1、數(shù)字地面模型原理及應(yīng)用課程復(fù)習(xí)大綱第一講概論1. 熟練掌握地圖表達(dá)地表形態(tài)的內(nèi)容和基本特點(diǎn)；掌握等高線地形圖的特性；A 對(duì)客觀存在的特征和變化規(guī)則的一種科學(xué)的概括（綜合）和抽象。基本特性：可量測(cè)性Z數(shù)學(xué)法則；一覽性Z制圖綜合；直觀性Z內(nèi)容符號(hào)。B 等高線地形圖：用來(lái)準(zhǔn)確描述地貌形態(tài)的地圖。特點(diǎn)：所有的地形信息都正交地投影在水平面上；用線化和符號(hào)表示縮小后的地物；地物高度和地形起伏信息有選擇性的用等高線進(jìn)行表達(dá)。2. 熟練掌握影像表達(dá)地表形態(tài)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)；特點(diǎn)：周期短；覆蓋面廣；現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)；能夠重建實(shí)際地形的立體模型；能夠進(jìn)行精確的三維量測(cè)優(yōu)勢(shì)：細(xì)節(jié)豐富；成像快速；直觀逼真；3. 熟練掌握模型的概

2、念；熟練掌握模型的層次；模型：用來(lái)表現(xiàn)其它事物的一個(gè)對(duì)象或概念，是按比例縮減并轉(zhuǎn)變到我們能夠理解的形式的事物本體。模型的層次：建模的初級(jí)階段：概念模型（基于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)在大腦中形成的關(guān)于狀況或?qū)ο蟮哪Ｐ汀＃M的模型：物質(zhì)模型，基于數(shù)字系統(tǒng)的定量模型：數(shù)學(xué)模型（根據(jù)問(wèn)題的確定性和隨機(jī)性可分為函數(shù)模型和隨機(jī)模型。）。4. 熟練掌握數(shù)字高程模型的概念；掌握數(shù)字高程模型的分類體系；熟練掌握數(shù)字高程模型的特點(diǎn)；概念：通過(guò)有限的地形高程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地形曲面的數(shù)字化模擬，或者說(shuō)是地形表面形態(tài)的數(shù)字化表示。狹義概念：DEM是區(qū)域地表面海拔高程的數(shù)字化表達(dá)。廣義概念：DEM是地理空間中地理對(duì)象表面海拔高

3、度的數(shù)字化表達(dá)。數(shù)學(xué)上的：DEM是定義在二維空間上的連續(xù)函數(shù)H=f(x,y)，即區(qū)域D的采樣點(diǎn)或內(nèi)插點(diǎn)Pj按某種規(guī)則連接成的面片M的集合數(shù)字高程模型的研究?jī)?nèi)容：地形數(shù)據(jù)采集；地形建模與內(nèi)插；數(shù)據(jù)組織與管理；地形分析與地學(xué)應(yīng)用；DEM可視化；不確定性分析和表達(dá)。數(shù)字高程模型分類體系：特點(diǎn)：精度的恒定性；表達(dá)的多樣性；更新的實(shí)時(shí)性；尺度的綜合性。5. 熟練掌握數(shù)字高程模型與數(shù)字地面模型的聯(lián)系與區(qū)別；數(shù)字地面模型：描述地球表面形態(tài)多種信息空間分布的有序數(shù)值陣列。數(shù)字地面模型是對(duì)某一種或多種地面特性空間分布的數(shù)字描述，是疊加在二維地理空間上的一維或多維地面特性向量空間，是地理信息系統(tǒng)（GIS）空間數(shù)據(jù)

4、庫(kù)的某類實(shí)體或所有這些實(shí)體的總和。數(shù)字地面模型的本質(zhì)共性是二維地理空間定位和數(shù)字描述。所有數(shù)字地面模型所包含的任何一個(gè)可轉(zhuǎn)換為數(shù)字的地面特性數(shù)據(jù)，都與特定的二維地理坐標(biāo)值相結(jié)合。數(shù)字地面模型所包含的地面信息類型（GIS）：地貌信息；基本地物信息；主要的自然資源和環(huán)境信息；主要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息6. 熟練掌握地形高程數(shù)據(jù)的獲取方法；地形圖數(shù)字化：主要數(shù)據(jù)源，可通過(guò)手工數(shù)字化、半自動(dòng)等高線跟蹤、掃描數(shù)字化等方式實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)：包括航空影像和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，是大范圍、高精度、高分辨率DEM建立的最有價(jià)值的數(shù)據(jù)源野外（地面測(cè)量）：可獲得最精確的高程和平面數(shù)據(jù)，但工作量大、周期長(zhǎng)、成本高第二講 DEM數(shù)據(jù)組織與

