1、中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心DEM和表面分析 閆磊閆磊 EmailEmail： 中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 2DEM和表面分析 五、綜合應用五、綜合應用 四、空間內(nèi)插方法四、空間內(nèi)插方法 三、空間表面分析三、空間表面分析二、二、 DEMDEM制作制作一、基本含義一、基本含義中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 3一、DEM是什么 DEM是“數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model）”的英文簡寫。 數(shù)字地形模型(DTM)：即Digital Terrain Mo

2、del，是數(shù)字形式表示的地表面，即區(qū)域地形的數(shù)字表示，它是由一系列地面點的X，Y位置及其相聯(lián)系的高程Z所組成。這種數(shù)字形式的地形模型是為適應計算機處理而產(chǎn)生的，又為各種地形特征及專題屬性的定量分析和不同類型專題圖的自動繪制提供了基本數(shù)據(jù)。在專題地圖上，第三維Z不一定代表高程，而可代表專題地圖的量測值，如地震烈度、氣壓值等。 DEM有兩種方式TIN和Grid（raster）中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 41.2什么是TinTIN 規(guī)則三角網(wǎng) 的英文首字母縮寫。 一種將地理空間分割為不重疊的相連三角形的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構。 每個三角形的折點都是具有 x、y 和

3、 z 值的采樣數(shù)據(jù)點。 這些采樣點通過線相連，從而構成 Delaunay 三角形。 TIN 用于存儲和顯示表面模型。 。TIN 用于表示一個表面，或者說是連續(xù)的數(shù)據(jù)，而不能表示離散的數(shù)據(jù)TIN 通常用于表示大數(shù)據(jù)應用中的 terrain 表面，而高程點則允許不規(guī)則地分布以容納表面中具有較大差異的各個區(qū)域，并且高程點的值和實際位置將作為結(jié)點保留在 TIN 中。 中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 51.3表面模型（表面模型（GRIDGRID和和TINTIN）的區(qū)別）的區(qū)別 柵格是像元（或像素）的矩形陣列，每個柵格柵格是像元（或像素）的矩形陣列，每個柵格都存儲

4、了它所覆蓋的表面部分的值。一個指定像都存儲了它所覆蓋的表面部分的值。一個指定像元包含一個值，因此，表面的詳細程度取決于柵元包含一個值，因此，表面的詳細程度取決于柵格像元的大小。格像元的大小。 這兩種模型各有優(yōu)缺點，相比而言，相比而言，GRIDGRID模型比較模型比較簡單、高效，簡單、高效，TINTIN模型比較精確，數(shù)據(jù)量，耗內(nèi)存模型比較精確，數(shù)據(jù)量，耗內(nèi)存大。所以，一般大。所以，一般GRIDGRID模型多用于區(qū)域性的、小比模型多用于區(qū)域性的、小比例尺的應用，而例尺的應用，而TINTIN模型則更常用于精細的、大比模型則更常用于精細的、大比例尺的應用例尺的應用。中國科學院計算技術研究所教育中心中國

5、科學院計算技術研究所教育中心Page 6二、DEM制作1、TIN制作和過程中存在問題2、grid生成3、從DEM提取值中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 72.1創(chuàng)建TIN1、使用等值線和離散點（有一個字段標注高程值）離散點（有一個字段標注高程值）加載等值線，一定要選高程字段高程字段硬斷線提供Z值，那么構建出來的Tin也就會在Hard line處生成節(jié)點，表示表面上的不連續(xù)性； 軟斷線在參與構Tin時，本身不提供Z值，表示線性要素但并不改變表面坡度的邊。比如，要標出當前分析區(qū)域的邊界，mass points離散點，生成的TIN沒有線，用于點生成tin數(shù)據(jù):

6、10demdgxtinGG487422.mdbdgx中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 82.1兩塊等高線創(chuàng)建TIN Tin的剪裁（中級）數(shù)據(jù)位置：10demdgx兩塊等高線創(chuàng)建TIN，按照下面的方法，創(chuàng)立Tin，這不是我們需要？中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 92.1兩塊等高線創(chuàng)建TIN Tin的剪裁（中級）使用矢量和柵格clip、split都不可以的，只有在創(chuàng)建Tin，加入剪裁的面，一起參與創(chuàng)建tin，面的參數(shù)設置，如下，使用hard cliphard clip 多邊形參與tin四種方式l 裁切：定義插值的邊界

7、，處于裁切多邊形之外的輸入數(shù)據(jù)將不參與插值與分析操作。 l 刪除：定義插值的邊界，與裁切多邊形的不同之處在于多邊形之內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)將不參與插值與分析操作。 l 替換：可對邊界與內(nèi)部高度設置相同值，可用來對湖泊或斜坡上地面為平面的開挖洞建模。 1. 填充：它的作用是對落在填充多邊形內(nèi)所有的三角形賦予整數(shù)屬性值。表面的高度不受影響，也不進行裁切或刪除。 數(shù)據(jù)位置：10demdgx中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 10設置界面設置界面n 硬替換中的字段值才有意義硬替換中的字段值才有意義數(shù)據(jù)位置：10demdgxreplace，操作見：創(chuàng)建tin.exe中國科學院

