地理信息系统-景海涛-11th.ppt

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1、第一部分：数字地面模型分析 第二部分：水文分析基础,认识初步,认识初步,认识初步,渲染图,数字地面模型（Digital Terrain Model，简称DTM）是描述地球表面多种信息空间分布的有序数值阵列，是定义在某一区域D上的m维向量有限序列：Vi，i=1，2，3，n。,其中向量Vi=Vi1，Vi2，Vi3，Vim的分量为地形Xi，Yi，Zi（Xi，Yi）D）上的资源、环境、人口分布、地价、土地利用等地面特征信息的定量或定性描述。这些非地形特征信息与地形信息结合在一起，构成数字地面模型。,当Vi代表地形特征时，就是DEM（Digital Elevation Model），即数字高程模型，所以

2、，DEM是DTM的一个子集。事实上，DEM是DTM中最基本的部分，它是对地形地貌的一种离散的数字表达。,一、DTM的概念,更通用的数字地面模型应定义为：描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学角度，可以用下述二维函数系列取值的有序集合来概括地表示数字地面模型的丰富内容的多样形式：,数字化是20世纪50年代电子计算机出现后才提出的新概念，而数字高程模型的概念在1958年就已经提出了。目前，数字高程模型已成为空间数据基础设施和“数字地球”的重要组成部分，是地球表面地形数字描述和模拟的有效手段，多年来，对数字高程模型的研究方兴未艾、十分活跃。关于DEM，国内外相继出现许多相近的术语，这

3、些术语在使用上可能有些限制，但实质上差别很小。,德国：DHM（Digital Height Model）英国：DGM（Digital Ground Model）美国地质测量局：DTEM（Digital Terrain Elevation Model）,二、数字高程模型（DEM）建立,二、数字高程模型（DEM）建立,二、数字高程模型（DEM）建立,二、数字高程模型（DEM）建立,三、DTM的表达,离散点数字地面模型,数学分块曲面模型,等高线模型,规则格网模型（简称GRID，也称格网 DTM）,不规则三角网模型（也称三角网 DTM）,混合结构DTM,等高线模型,规则格网模型（简称GRID，也称格网

4、 DTM）,梯森多边形（Thiessen Polygon）或Voronoi图形,Delaunay三角网,不规则三角网模型（也称三角网 DTM）,混合结构DTM,四、空间数据插值,内插是数字高程模型的核心问题，它决定DEM的质量、精度。所谓内插就是根据若干相邻参考点的高程求出待定点上的高程值，在数学上属于插值问题。就是用一种根据已知数据点(样本点)可以近似地代替一定区域内的表面空间形态的数学模型，通过计算机的运算内插出按一定要求分布的格网点的高程值。,DTM模型间的相互转换,通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法称为空间数据的内插。其方法是从存在的观测数据中找到一个函数关系式，使该关

5、系式最好地逼近这些已知的空间数据，并能根据函数关系式推求出区域范围内其它任意点或任意分区的值。一般来讲，在已存在观测点的区域范围之内估计未观测点的特征值的过程称内插；在已存在观测点的区域范围之外估计未观测点的特征值的过程称推估（外推）。,建立数字高程模型的方式很多，主要有基于点建模、基于三角形建模和基于格网建模。各种建模方法的数学函数可用下面的多项式表示，见表,.,例：二次抛物面多项式进行逐点内插，逐点内插法是以待插点为中心，定义一个局部函数去拟合周围的数据点，数据点的范围随待插点位置的变化而变化，因此又称为移动曲面拟合法。对于每个待 插的点，选择与内插点最近的个点进行多项式移动拟合得出该点的

6、高程值，移动曲面拟合法关键在于如何确定在最小范围内保证有足够的参考点和如何确定各参考点所占的权重。,选择与待定点距离最近的n(n5)个点,110000数字高程模型 生产技术规定,五、DTM(DEM)地形分析,坡度、坡向分析 地表粗糙度计算地表曲率计算高程及高程变异分析地表形态自动分类剖面分析基于DEM的可视化分析,基于DEM的坡度、坡向分析,地面上某点的坡度是表示地表点在该点倾斜程度的一个量，它是一个既有大小又有方向的量，即矢量。坡度矢量从数学上讲，其模等于地表曲面函数在该点的切平面与水平面夹角的正切，其方向等于在切平面上沿最大倾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向，即坡向。任一斜面的坡度等于