5、管理1. 掌握空間數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)的基本原則；1) 適用性：滿足主要用戶的需求，并充分兼顧潛在用戶的需求；2) 運(yùn)行性：快速顯示和查詢，保持正常運(yùn)行，可以及時(shí)提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品；3) 更新性：能對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、修改和刪除，方便地?cái)U(kuò)充和進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；4) 相關(guān)性：保證與其它基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的相關(guān)性，使數(shù)據(jù)庫(kù)在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、坐標(biāo)系統(tǒng)以及產(chǎn)品一致性方面相關(guān)；5) 相容性：與其它數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)兼容，可以共享或相互交換數(shù)據(jù)；6) 先進(jìn)性：采用科學(xué)的技術(shù)手段，使系統(tǒng)保持一定的先進(jìn)性；7) 高質(zhì)量：與原始資料一致，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范；8) 完備性：除了基本的數(shù)據(jù)體外，有完備的元數(shù)據(jù)內(nèi)容；9) 安全性：有嚴(yán)

6、密的權(quán)限控制機(jī)制。2. 熟練掌握鑲嵌數(shù)據(jù)模型的概念和基本思想；掌握鑲嵌數(shù)據(jù)模型的基本原理和構(gòu)造方法；概念：基本思想：空間對(duì)象可用相互連接在一起的網(wǎng)絡(luò)來(lái)覆蓋和逼近，或者說(shuō)用在二維區(qū)域上的網(wǎng)絡(luò)劃分來(lái)覆蓋整個(gè)區(qū)域。基本原理：用規(guī)則的小面塊集合來(lái)逼近不規(guī)則分布的地形曲面。結(jié)構(gòu)方法：用數(shù)學(xué)手段將研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，把連續(xù)的地理空間離散為互不覆蓋的網(wǎng)格，然后對(duì)網(wǎng)格單元附加相應(yīng)的屬性信息。3. 熟練掌握規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)；優(yōu)點(diǎn)：A 其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為二維矩陣結(jié)構(gòu)，格網(wǎng)單元表示二維空間位置，利用數(shù)學(xué)公式訪問(wèn)方便，算法多且成熟；B 具有隱式坐標(biāo)，不需要進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)字化。缺點(diǎn)：不管地形變化復(fù)雜還是簡(jiǎn)單，均采用

7、相同的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余而給數(shù)據(jù)管理帶來(lái)不便。4. 熟練掌握行程編碼結(jié)構(gòu)的基本思路；掌握塊狀編碼結(jié)構(gòu)的基本原理；熟練掌握四叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本思想；行程編碼結(jié)構(gòu)的基本思路：對(duì)于一幅DEM，常常在行（或列）方向上相鄰的若干點(diǎn)具有相同的高程值，因而從第一列開(kāi)始，在格網(wǎng)單元數(shù)值發(fā)生變化時(shí)依次紀(jì)錄該值以及重復(fù)的個(gè)數(shù)，應(yīng)用時(shí)可利用重復(fù)個(gè)數(shù)恢復(fù)DEM矩陣。塊狀編碼結(jié)構(gòu)的基本原理：行程編碼方案從一維到二維的擴(kuò)展，采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個(gè)記錄單元包括相鄰的若干柵格。四叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本思想：首先把一幅圖象或一幅柵格地圖(2n×2n，n1)等分成4部分，逐塊檢查其柵格值，若每個(gè)子區(qū)中所有柵格都含有

8、相同值，則該子區(qū)不再往下分割，否則，將該區(qū)域再分割成4個(gè)子區(qū)域，如此遞歸地分割，直到每個(gè)子塊都含有相同的灰度或?qū)傩灾禐橹梗Q為自上往下(Top to Down)的四叉樹(shù) 。四叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)：把原來(lái)大小相等的柵格集合轉(zhuǎn)變成大小不等的正方形集合，并對(duì)不同尺寸和位置的正方形集合賦予一個(gè)位置碼。熟練掌握規(guī)則格網(wǎng)DEM與不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間優(yōu)缺點(diǎn)比較，并熟練掌握模型采用何種結(jié)構(gòu)主要考慮的因素；5. 熟練掌握元數(shù)據(jù)的概念；掌握DEM元數(shù)據(jù)的基本作用。第三講 DEM數(shù)據(jù)獲取方法1. 掌握坡度的概念和計(jì)算方法；坡度：表示地表面在該點(diǎn)傾斜程度的一個(gè)量。基于矢量數(shù)據(jù)的算法：坡度=arctan(h*

