數(shù)字高程模型教程

前言

數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）的概念由Miller于1958年提出，經(jīng)過40多年的發(fā)展，關(guān)于DEM的諸多基礎(chǔ)理論問題都得到了深入的研究，DEM以及基于DEM數(shù)字地形分析的理論與技術(shù)方法體系正在形成。作為地理信息系統(tǒng)地理數(shù)據(jù)庫中最為重要的空間信息資料和賴以進行地形分析的核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)，國家測繪部門將其作為國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（national spatial data infrastructure NSD建設(shè)的重要內(nèi)容之一。隨著全國多尺度DEM的相繼建立，其正在科學(xué)研究、生產(chǎn)與國防建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。在理論研究方面，DEM的不確定性、DEM的尺度效應(yīng)、DEM的地學(xué)分析、基于DEM的數(shù)據(jù)挖掘都取得了很大的突破。在應(yīng)用方面，也從一般的地形因子提取、支持三維漫游等簡單應(yīng)用向更多樣的形式、更廣泛的領(lǐng)域發(fā)展。可以說，在很多應(yīng)用者看來，DEM所代表的已經(jīng)不僅僅是一般的記錄海拔的空間數(shù)據(jù)，還包括一種空間分析的思路、一種地學(xué)處理的方法。近年來，高等院校有關(guān)專業(yè)，特別是自然地理學(xué)、地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)、地圖制圖與地理信息工程、攝影測量與遙感、大地測量學(xué)與測量工程等專業(yè)都紛紛將數(shù)字高程模型作為本科生、研究生的必修或選修課?，F(xiàn)在迫切需要在內(nèi)容上既強調(diào)基本概念與基本理論又融合最新研究成果、在方法上既注重培養(yǎng)學(xué)生基本能力又強化培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力的教材。南京師范大學(xué)地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)學(xué)科是國家重點學(xué)科，數(shù)字地形分析是該學(xué)科的重點研究方向之一。近年來，作者先后承擔了3項國家科技部“863”項目及6項國家自然科學(xué)基金課題的研究，還承擔了數(shù)字高程模型方面的本科生與研究生的教學(xué)工作。本書力求實現(xiàn)基礎(chǔ)理論與最新研究成果、科學(xué)性與實用性、系統(tǒng)性與可讀性的有機結(jié)合。全書由兩大部分構(gòu)成，共10章。第1～6章為DEM數(shù)據(jù)篇，著重介紹DEM的概念、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織與管理、建立與處理、可視化及數(shù)據(jù)的不確定性；第7～10章為DEM分析方法篇，通過抽象與提煉，將基于DEM的數(shù)字地形分析方法歸納為坡面地形因子的提取、特征地形要素的提取、DEM地形統(tǒng)計分析、DEM地學(xué)模型分析四種基本類型，并附以大量的例證，歸納出DEM地學(xué)分析的原理與方法。

內(nèi)容概要

DEM是地理數(shù)據(jù)庫中的核心數(shù)據(jù)，是進行地形分析的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于測繪、遙感以及資源、環(huán)境、城市規(guī)劃、農(nóng)林、災(zāi)害、水電工程、軍事等領(lǐng)域。本書系統(tǒng)介紹了DEM的基本概念、DEM的數(shù)據(jù)組織與管理、DEM數(shù)據(jù)獲取方法、DEM的建立與處理和DEM的可視化表達及精度分析等基本理論與關(guān)鍵技術(shù)；從坡面地形因子提取、特征地形要素提取、地形統(tǒng)計分析以及地學(xué)模型分析四個不同方面，闡述了DEM數(shù)字地形分析的基本理論與方法。全書每章都配有一定量的思考題與練習(xí)題，還配有教學(xué)課件及實驗數(shù)據(jù)光盤，便于學(xué)生復(fù)習(xí)與練習(xí)。    本書可作為高等院校地理、地質(zhì)、海洋、氣象、測繪、環(huán)保等專業(yè)本科生和研究生教材，也可供其他相關(guān)學(xué)科的各類專業(yè)技術(shù)人員閱讀參考。