7、该斜面上两互相垂直方向上的坡度分量，即矢量和。,基于DEM的坡度、坡向分析,计算坡度的方法有很多种，归纳起来为五种：四块法、空间矢量法、拟合平面法、拟合曲面法、直接求解法。实践证明，拟合曲面法是解求坡度的最佳方法。拟合曲面法一般采用二次曲面，即 的栅格，如图所示，每个栅格中心为一个高程点。图中A的坡度：坡向：分别为方向上的坡度，可采用下面几种算法：,算法一,算法二,算法三,算法四,对四种算法进行比较得出结论：算法一的精度最高，计算效率也最高，其次是算法二。采用算法四，采用的是算法二。,地表粗糙度计算 地表粗糙度是反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标，一般定义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投

8、影面积之比。但根据这种定义，对光滑而倾角不同的斜面所求出的粗糙度，这不适宜。实际应用中，这里用对格网点空间对角线L1和L2的高差D来表示地表粗糙度，如图所示，D越大，说明单元的四个定点的起伏变化越大。其计算公式为：,地表曲率计算地面剖面曲率计算：地面的剖面曲率（profile curvature）其实质是指地面坡度的变化率，可以通过计算地面坡度的坡度而求得 地面的平面曲率（plan curvature）是指地面坡度的变化率，可以通过计算地面坡向的坡度而求得,高程分析包括平面高程和相对高程的计算。通常以地表单元网格点pk（k=1,2,3,4）的高程平均值定义为该单元的平均高程。,以地表单元网格定

9、点pk（k=1,2,3,4）的高程与研究区域或某一流域内最低点高程zmin之差的平均值定义为该单元的相对高程。,高程变异是反映地表单元格网各顶点的高程变化的指标，它以格网单元顶点的标准差与平均高程的比值来表示。,高程及变异分析,淹没边界的计算（土地利用数据与数字高程之间的关系）,实际淹没高程,网格边长,讨论：1、一条河流涨水，淹没河床两侧农田、房屋受损。开展GIS系统评价需要那些基础数据？运用哪些分析方法？如何进行分析？2、长江三峡工程是举世注目的重大水利工程。若根据蓄水前后的水位计算淹没区范围、淹没耕地面积及淹没区移民数量，你需要哪些基本数据？并结合GIS的功能给出详细的技术方案和实现过程。

10、,地貌形态的自动分类,基于DEM的可视化分析,剖面分析1）意义：常常可以以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。如果在地形剖面上叠加其它地理变量，例如坡度、土壤、植被、土地利用现状等，可以提供土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据。2）绘制,可在格网DEM或三角网DEM上进行。已知两点的坐标A(x1，y1)，B(x2，y2)，则可求出两点连线与格网或三角网的交点，并内插交点上的高程，以及各交点之间的距离。然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图。剖面图不一定必须沿直线绘制，也可沿一条曲线绘制。,通视分析,通视分析是指以某一点为观

11、察点，研究某一区域通视情况的地形分析。方法：以O为观察点，对格网DEM或三角网DEM上的每个点判断通视与否，通视赋值为1，不通视赋值为0。由此可形成属性值为0和1的格网或三角网。即得到以O为观察点的通视图。以观察点O为轴，以一定的方位角间隔算出0到360的所有方位线上的通视情况。对于每条方位线，通视的地方绘线，不通视的地方断开，或相反。这样可得出射线状的通视图。,基于DEM的可视化分析,倾角法格网DEM为例，O(xo，yo，zo)为观察点，P(xp,yp,zp)为某一格网点，OP与格网的交点为A、B、C。OP的倾角为 观察点与各交点的倾角为i(iA,B,C)若tgmax(tgi,iA、B、C)

12、则OP通视，否则，不通视。,通视分析关键算法 是判断格网或三角网上的某一点是否通视（即两点是否可见）。,基于DEM的可视化分析,基于DEM的可视化分析,第二部分：基于DEM的水文分析,无洼地DEM生成汇流累积量水流长度河网的提取流域的分割,无洼地DEM生成,目的：克服DEM的误差，在计算河网提取、流域分割等问题中，必须首先得到无洼地DEM步骤：水流方向提取洼地计算洼地填充,1、水流方向提取,对于每一个格网，水流方向指水流离开此风格的指向,八邻域,水流方向提取步骤,2、洼地计算,目的：可以通过水流方向判断洼地，计算洼地深度，进而根据合理阈值得出哪些地区是由于数据误差造成的，哪些地区是真实地表形态，进行DEM洼地填充。步骤：洼地提取洼地深度计算：洼地贡献区域提取；最大高程减最小高程洼地填充,洼地提取,洼地深度计算,洼地贡献区域最小高程计算,洼地贡献区域最大高程计算,洼地填充,