两个类别。规则结构已在前面提及,至于不规则 结构通常可将其分为两组,一组为随机数据,另一组为链状数据。随机数据指量测的数据点 呈随机分布没有任何特定的形式;链状数据没有规则的结构但它确实沿某一特征线(如断裂 线)分布。所有沿河流断裂线或地貌线等特征线采集的数据都可归于此类。实际上,这种数 据结构并非一独立的类型而是基于特征的一个补充。例如混合采样所产生的数据通常就是 链状数据与规则(矩形)格网数据的混合。 3.2数据密度 密度是采样数据的另一属性,可以由几种方式指定如相邻两点之间的距离、单元面积内 的点数、截止频率等。 相邻两采样点之间的距离通常称为采样间隔(或采样距离)。如果采样间隔随位置变化, 那么就应使用平均值来代替。通常采样间隔以一数字加单位组成,如20m。另一种在DEM 实践中可能使用的表示法以单位面积内的点数表示如每平方公里500点。 如果采样间隔从空间域转换到频率域,则可获得截止频率(采样数据所能表示的最高频 率)。从采样间隔也能从最高频率值获得这一点来说最高频率也能作为数据密度的一种量 度 第四节数字高程模型的生产项目设计 数字高程模型作为地球空间数据框架的基本内容,将一直是有关生产单位进行规模化生 产的主要任务之一。对于一个DEM项目最终目标是要经济、快速地生产满足一定精度要求 的DEM产品。换句话说,DEM的生产涉及三个基本问题即DEM的精度生产成本和效率, 而精度在大多数情况下是最重要的。在DEM生产中,首先数据源要有足够的精度和采样密 度;其次,表面重建的方法或算法要完美。然而,随着采样密度的增加,成本自然也会提高,还 会影响建模的效率因此从效率和经济的角度来看,采样点的数量应尽量减少。为了能更好地 完成DEM的生产任务,必须制定高效规范的生产工艺,这就是生产项目计划的主要内容。 1 DEMs生产技术设计 DEM生产技术设计一般包括以下一些基本内容 (1)项目情况妇总 确定项目的内容承担单位、负责人及项目所涉及的测区概况如测区范围、地貌水系概况 和地形类别等