9、L/P) (P為測(cè)區(qū)面積，l是測(cè)區(qū)等高線長(zhǎng)度，h是等高距。)2. 熟練掌握DEM數(shù)據(jù)源的三大屬性；數(shù)據(jù)分布:指采樣數(shù)據(jù)位置及分布數(shù)據(jù)密度:指采樣數(shù)據(jù)的密集程度，與研究區(qū)域的地貌類型和地形復(fù)雜程度相關(guān).(采樣間隔、單位面積內(nèi)的點(diǎn)數(shù)、單位線段上的采樣點(diǎn)數(shù)、截止頻率)數(shù)據(jù)精度：與數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)采集的儀器密切相關(guān)。3. 熟練掌握采樣的理論背景；理論背景：地表包含無(wú)窮多的點(diǎn)；特定區(qū)域的地表信息可通過(guò)DEM的重建完整表達(dá)出來(lái)；只需要測(cè)量表達(dá)相應(yīng)地表所需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)以達(dá)到一定的地形表面精度和可信度即可。 4. 熟練掌握基本的采樣方法；1) 沿等高線采樣在模型上沿等高線采集高程點(diǎn)，可按等距離間隔記錄

10、數(shù)據(jù)或按等時(shí)間間隔記錄數(shù)據(jù)方式進(jìn)行，適合于地形復(fù)雜及陡峭地區(qū)；2) 規(guī)則格網(wǎng)采樣通過(guò)規(guī)定X和Y軸方向的間距來(lái)形成平面格網(wǎng)，在立體模型上量測(cè)這些格網(wǎng)點(diǎn)的高程。方法簡(jiǎn)單、精度較高、作業(yè)效率也較高；特征點(diǎn)可能丟失；3) 剖面法采樣方法類似規(guī)則格網(wǎng)采樣，區(qū)別在于格網(wǎng)法中量測(cè)點(diǎn)是在格網(wǎng)的兩個(gè)方向上都規(guī)則采樣，而剖面線法只沿一個(gè)方向即剖面方向采樣；其采樣速度優(yōu)于格網(wǎng)采樣，但精度較格網(wǎng)采樣低；4) 漸進(jìn)采樣法先按預(yù)定的比較稀疏的間隔進(jìn)行采樣，獲得一個(gè)較稀疏的格網(wǎng)，然后分析是否需要對(duì)格網(wǎng)加密；5) 選擇性采樣為了準(zhǔn)確反映地形信息，根據(jù)地形特征進(jìn)行的選擇性采樣。突出優(yōu)點(diǎn)在于只需少量的點(diǎn)便能使其所代表的地面具有足

11、夠的可信度；6) 混合采樣選擇采樣與規(guī)則格網(wǎng)采樣或選擇采樣與漸進(jìn)采樣相結(jié)合，在地形突變處以選擇采樣的方式進(jìn)行，然后將這些特征線和另外一些特征點(diǎn)加入到規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)中。具有格則格網(wǎng)采樣與漸進(jìn)采樣的優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理與應(yīng)用均較復(fù)雜。5. 熟練掌握DEM原始數(shù)據(jù)粗差處理的特殊性。不存在平差問(wèn)題；粗差大小難于界定；DEM不但強(qiáng)調(diào)高程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，更為重要的是還要強(qiáng)調(diào)對(duì)地形表達(dá)的真實(shí)性，故DEM原始數(shù)據(jù)粗差探查要從單個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)、局部地形和整體區(qū)域三方面綜合考慮第四講 DEM內(nèi)插1. 熟練掌握DEM內(nèi)插的概念：根據(jù)相鄰若干參考點(diǎn)高程值求出待定點(diǎn)高程值。2. 熟練掌握必須進(jìn)行DEM內(nèi)插的情況；A. 現(xiàn)有的

12、離散點(diǎn)的分辨率與所要求的不符，需要重新插值；B. 現(xiàn)有的連續(xù)曲面的數(shù)據(jù)模型與所需的數(shù)據(jù)模型不符，需要重新插值；C. 現(xiàn)有的數(shù)據(jù)不能完全覆蓋所要求的區(qū)域范圍，需要插值。3. 熟練掌握DEM的本質(zhì)；DEM的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)分片的曲面（平面）模型，無(wú)論是DEM建立還是DEM點(diǎn)的高程內(nèi)插，一般都是在局部范圍進(jìn)行。4. 熟練掌握DEM內(nèi)插的基本原理和方法分類；DEM內(nèi)插的基本原理：1. 任意一種內(nèi)插方法都是基于原始地形起伏變化的連續(xù)光滑性，或者說(shuō)鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)間有很大的相關(guān)性才可能由鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)插出待定點(diǎn)的高程；2. 對(duì)高程點(diǎn)的位置變換和加密處理，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是二元函數(shù)逼近，即利用已知地形采樣點(diǎn)集的三維空間數(shù)

