DEM模型构建方法的研究开题报告

数字高程模型构建方法的研究文献综述

1.前言

数字地面模型DTM是地形表面形态等多种信息的一个数字表示。数字地面模型中地形属性为高程时称为数字高程模型(Digital Elevati on Model，简称DEM）[1]。数字高程模型是表示区域D上的三维向量有限序列，用函数的形式描述为：

Vi=（Xi,Yi,Zi），i=1,2,n

式中（Xi,Yi）是平面坐标，Zi 是（Xi,Yi）对应的高程值当该序列中各平面向量的平面位置呈规则格网排列时，其平面坐标可省略，此时DEM 就简化为一维向量序列[2]。

{Zi,i=1,2,3,4n}

2.国内外研究现状

DEM的概念最初是由美国麻省理工学院Miller教授对高速公路自动化设计研究而提出来的[3]。从60年代开始，对地面高程的存储和插值方有了大量和较为深入的研究，并取得了一定的成果，如Sehut提出的移动曲面拟合法，Arthur和Hardy提出的多面函数内插法，Kraus 和Mikhail提出的最小二乘内插法及Ebner等提出的有限元内插法[4]。到了70年代中后期，人们开始对采样方法进行研究，其中主要的成果有渐进采样PROSA和混合采样。在这一段时期内，人们主要是利用断面线的高程数据或离散点数据来自动绘制等高线图[5]。到了80年代，DEM的研究更加深入也更加全面，几乎深入到了进行DEM创建的所涉及的各个环节，其中包括DEM表示的地形的精度和分量、地形分类数据的采集、数据的压缩、DEM的具体构建算法等，以及DEM在实际生产中的应用以及不规则三角网TIN的构建与应用等[6]。90年代至今，随着各项技术的迅速发展，逐渐实现了数据的获取、处理与存贮的自动化、实时化。以此为基础，地理信息系统得到了建立并取得了发展，DEM 成为了地理信息系统的重要组成部分之一，应用于众多的领域。

3.DEM模型构建方法

3.1数据源及采集方法

DEM数据采集方法主要有以下4种 。

(1)地面测量。利用自动记录的测距经纬仪（常用电子速测经纬仪或全站经纬仪）在野外实测。这种速测经纬仪一般都有微处理器，可以自动记录和显示有关数据，还能进行多种测站上的计算工作[7]。其记录的数据可以通过串行通讯，输入计算机中进行处理。

(2)现有地图数字化。利用数字化仪对已有地图上的信息（如等高线）进行数字化的方法，目前常用的数字化仪有手扶跟踪数字化仪和扫描数字化仪。

(3)空间传感器。利用全球定位系统GPS，结合雷达和激光测高仪等进行数据采集。

(4)数字摄影测量。这是DEM数据采集最常用的方法之一，根据航空或航天影像，如数字摄影测量方法、立体坐标仪观测及空三加密法、解析测图等[8]。

3.2 DEM获取途径

可以通过多种方式建立DEM，从数据源及采集方式主要有：根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获；野外测量或者从现有地形图上采集高程点或者等高线，后通过内插生成DEM等方法[9]。如下表所示：

3.3 DEM的表示模型

DEM的主要表示模型有以下3种：

规则格网模型：规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值，这个数值就是高程。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组[10]。规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式，目前许多国家提供的DEM数据都是以规则格网的数据矩阵形式提供的。

等高线模型：等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知的高程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型[11]。最常见的等高线模型的存在形式是矢量数据，高程值存放在矢量属性表中。

不规则三角网模型：不规则三角网是根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角网络，这样分布在区域中任意点，可能位于在三角面的顶点、边上或三角形内的某一位置[12]。TIN的数据存储方式比格网DEM复杂，常见的有ArcGIS中TIN数据模型。

这三种表达模型中，使用最多也最简单的就是栅格图像（格网）。等高线模型往往在地形图或者线画图中表现。TIN由于数据存储较复杂，用的较少。当然，这三种模型很容易互相转换。