書籍目錄

前言1  概論  1．1  地表形態(tài)表達：從模擬到數(shù)字  1．2  數(shù)字高程模型：概念與理解    1．2．1  數(shù)字高程模型的定義    1．2．2  數(shù)字高程模型的研究內(nèi)容    1．2．3  數(shù)字高程模型的類型    1．2．4  數(shù)字高程模型的特點  1．3  數(shù)字高程模型的信息特征：從DEM到DTM  1．4  數(shù)字高程模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能    1．4．1  DEM建立    1．4．2  DEM操作    1．4．3  DEM分析    1．4．4  DEM可視化    1．4．5  DEM應(yīng)用  1．5  數(shù)字高程模型與地理信息系統(tǒng)的關(guān)系  1．6  數(shù)字高程模型的應(yīng)用范疇與前景    1．6．1  科學(xué)研究應(yīng)用    1．6．2  商業(yè)應(yīng)用    1．6．3  工業(yè)、工程應(yīng)用    1．6．4  管理應(yīng)用    1．6．5  軍事應(yīng)用    1．6．6  數(shù)字地球應(yīng)用    1．6．7  DEM功能與應(yīng)用需求關(guān)系  思考及練習(xí)題2  DEM數(shù)據(jù)組織與管理  2．1  DEM數(shù)據(jù)模型    2．1．1  鑲嵌數(shù)據(jù)模型    2．1．2  規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型    2．1．3  不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型    2．1．4  特征嵌入式數(shù)據(jù)模型  2．2 DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    2．2．1  規(guī)則格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    2．2．2  不規(guī)則三角網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    2．2．3  格網(wǎng)與不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)    2．2．4  格網(wǎng)DEM與TIN的對比  2．3  DEM數(shù)據(jù)庫管理    2．3．1  DEM數(shù)據(jù)庫內(nèi)容    2．3．2  DEM數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)    2．3．3  DEM數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組織    2．3．4  DEM元數(shù)據(jù)    2．3．5  DEM數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能  思考及練習(xí)題3  DEM數(shù)據(jù)獲取方法  3．1  DEM數(shù)據(jù)源特征    3．1．1  地形圖數(shù)據(jù)及其特征    3．1．2  攝影測量／遙感影像數(shù)據(jù)及其特征    3．1．3  地面測量數(shù)據(jù)及其特征    3．1．4  既有DEM數(shù)據(jù)  3．2  DEM數(shù)據(jù)采樣理論基礎(chǔ)    3．2．1  地形曲面幾何特征    3．2．2  地形的復(fù)雜程度    3．2．3  地貌單元類型  3．3  DEM數(shù)據(jù)采樣策略與采樣方法    3．3．1  數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)源的三大屬性    3．3．2  采樣的布點原則    3．3．3  DEM數(shù)據(jù)采集方法    3．3．4  DEM數(shù)據(jù)采集方法的對比分析  3．4  DEM數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制    3．4．1  原始數(shù)據(jù)粗差檢測與剔除    3．4．2  原始數(shù)據(jù)的濾波處理  3．5  DEM數(shù)據(jù)共享和利用    3．5．