《DEM数据获取》PPT课件.ppt
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1、第三章 DEM数据获取方法,内容提纲,3.1 DEM数据源及特征,3.1.2 DEM数据源特征,(1)遥感图像,遥感:源于航空摄影测量,是一种利用地物反射或辐射电磁波的固有特性,通过观测电磁波,识别地物及其存在环境的技术。当前的遥感技术已经发展成为一种多平台、多波段、多分辨率和全天候的对地观测技术,并正朝着高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率的方向发展。高光谱分辨率:在紫外到中红外波段范围内,划分成许多非常窄且光谱连续的波段来进行探测的遥感系统。国际遥感界的共识是光谱分辨率在/10数量级范围的称为多光谱(Multispectral),这样的遥感器在可见光和近红外光谱区只有几个波段,如美国
2、LandsatMSS,TM,法国的SPOT等;而光谱分辨率在/100的遥感信息称之为高光谱遥感(HyPerspectral);随着遥感光谱分辨率的进一步提高,在达到/1000时,遥感即进入超高光谱(ultraspeetral)阶段(陈述彭等,1998)。,遥感数据的不确定性来源数据固有的不确定性数据获取过程的不确定性数据处理的不确定性数据转换和传输中的不确定性数据分类和信息提取中的不确定性,IKONOS(伊科诺斯)卫星于1999年9月24日发射成功,是世界上第一颗提供高分辨率卫星影像的商业遥感卫星。IKONOS卫星的成功发射不仅实现了提供高清晰度且分辨率达1米的卫星影像,而且开拓了一个新的更快
3、捷、更经济获得最新基础地理信息的途径,更创立了崭新的商业化卫星影像的标准。IKONOS是可采集1米分辨率全色和4米分辨率多光谱影像的商业卫星,同时全色和多光谱影像可融合成1米分辨率的彩色影像。目前,IKONOS已采集超过2.5亿Km2涉及每个大洲的影像,许多影像被广泛用于国家防御,军队制图,海空运输等领域。从681千米高度的轨道上,IKONOS的重访周期为3天,并且可从卫星直接向全球12个地面站地传输数据。全色波段(Panchromatic band),因为是单波段,在图上显示是灰度图片。全色遥感影象一般空间分辨率高,但无法显示地物色彩。实际操作中,我们经常将之与波段影象融合处理,得到既有全色
4、影象的高分辨率,又有多波段影象的彩色信息的影象。,ASTER搭载在Terra卫星上的星载热量散发和反辐射仪,是于1999年12月18日发射升空的,由日本国际贸易和工业部制造。ASTER是唯一一部高分辨解析地表图像的传感器,其主要任务是通过14个频道获取整个地表的高分辨解析图像数据黑白立体照片。在4到16天之内,当ASTER重新扫描到同一地区,它具有重复覆盖地球表面变化区域的能力。,定义:地形图(topographic map)指的是地表起伏形态和地物位置、形状在水平面上的投影图。具体来讲,将地面上的地物和地貌按水平投影的方法,并按一定的比例尺缩绘到图纸上,这种图称为地形图。特点:(1)具有统一
5、的大地坐标系统和高程系统:统一采用“1980年中国国家大地坐标系”和“1985国家高程基准”。以参考椭球中心为原点、起始子午面和赤道面为基准面的地球坐标系。(2)具有完整的比例尺系列和分幅编号系统:国家基本地形图含1:5千、1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万、1:100万8种比例尺地形图。国家基本地形图,按统一规定的经差和纬差进行分幅,每幅图的内图廓皆由经线和纬线构成,并在国际百万分之一地图分幅编号的基础上,建立了各级比例尺地形图的图幅编号系统。,(2)地形图,我国地形图比例尺系列及其特征,缺点:,1)地形图现势性较差:纸质地形图制作工艺复杂,更新周期比较长,