4.进一步提高DEM模型构建质量的方法

提高其质量的方法有以下3种：

（1）检测并剔除原始数据粗差，原始数据误差主要包括现有地图变形引起的误差，地形图手扶或扫描数字化仪的输入误差，高程点、等高线数据采集时的观测误差[13]。

（2）原始数据的滤波处理，目的是去掉原始数据中的随机误差，以提高数据质量和DEM地形表达精度[14]。

（3）对DEM数据进行误差处理和编辑，对于不同的地貌特征，采用相应的方法，提高人工编辑效率是值得深入思考的一个问题[15]。

5.当前学者关于DEM的研究工作

张玲娟[16]介绍了如何基于地形图来构建DEM模型，技术路线主要是获取矢量地形数据、提取等高线数据、编辑高程数据、建立TIN模型和建立DEM模型。张晓伟[17]等人针对数字高程模型质量检验的方法这一内容作出了较为系统和详细的阐述，分析比较了野外散点法、保密点法、立体模型检测法和套合差检验法的不同点，通过实验数据证明套合差检验法效果较好。陈传法[18]介绍了一种用于DEM模型构建的Coons曲面片法，通过数值分析，发现Coons曲面模拟结果精度始终高于传统方法。朱佑平[19]阐述了DEM在地图制图中的应用，如用DEM描绘等高线、用DEM描绘地面晕渲和用DEM描绘立体图形。宋敦江[20]等人研究一种由等高线构建DEM的新方法，比较了HASM-OC方法和Hutchinson方法所模拟得到的DEM模型。

6.总结

数字高程模型DEM除了描述地面高程信息之外，还可以派生表示坡度、坡向等地貌特性，目前对DEM的研究也涉及到其各个环节：DEM数据的采集、粗差探测、D EM表示地形的精度、质量控制、DE M数据的压缩和DEM的应用等。数字高程模型应用广泛，几乎是只要涉及到地理空间定位，一般都要用到数字高程模型。因此，DEM在测绘、工程建设、军事、环境规划等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域发挥着巨大的作用。当然，关于如何构建高精度的DEM模型方法是目前众多国内外学者下一步的研究方向，毫无疑问，高精度的DEM模型将会给社会的生产生活带来更多质的变化，大家一起期待并努力着！

参考文献：

[1] 汤国安，李发源，刘学军．数字高程模型教程[M ]．北京：科学出版社，2010

[2] 胡昌龙，易 燕．数字高程模型及其显示[J]，黑龙江科技学院学报，2004（4）：233～236.

[3] 许妙忠，数字地面模型的生产和应用[J].测绘信息与工程，2001（7）：35～39

[4] 陈志学，影像匹配与DEM自动生成[D].北京：北京建筑工程学院，2011

[5] 李廷廷，城市数字高程模型构建方法的研究[D]，山东：山东科技大学，2012

[6] 李志林，朱庆．数字高程模型[M]．武汉：武汉大学出版社，2001.7

[7] 杨德麟．数字地面模型[J]．测绘通报，1998.3：37~44

[8] 王树根.摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2009

[9] 杨秀伶.数字高程模型DEM的构建与应用[J]，绿色科技，2014（5）：315～316

[10] 柯正谊，何建邦，池天河.数字地面模型[M].北京：中国科技技术出版社，1993.

[11] 蒋辉，潘庆林，刘三枝．数字化测图技术及应用[M].北京：国防工业出版社，2006年1月．

[12] 王家耀，崔铁军，苗国强，等．数字高程模型及其数据结构[J].海洋测绘，2004(3)：1~4

[13] 玉宁，梁鑫，杨晓云．基于规则格网DEM粗差探测算法的应用[J]．广西工学院学报，2007.（1）：68~71

[14] 汤国安.数字高程模型及地学分析的原理与方法[M].北京：科学出版社，2005

[15] 张钧.DEM误差编辑 [D ]．郑州:中国人民解放军信息工程大学，2005

[16]张玲娟.基于地形图构建DEM模型的方法研究[J].实用第一智慧密集，2014（21）：72~73.

[17]张晓伟，张燕梅，李娜.浅谈数字高程模型质量检验方法[J].青海国土经略，2013：60~61.

[18]陈传法.数字高程模型构建的Coons曲面片法[J].大地测量与地球动力学，2012.8：88~89.

[19]朱佑平.数字地面模型在地图制图中的应用研究[J].建筑与发展，2012：274.

[20]宋敦江，岳天祥，杜正平.一种由等高线构建DEM的新方法[J].武汉大学学报，2012.4：472~475.