1  我國DEM數(shù)據(jù)交換格式標準    3．5．2  我國不同比例尺DEM的特點    3．5．3  美國USGSDEM的特點    3．5．4  SRTM與ASTER-gdem數(shù)據(jù)的特點    思考及練習(xí)題4  格網(wǎng)DEM建立  4．1  從散點到連續(xù)表面    4．1．1  DEM地形表面重建的地理內(nèi)涵和數(shù)學(xué)機理    4．1．2  DEM質(zhì)量評價標準    4．1．3  DEM建立的一般步驟與方法  4．2  規(guī)則格網(wǎng)DEM建立的基本思路  4．3  DEM內(nèi)插數(shù)學(xué)模型    4．3．1  整體內(nèi)插    4．3．2  局部分塊內(nèi)插    4．3．3  逐點內(nèi)插法  4．4  DEM建立過程    4．4．1  基于不規(guī)則分布采樣點的DEM建立      4．4．2  基于規(guī)則格網(wǎng)分布采樣點的DEM建立    4．4．3  基于等高線分布采樣點的DEM建立    4．5  不規(guī)則三角網(wǎng)TIN的基本概念    4．5．1  TIN的概念    4．5．2  TIN的基本元素    4．5．3  數(shù)據(jù)和TIN的類型    4．5．4  TIN的三角剖分準則  4．6  TIN與DEM之間的相互轉(zhuǎn)換    4．6．1  Grici至等高線和TIN至等高線的轉(zhuǎn)換    4．6．2  TIN至Grid和等高線至Grid轉(zhuǎn)換    4．6．3  Grid至TIN和等高線至TIN的轉(zhuǎn)換    思考及練習(xí)題5  DEM的可視化表達  5．1  概述    5．1．1  地形可視化概念    5．1．2  地形可視化表達的基本類型  5．2  地形一維可視化表達  5．3  地形二維可視化表達    5．3．1  等高線法    5．3．2  明暗等高線法    5．3．3  分層設(shè)色法    5．3．4  地形暈渲法  5．4  地形三維可視化表達    5．4．1  立體等高線模型      5．4．2  三維線框透視模型    5．4．3  地形三維表面模型  5．5  地形三維景觀模型    5．5．1  紋理映射概述    5．5．2  基于分形的地形三維景觀    5．5．3  基于紋理映射算法的地形三維景觀    5．5．4  基于遙感、航空影像的地形三維景觀    5．5．5  基于地物疊加的DEM可視化    5．5．6  基于虛擬現(xiàn)實的地形三維可視化    5．6  地形場景漫游與動畫    思考及練習(xí)題6  DEM精度分析  6．1  DEM的誤差源與誤差分類    6．1．1  誤差、精度與不確定性    6．1．2  DEM誤差源分析    6．1．3  DEM誤差分類體系  6．2  DEM精度描述指標和精度體系    6．2．1  DEM精度的數(shù)學(xué)模型    6．2．2  常用DEM精度描述指標  6．3  DEM精度評定方法和精度模型    6．3．1  檢查點法和DEM盧誤差模型    6．3．2  逼近分析和地形描述誤差    6．3．3  等高線套合分析和DEM定性評價模型    6．3．4  實驗方法和DEM經(jīng)驗?zāi)Ｐ?   6．3．5  理論分析與理論模型  6．4  DEM精度模型分析    6．4．1  基于等高線數(shù)據(jù)的DEM精度分析    6．4．2  基于格網(wǎng)數(shù)據(jù)的DEM精度分析  6．5  DEM地形描述誤差分析    思考及練習(xí)題7  坡面地形因子提取  7．1  概述    7．1．1  坡面因子的分類及提取方法    7．1．2  坡面因子提取的算法基礎(chǔ)    7．1．3  坡面因子提取常用的分析窗口  7．2  坡度、坡向    7．2．1  坡度的提取    7．2．2  坡向的提取  7．3  坡形    7．3．1  宏觀坡形因子    7．3．2  地面曲率因子    7．3．3  地面變率因子  7．4  坡長  7．5  坡位  7．6  坡面復(fù)雜度因子    7．6．1  地形起伏度    7．6．2  地表粗糙度    7．6．3  地表切割深度    7．6．4  高程變異系數(shù)    7．6．5  實際應(yīng)用例證    思考及練習(xí)題8  特征地形要素的提取  8．1  地形特征點的提取  8．2  山脊線、山谷線的提取    8．2．1  谷脊特征線提取方法概述    8．2．2  基于規(guī)則格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)提取山脊與山谷線的典型算法  8．