6、一般不及时反映局部地形地貌的变化情况。这种情况在经济发达地区的表现尤为明显,但对于地形地貌变化较小的地区,既有地形图是DEM物美价廉的数据源。2)地形图存储介质单一,容易变形:传统地形图多为纸质存储介质,存放环境(温度、湿度等)导致地形图图幅产生不同程度的变形,这种变形表现在不同方向上的长度变形和图幅面积上的变形。3)地形图精度有限:地形图精度决定着地形图对实际地形表达的可信度,与地形图比例尺、等高线密度(由等高距表示)、成图方法有关。不同比例尺的地形图,其所表示的几何精度和内容详细程度有很大的差别。,原理:用GPS,全站仪、经纬仪在已知站点的测站上,观测目标点的方向、距离和高差三个参数,进而
7、计算出目标点的三维坐标。在经过适当的转换获得高程。,(3)地面测量数据,优点:可获取较高精度的高程数据不足:工作量大、周期长、更新困难,费用高。,我国到目前为止,已经建成了覆盖全国范围的1:100万、1:25万、1:5万数字高程模型,以及七大江河重点防洪区的1:1万DEM,省级1:1万数字高程模型的建库工作也已全面展开。对已存在的各种分辨率的DEM数据,应用时要考虑自身的研究目的以及DEM分辨率、存储格式、数据精度和可信度等因素。,(4)既有DEM数据,七大江河:海河、辽河、黄河、淮河、松花江、长江、珠江,3.2DEM数据采样理论基础,DEM-实际地形表面的再现-可信程度-原始地形采样点的分布
8、和密度DEM数据采样要求:深入了解地形表面结构特征和地形复杂程度,正确选择地形特征点和线,合理分布采样点。,3.2.1 采样的理论背景理论上:点0维,无大小,地表全部几何信息包含无数个点,不可能获取地表全部信息。实践上:不需要DEM表达全部信息,测量表达相应地表所需要的数据点,达到地形表面精度和可信度即可。DEM采样的实质是如何用有限的地面高程点来表达完整的地形表面。,3.2.2 基于不同观点的采样(1)统计学观点:DEM表面可以看作是点的特定集合(采样空间)有随机采样和系统采样两种方法。因此,对特定集合的研究可以转化为对采样数据的研究。随机采样:对各采样点以一定概率进行选择,各点被选中的概率
9、各不相同(若概率相同则为简单随机采样)。系统采样:也称规则采样,以预先设定的方式(如谷底线取高程最小的特征点)确定采样点,各采样点被选取的概率为100%。,(2)几何学观点:DEM表面通过不同的几何结构来表示,这些结构按其自身的性质可分为规则和不规则两种形式。规则结构据其在空间表现可分为:一维结构:对应的采样方法为剖面法或等高线法。二维结构:通常为正方形或矩形、等边三角形、六边形或其他规则几何图形。不规则结构:不规则三角形或多边形。,(3)基于特征的采样观点(地形曲面的几何特征)形态各异的地形表面通过具有特征意义的点和线划分为一系列单一的地貌形态。点和线具有不同的地形信息。特征要素:地形特征点
10、和特征线特征点:山顶、洼地、鞍部、山脚点、山脊点、山谷点等。不仅能表示出自己的高程信息,还能给周围点更多的地形信息。特征线:山脊线、山谷线、断裂线(陡坎、海岸线、水涯线等)将特征点相连形成。,坡度变化点:在地形剖面上反映了地形的坡度变化趋势陡缓坡的变化。方向变化点:在平面上刻划着地形特征线的走势变化正负坡的变化。非特征要素:是分布在各个地形单元上的点和线,是为满足采样点密度要求而加测的点,这些点线主要是用来辅助地形重建(地形测图中的辅助等高线勾绘等)。,(实线为山脊线,虚线为山谷线,三角形表示山顶,小圆为鞍部,正方形为方向变化点和坡度变化点),(4)地形的复杂程度 地形曲面的复杂程度是地形数据
11、采样时必须考虑的又一个因素。关于地形的复杂程度可以用粗糙度和不规则性来描述。,通过坡度可以完整的形成地形曲面。坡度是地形曲面函数的一阶微分函数,表达了高程随距离变化的比率。坡度的变率是地形曲面的二阶微分,反映了地形的复杂程度。区域DEM高程精度与平均坡度值之间存在较强相关,通过模型的平均坡度可预测DEM的精度。坡度通过相互垂直的两个坐标轴方向的高程变化表达地形曲面局部单元的倾斜程度(地表的陡峭方向和大小)。,(5)地貌单元类型 不同行业对地貌类型的划分标准不一样,如地貌学中根据地貌成因将地形划分成黄土地貌、风成地貌、喀斯特地貌、丹霞地貌等类型。不同的地貌类型划分对DEM数据采集有一定的指导意义