13、據(jù)坐標(biāo)，展鋪一張連續(xù)的數(shù)學(xué)曲面，將任一待求點(diǎn)的平面坐標(biāo)代入曲面方程，可求得該點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)。DEM內(nèi)插的方法分類：a) 整體內(nèi)插：在整個(gè)區(qū)域用一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)表達(dá)地形曲面。b) 分塊內(nèi)插：將地形區(qū)域按一定的方法進(jìn)行分塊，對(duì)每一塊根據(jù)地形曲面特征單獨(dú)進(jìn)行曲面擬合和高程內(nèi)插。c) 逐點(diǎn)內(nèi)插法：以內(nèi)插點(diǎn)為中心，確定一個(gè)鄰域范圍，用落在鄰域范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)計(jì)算內(nèi)插點(diǎn)的高程值。熟練掌握逐點(diǎn)內(nèi)插法的基本概念和原理；掌握逐點(diǎn)內(nèi)插法的基本步驟；概念：以內(nèi)插點(diǎn)為中心，確定一個(gè)鄰域范圍，用落在鄰域范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)計(jì)算內(nèi)插點(diǎn)的高程值。原理：基本步驟：定義內(nèi)插點(diǎn)的鄰域范圍；確定落在鄰域內(nèi)的采樣點(diǎn)；選定內(nèi)插數(shù)學(xué)模型；通過(guò)鄰域內(nèi)

14、的采樣點(diǎn)和內(nèi)插數(shù)學(xué)模型計(jì)算內(nèi)插點(diǎn)的高程。掌握整體內(nèi)插、分塊內(nèi)插、逐點(diǎn)內(nèi)插和剖分內(nèi)插的優(yōu)缺點(diǎn)比較。第五講不規(guī)則三角網(wǎng)TIN的建立1. 熟練掌握基于不規(guī)則三角網(wǎng)的數(shù)字高程模型的概念；基于不規(guī)則三角網(wǎng)的數(shù)字高程模型（TIN）是指用一系列不交叉、互不重疊的連接在一起的三角形來(lái)表示地形表面。2. 掌握TIN的基本元素；3. 熟練掌握TIN模型中三角形幾何形狀的基本原則；1) 盡量接近正三角形；2) 保證最近的點(diǎn)形成三角形；3) 三角形網(wǎng)絡(luò)唯一。(在同一準(zhǔn)則下，由不同的位置開(kāi)始建立三角形網(wǎng)絡(luò)，其最終的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)是相同的。)4. 掌握常用的三角剖分準(zhǔn)則，熟練掌握空外接圓準(zhǔn)則；三角剖分準(zhǔn)則p 空外接圓準(zhǔn)則在

15、TIN中，過(guò)每個(gè)三角形的外接圓均不包含點(diǎn)集的其余任何點(diǎn)。p 最大最小角準(zhǔn)則在兩相鄰三角形形成的凸四邊形中，這兩三角形中的最小內(nèi)角一定大于交換凸四邊形對(duì)角線后所形成的兩三角形的最小內(nèi)角。p 最短距離和準(zhǔn)則在TIN中，一點(diǎn)到基邊兩端的距離和為最小。p 張角最大準(zhǔn)則一點(diǎn)到基邊的張角為最大。p 面積比準(zhǔn)則三角形內(nèi)切圓面積與三角形面積或三角形面積與周長(zhǎng)平方之比最小。p 對(duì)角線準(zhǔn)則兩三角形組成的凸四邊形的兩條對(duì)角線之比超過(guò)給定限定值時(shí)，對(duì)三角形進(jìn)行優(yōu)化。理論上可以證明：張角最大準(zhǔn)則、空外接圓準(zhǔn)則及最大最小角準(zhǔn)則是等價(jià)的。5. 掌握Delaunay三角網(wǎng)的概念和特性；熟練掌握局部?jī)?yōu)化過(guò)程(LOP)的概念和基本思想；Delaunay三角網(wǎng):指在空外接圓準(zhǔn)則、最大最小角準(zhǔn)則下進(jìn)行的三角剖分，簡(jiǎn)稱DT