数字高程模型第二讲：DEM数据组织与管理

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1、数字高程模型数字高程模型第二章第二章 DEM数据组织与管数据组织与管理理 2.1概述 数字高程模型是地形曲面的数字化表达，也就是说，DEM是在计算机存储介质上科学、真实地描述、表达和模拟地形曲面实体，因此它的建立实际上是一种地形数据的建模过程。 DEM的建立首先要对地形曲面进行抽象、总结和提炼，形成高度概括的地形曲面数据模型，然后在此数据模型基础上，将观测数据按照一定的结构组织在一起，形成对数据模型的表述，最后借助计算机实现数据管理和地形重建。 按一定结构组织在一起的地形数据，一般通过数据库进行管理和调度（当然小范围的数据也可采用文件形式进行管理）。 DEM数据设计一般遵循以下的基本原则：数据

2、设计一般遵循以下的基本原则：适用性，满足主要用户的需求，并充分兼适用性，满足主要用户的需求，并充分兼顾潜在用户的需求；顾潜在用户的需求；运行性，快速显示和查询，保持正常运行，运行性，快速显示和查询，保持正常运行，可以及时提供数据产品；可以及时提供数据产品；更新性，能对数据库中的数据进行增加、更新性，能对数据库中的数据进行增加、修改和删除，方便地扩充和进行数据更新；修改和删除，方便地扩充和进行数据更新；相关性，保证与其他基础地理信息产品的相关性，保证与其他基础地理信息产品的相关性，使数据库在数学基础、坐标系统以及产相关性，使数据库在数学基础、坐标系统以及产品一致性方面相关；品一致性方面相关； 相

3、容性，与其他类型数据库系统兼容，可相容性，与其他类型数据库系统兼容，可以共享或相互交换数据；以共享或相互交换数据；先进性，采用科学的技术手段，使系统保先进性，采用科学的技术手段，使系统保持一定的先进性；持一定的先进性；高质量，与原始资料一致，数据质量可靠，高质量，与原始资料一致，数据质量可靠，数据标准、规范；数据标准、规范；完备性，除了基本的数据体外，有完备的完备性，除了基本的数据体外，有完备的元数据内容；元数据内容；安全性，有严密的权限控制机制。安全性，有严密的权限控制机制。 2.2 DEM数据模型数据模型GIS的空间数据模型从认知角度讲有三类：基于对的空间数据模型从认知角度讲有三类：基于对

4、象的模型、基于网络的模型和基于场的模型；从象的模型、基于网络的模型和基于场的模型；从表达上讲有矢量数据模型、镶嵌数据模型（栅格表达上讲有矢量数据模型、镶嵌数据模型（栅格数据模型）和组合数据模型。数字高程模型主要数据模型）和组合数据模型。数字高程模型主要刻画具有连续变化的空间对象，因此属于基于场刻画具有连续变化的空间对象，因此属于基于场的镶嵌数据模型。的镶嵌数据模型。2.2.1镶嵌数据模型镶嵌数据模型 镶嵌数据模型（镶嵌数据模型（Tessellation model）源）源于这样的思想：空间对象可用相互连接在一起的于这样的思想：空间对象可用相互连接在一起的网络来覆盖和逼近，或者说用在二维区域上的

5、网网络来覆盖和逼近，或者说用在二维区域上的网络划分来覆盖整个研究区域。络划分来覆盖整个研究区域。 镶嵌数据模型特别适合于对三维离散空间镶嵌数据模型特别适合于对三维离散空间数据的表达，以及对具有连续变化的空间对象的数据的表达，以及对具有连续变化的空间对象的模拟。网络的特征参数包括网格尺寸、形状、方模拟。网络的特征参数包括网格尺寸、形状、方位等，对同一地理现象可以由若干不同的尺度、位等，对同一地理现象可以由若干不同的尺度、不同的聚分性网络来覆盖。不同的聚分性网络来覆盖。 镶嵌数据模型按照网格形状可分为规则镶镶嵌数据模型按照网格形状可分为规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型，镶嵌模型的嵌数据模型和不