12、,如黄土地貌破碎,要分布较多的采样点,而平原地区高程数据的精度要求比较高(对坡向、流域网络影响比其他地区要大)。,测绘学中一般根据地表坡度和高差对地形进行分类,并根据这种分类确定地形图的等高距(表),3.2.3 采样数据的属性采样:确定在何处需要测量点的过程,这个过程有三个参数。决定:点的分布、点的密度和点的精度。(1)采样数据的分布:由数据位置和结构来确定,指数据点的分布形态。位置由地理坐标系统中经纬度或格网坐标系统中坐标决定。结构(分布)的形式很多,因地形特征、设备、应用的不同而不同。结构(或分布)的类别之间没有明显的界限和标准,实际采样时相互之间很多时候是重叠的。,(2)数据的密度:是指
13、采样数据密集程度,与研究区域的地貌类型和地形复杂程度相关。用于刻画地形形态所必须的最少的数据点。表示方法:相邻的两点之间的距离、单元面积内的点数、截止频率(采样数据所能表示的最高频率)、单位线段上的点数等。采样距离:相邻两采样点之间的距离,也称采样间隔。采样距离为20米,表示规则格网分布的采样数据。每平方米500点,描述随机分布的采样数据。单位线段上的点数,每米2点,描述数据分布是沿等高线或特征线等线状分布采样点。,(3)数据的精度:是指数据点本身所具有的精确度,是数据获取过程中各种不同类型误差的综合反映。采样数据精度与数据源、数据的采集方法和数据采集的仪器密切相关。野外测量、影像、地形图扫描
14、的精度从高到低。激光扫描、干涉雷达的精度是非常高的。摄影测量比GPS的精度要高,达到厘米级。地形图的手扶跟踪和扫描矢量化的精度都较低。,采样数据点的分布与研究区域地貌类型、所采用的设备有关。,3.3DEM数据采样策略与采样方法,3.3.1 采样策略(1)沿等高线法:采样时将Z轴固定,即固定高程值沿等高线采集高程点。平坦地区不宜使用。,(2)规则格网采样:通过规定X和Y轴方向的间距来形成平面格网,在立体模型上量测这些格网点的高程值。规则格网采样能确保所采集数据的平面坐标具有规则的格网形式。,(3)剖面法:类似于规则格网法,唯一的区别是在格网法中量测点是在格网的两个方向上都规则采样,而在剖面法中,
15、只沿一个方向即剖面方向上采样;在剖面法中,通常情况下点以动态方式量测,而不像在规则采样中以静态方式进行。,(4)渐进采样(Makarovic,1973):小区域的格网间距逐渐改变,而采样也由粗到精地逐渐进行。优点:渐进采样能解决规则格网采样方法所固有的数据冗余问题。缺点:在地表突变邻近区域内的采样数据仍有较高的冗余度;有些相关特性在第一轮粗略采样中有可能丢失,并且不能在其后的任一轮采样中恢复;跟踪路径太长,导致时间效率降低。,(5)选择性采样:为了准确反映地形,可根据地形特征进行选择性的采样,例如沿山脊线、山谷线、断裂线以及离散特征点(如山顶点)等进行采集。这种方法的突出优点在于只需以少量的点
16、便能使其所代表的地面具有足够的可信度。,(6)混合采样:是一种将选择采样与规则格网采样相结合或者是选择采样与渐进采样相结合的采样方法。该方法在地形突变处(如山脊线、断裂线等)以选择采样的方式进行,然后这些特征线和另外一些特征点,山顶点、洞穴点等,被加入到规则格网数据中。,3.3.1 DEM数据采集方法(1)地形图数据采集方法:地形图数字化是一种DEM数据获取的最基本的方法。1)手扶跟踪数字化步骤:定参考点(固定地图)定控制点跟踪采集(点方式、流方式),2)扫描数字化/矢量化扫描过程:将地形图从模拟状态(纸质地图)通过扫描转换成灰度(彩色)的数字数据(影像),即以像素方式存储地图信息。注意两个问
17、题:分辨率、颜色矢量化过程:将得到的栅格图像转化为矢量数据。具体方法:手动、半自动、全自动,步骤:扫描图件准备:图件、接图表、控制点、坐标系等。图件预处理:检查图画是否平整、图廓点与符号是否清晰,量测图廓边长,检查变形情况,检查接边,等高线连接情况等。定向纠正与编辑:将地图数据由数字化仪坐标(扫描文件坐标)转化为地理/地图坐标,若图面变形大,逐格网进行纠正。坐标变换方式有仿射变换、双线性变换、二次多项式等方法。坐标误差要小于10米。扫描与矢量化:黑色或彩色扫描,扫描参数根据图件信息量、线划密度、质量等因素调节。一般分辨率不小于300dpi。扫描后进行矢量化。数据分层:主要用于DEM的层有地形信
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