8、計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 112.2Tin-DEM TIN 轉(zhuǎn)柵格 然后TIN 轉(zhuǎn)柵格,生成DEM,直接使用經(jīng)緯坐標的無法生成grid， Elevaton按原來的值、下面坡度、坡向，Cellsize Cellsize 默認值是圖形外接矩形最短邊除以250，單位和地圖坐標定義，是地理坐標是度為單位，其他以米為單位，一個像素點代表的矢量的大?。ǜ叨?寬度），Cellsize越大，粒度越大，影像越?。ㄐ袛?shù)row，col越少），數(shù)據(jù)精度越低， Cellsize可以浮點數(shù)，可以小于可以小于1 1的使用上面分幅數(shù)據(jù)的tin中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算

9、技術研究所教育中心Page 122.3 對點填等高值通過Dem 給值提取至點Extract Values to Points操作操作: :創(chuàng)建創(chuàng)建tintin和提取點的高程和提取點的高程.exe,.exe,或則添加表面信息或則添加表面信息（AddSurfaceInformationAddSurfaceInformation）工具）工具數(shù)據(jù)使用:10demdgxtinGG487422.mdbpnt中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 132.3 對點填等高值（二）通 采樣 后生成點 也可以Sample，不同是這個工具生成只有一個屬性表，需要通過數(shù)據(jù)表建立點層。

10、數(shù)據(jù)使用:10demdgxtinGG487422.mdbpnt，操作：采樣提取點的高程.exe中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 14三.空間表面分析n 等值線(Contour)n 坡度(Slope)n 坡向(Aspect)n 山體陰影(hillshade)n 視域(Viewshed)n 填挖方(Cut/Fill)n 9.39.3表面分析，可以基于表面分析，可以基于TinTin，也可以基于，也可以基于GridGrid，基于基于tintin的效果，比的效果，比gridgrid要好的多，基于要好的多，基于gridgrid還還和和gridgrid的分辨率有關的分

11、辨率有關,ArcGIS10,ArcGIS10是兩個不同的工是兩個不同的工具具中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 15基本按鈕介紹n 在屏幕上創(chuàng)建等高線，是Element，操作在屏幕上點一下n 屏幕可視分析，操作是屏幕上劃線，綠色是可視、紅色是不可視n 畫點n 畫線n 畫面n 斷面分析斷面分析，先劃線中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 163.1.等值線1、等值線(Contour)，可以是從TIN- Contour,或DEM- Contour,相對TIN生成等高線質(zhì)量好一些，畢竟tin是矢量的?？梢杂脕淼雀呔€的加密（度）

12、和抽稀。使用前面的分幅創(chuàng)建的tin中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 173.2坡度分析 坡度(Slope).地表面在該點的傾斜程度。垂直高/水平距離,如耕地坡度大小，是否適宜耕種，道路兩邊是否需要加護坡 。實際坡度有兩種表示方式方法：（1） 坡度(degree of slope)：既水平面與地形面之間夾角。（2） 坡度百分比（percent slope）：既高程增量與水平增量之比的百分數(shù)。中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 184.3坡向分析 坡向(Aspect)，坡向反映了斜坡所面對的方向。坡向指地表面上一點的切平

13、面的法線矢量在水平面的投影與過該點的正北方向的夾角。對于地面任何一點來說，坡向表征了該點高程值改變量的最大變化方向。在輸出的坡向數(shù)據(jù)中，坡向值有如下規(guī)定：正北方向為0度，按順時針方向計算，取值范圍為0360。坡向在植被分析、環(huán)境評價等領域有重要的意義。在生物學上，生長在朝向北的斜坡上和生長在朝向南的斜坡上的植被一般有明顯的差別；建立風力發(fā)電站的選址時，需要考慮把它們建在面向風的斜坡上；地質(zhì)學家經(jīng)常需要了解斷層的主要坡向，或者褶皺露頭，來分析地質(zhì)變化的過程；在確定容易被積雪融水破壞的居民區(qū)的位置時，需要識別朝南的坡面，來得到最初融化的積雪的位置。 中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技

14、術研究所教育中心Page 193.3 坡向分析結(jié)果中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 20 山體陰影(hillshade)：是根據(jù)設置的光源對柵格的照明值，太陽方位角、太陽高度角設置，設置的位置不同，結(jié)果也不一樣，可以用于日照分析，一天日照的時間等，值越小表示，陰影越大中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 213.5視域（中級） 在ArcGIS主要兩點直線之間是可見的還是遮擋的，必須要選擇一個點層，在屏幕上畫線，必須要選擇一個點層，在屏幕上畫線， 可以實現(xiàn)屏幕上兩點可視分析，綠色表示可視，可以實現(xiàn)屏幕上兩點可視分析，綠色