3  溝沿線的提取  8．4  水系的提取    8．4．1  水系提取概述    8．4．2  基于地表徑流漫流模型的水系提取算法  8．5  流域的提取  8．6  可視性分析    8．6．1  判斷兩點之間的可視性的算法    8．6．2  計算可視域的算法    8．6．3  可視性分析最基本的用途    思考及練習(xí)題9  DEM的地形統(tǒng)計分析  9．1  概述  9．2  基本統(tǒng)計量    9．2．1  代表數(shù)據(jù)集中趨勢的統(tǒng)計量    9．2．2  代表數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計量    9．2．3  代表數(shù)據(jù)分布形態(tài)的統(tǒng)計量    9．2．4  其他統(tǒng)計量  9．3  分級統(tǒng)計分析    9．3．1  分級的概念與目的    9．3．2  分級的原則    9．3．3  分級統(tǒng)計的方法  9．4  相關(guān)分析    9．4．1  空間自相關(guān)    9．4．2  地形因子相關(guān)分析  9．5  回歸分析    9．5．1  直接利用DEM數(shù)據(jù)的回歸    9．5．2  地形因子參與的回歸    9．5．3  地形因子與非地形因子的回歸  9．6  趨勢面分析  9．7  系統(tǒng)聚類分析  思考及練習(xí)題10  DEM的地學(xué)模型分析  10．1  概述    10．1．1  地學(xué)模型的類型和特點      10．1．2  地學(xué)模型中引人DEM的必要性    10．1．3  基于DEM的地學(xué)模型分析方法  10．2  DEM模型分析    10．2．1  DEM直接建模    10．2．2  DEM多信息復(fù)合建模  10．3  DEM輔助模型分析    10．3．1  DEM直接應(yīng)用    10．3．2  DEM擴展應(yīng)用  思考及練習(xí)題主要參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：合成孔徑雷達攝圖，能使導(dǎo)彈擊中隱蔽和偽裝的目標。合成孔徑雷達還用于深空探測，如用合成孔徑雷達探測月球、金星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。2）機載激光掃描數(shù)據(jù)采集  機載激光掃描系統(tǒng)往往又稱為機載激光雷達UDAR。激光掃描不需要反光鏡，還可以被看到，而且也很少受氣候條件影響，測量精度高，因此，機載激光掃描成為測繪困難地區(qū)（如密集的城區(qū)、森林地區(qū)）和物體（電力線等）的新興技術(shù)。機載激光掃描系統(tǒng)主要包括以下部分：激光測距儀LRF（1aser range finder）、控制在線數(shù)據(jù)采集的計算機系統(tǒng)、測距數(shù)據(jù)儲存、GPS／INS和可能的影像數(shù)據(jù)的介質(zhì)、掃描器、GPS／INS定位與姿態(tài)測定系統(tǒng)、平臺和固定設(shè)備、地面GPS參考站、任務(wù)計劃和后處理軟件、GPS導(dǎo)航、其他選件（如CCD相機等）。圖3.9顯示了車載三維激光掃描系統(tǒng)的基本組成。機載激光掃描的工作原理主要是利用主動遙感的原理，機載激光掃描系統(tǒng)發(fā)射出激光信號，經(jīng)由地面反射后到系統(tǒng)的接收器，通過計算發(fā)射信號和反射信號之間的相位差或時間差，來得到地面的地形信息。對獲得的激光掃描數(shù)據(jù)，利用其他大地控制信息將其轉(zhuǎn)換到局部參考坐標系統(tǒng)即得到局部坐標系統(tǒng)中的三維坐標數(shù)據(jù)。再通過濾波、分類等剔除不需要的數(shù)據(jù)，就可以進行建模了。對三維坐標數(shù)據(jù)進行濾波處理就可以得到DEM數(shù)據(jù)。利用激光掃描生成的數(shù)字表面模型的高程精度可以達到10cm，空間分辨率可以達到1m，可以滿足房屋檢測等高精度數(shù)據(jù)的需要。

編輯推薦

《數(shù)字高程模型教程(第2版)》編輯推薦：科學(xué)性與實用性有機結(jié)合，系統(tǒng)性與可讀性有機結(jié)合，基礎(chǔ)理論與最新研究成果有機結(jié)合，深入淺出。循序漸進，兼顧教師教學(xué)與學(xué)生自學(xué)。

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