6、规则镶嵌数据模型，镶嵌模型的典型应用是地形曲面模拟，即数字高程模型，其典型应用是地形曲面模拟，即数字高程模型，其中基于正方形网络的镶嵌数据模型为栅格中基于正方形网络的镶嵌数据模型为栅格DEM，而基于不规则镶嵌数据模型为不规则三角网而基于不规则镶嵌数据模型为不规则三角网DEM。 2.2.2规则镶嵌数据模型规则镶嵌数据模型 所谓规则镶嵌数据模型，就是用规则的小所谓规则镶嵌数据模型，就是用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。在二维面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。在二维空间中可以有多种可能的规则格网划分方法，如空间中可以有多种可能的规则格网划分方法，如图图1。 构造规则镶嵌模型的方法是：用

7、数学手段将研究区域进行网格划分，把连续的地理空间离散为互不覆盖的网格，然后对网格单元附加相应的属性信息，例如对规则格网的DEM而言，一般通过曲面拟合方法求得栅格单元的高程值。 从数据结构上看，规则格网的主要优点是其数据结构为通常的二维矩阵结构，每个网格单元表示二维空间的一个位置，不管是沿水平方向还是垂直方向，均能方便地利用简单的数学公式访问任何位置的格网单元；同时，处理这种结构的算法比较多而且成熟，大多数计算机程序语言都有矩阵处理功能。此外，以矩阵形式存储和组织数据还具有隐式坐标，即格网单元的平面坐标隐含在矩阵的行列号之中，从而不需要进行坐标数字化。 基于规则镶嵌数据模型DEM的缺点是不管地形

8、变化复杂还是简单，均采用相同的结构，导致数据冗余而给数据管理带来不便。 2.2.3不规则镶嵌数据模型不规则镶嵌数据模型 不规则镶嵌数据模型是指用来进行镶嵌的不规则镶嵌数据模型是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界。按照小面块的小面块具有不规则的形状和边界。按照小面块的几何形状，不规则镶嵌模型有基于三角形、四边几何形状，不规则镶嵌模型有基于三角形、四边形、六边形、多边形等（如图形、六边形、多边形等（如图2）。）。 在DEM中，基于三角形的不规则镶嵌模型又称为不规则三角网（Triangulated Irregular Network，简称TIN），是DEM的又一主要表达形式。TIN模型是三

9、维空间上的分段线性模型，整个区域内连续但不可微。 不规则三角网数字高程模型由连续的三角面组成，三角形的形状、大小取决于不规则分布的点的位置和密度。地形变化越简单，采样点就越少，则单元格就越大；反之地形变化比较复杂，数据点分布比较密集，格网单元就越小。 TIN与规则格网DEM显著不同之处在于TIN模型不需要维护模型的结构规则性，不但能灵活地随地形的复杂程度而改变格网单元大小，避免平坦地形的数据冗余，而且又能按地形特征点线如山脊点、山谷线、地形变化线等表示地形特征。 2.3 DEM数据结构数据结构 2.3.1规则格网规则格网DEM数据结构数据结构1）简单矩阵结构）简单矩阵结构 规则格网规则格网DE

10、M的数据在水平方向和垂直方向的间隔的数据在水平方向和垂直方向的间隔相等，格网点的平面坐标隐含在行列号中，故适宜用矩阵相等，格网点的平面坐标隐含在行列号中，故适宜用矩阵形式进行存储，即按行（或列）逐一纪录每一个格网单元形式进行存储，即按行（或列）逐一纪录每一个格网单元的高程值。同时为了实现行列号和平面位置坐标之间的转的高程值。同时为了实现行列号和平面位置坐标之间的转换，还需要记录格网西南角的坐标值、格网间距等。换，还需要记录格网西南角的坐标值、格网间距等。规则格网规则格网DEM的数据文件一般包含用来进行的数据文件一般包含用来进行DEM数数据说明的数据头和据说明的数据头和DEM数据体两部分。数据体

11、两部分。数据头：定义数据头：定义DEM西南角起点坐标、坐标类型、格西南角起点坐标、坐标类型、格网间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等内容；网间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等内容；数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列；数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列； ArcView DEM 文本文件格式 2）行程编码结构）行程编码结构 对于一幅对于一幅DEM，常常在行（或）列方向上相邻的若干，常常在行（或）列方向上相邻的若干点具有相同的高程值，因而从第一列开始，在格网单元数点具有相同的高程值，因而从第一列开始，在格网单元数值发生变化时一次纪录该值以及重复的个数，应用时利用值发生变化时一次纪