15、表示可視，紅色表示不可視。紅色表示不可視。注意坐標系統(tǒng)的問題注意坐標系統(tǒng)的問題中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 223.6計算土方量工具(Cut/Fill)（中級） 計算土方量工具：主要是用于地形變化后，計算土方量，所以有兩個模型數(shù)據(jù)，紅色表示土方增加(需要填的，的，值為小于0 ），蘭色表示土方減少（需要挖的，值為大于0），其他的為沒有變化的區(qū)域。屬性值有增加和減少的土方量，有面積和體積，前一個減去后面前一個減去后面,CELLSIZE可以可以不同不同使用數(shù)據(jù):10demdgxtinGG487422.mdbdgx和dgx_1中國科學院計算技術研究所教育中心

16、中國科學院計算技術研究所教育中心Page 23四、空間內(nèi)插方法 空間插值常用于將離散的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，以便與其它空間現(xiàn)象的分布模式進行比較，它包括了空間內(nèi)插和外推兩種算法?？臻g內(nèi)插算法是一種通空間內(nèi)插算法是一種通過已知點的數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域其它未知點數(shù)據(jù)的計算方過已知點的數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域其它未知點數(shù)據(jù)的計算方法法；空間外推算法則是通過已知區(qū)域的數(shù)據(jù)，推求其它區(qū)域數(shù)據(jù)的方法。 插值是利用有限數(shù)目的樣本點來估計未知樣本點的值，插值的前提是空間地物具有一定的空間相似性，距離較近的地物，其值更為接近，如氣溫、高程，污染等。實際中，通常不可能對研究區(qū)內(nèi)的每個點的屬性值都進行測量。一般選擇一些

17、離散的樣本點進行測量，通過插值得出未采樣點的值。采樣點可以是隨機選取、或則選取特征樣點，但必須保證這些點代表了區(qū)域的總體特征?？梢圆逯瞪蛇B續(xù)且規(guī)則的柵格面。通常采樣點數(shù)目越通常采樣點數(shù)目越多，分布地越均勻，插值效果就會越好。多，分布地越均勻，插值效果就會越好。中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 24四、空間內(nèi)插方法類型（中級）n 反距離權重法（Inverse Distance Weighting 簡稱IDW）n 樣條函數(shù)法（Spline）n 克里金法（kriging）n 自然鄰域法（Natural Neighbor）n 地形轉(zhuǎn)柵格n注意：1-4必須是點層

18、數(shù)據(jù)，5可以是點、線中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 254.1反距離權重插值 IDW 這種方法的假設前提是每個采樣點間都有局部影響，并且這種影響與距離大小成反比。就是離目標點近的點其權值就比遠的點大。這種方法適用于變量影響隨距離增大而減小的情況。如計算某一超市的消費者購買力權值，由于人們通常喜歡就近購買，所以距離越遠權值越小。如輻射，或者污染源，距離越遠，影響越小。中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 264.1反距離權重插值 IDW 數(shù)據(jù)：10deminsertpoint.gdbpnt中國科學院計算技術研究所教育中

19、心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 274.2 樣條函數(shù)插值（Spline） 它采用樣本點擬合光滑曲線，且其曲率最小。通過一定的數(shù)學函數(shù)對采樣點周圍的特定點進行擬合，且結(jié)果通過所有采樣點。該方法適用于漸變的表面屬性，如高程、水深、污染聚集度等。不適合在短距離內(nèi)屬性值有較大變化的地區(qū)，那樣估計結(jié)果會偏大。中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 283.3克里金插值（kriging） 此方法的假設前提是采樣點間的距離和方向可反映一定的空間關聯(lián)，并用它們來解釋空間變異?？死锔窭靡欢ǖ臄?shù)學函數(shù)對特定點或是給定搜索半徑內(nèi)的所有點進行擬合來估計每個點的值。該方法

20、適用于已知數(shù)據(jù)含距離和方向上的偏差的情況，常用于社會科學研究及地質(zhì)學中。 克里金（kriging）不同高斯高斯克呂格（克呂格（Gauss-Gauss-Kruger)Kruger)，前者是插值方法，后者是投影方法。，前者是插值方法，后者是投影方法。中國科學院計算技術研究所教育中心中國科學院計算技術研究所教育中心Page 294.4自然鄰域法（Natural Neighbor） 鄰域插值將TIN的一些方法與柵格插值方法結(jié)合起來。柵格表面使用輸入數(shù)據(jù)點及其鄰近柵格單元進行插值。首先，為輸入數(shù)據(jù)點創(chuàng)建一個Delauney三角形，輸入的樣本數(shù)據(jù)點作為三角形的結(jié)點，并且每個三角形的外接圓不能夠包含其它結(jié)點。對每個樣本點，鄰域為其周圍相鄰多邊形形成的凸集中最小數(shù)目的結(jié)點。每個相鄰點的權重，通過評價其影響范圍的Thiessen/Voroni技術計算出來。 類似于反距離權重法，是一種權平均算法。但是它并不利用所有的距離加權