太原理工大学数字高程模型考试题-复习资料剖析.pdf
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1、一翻译题:(2*3=6)DEM(digital elevation model)数字高程模型DTM(digital terrain model)数字地面模型LOD(locally optimal diagonal)局部最佳对角线LOD(level of detail)细节层次(模型)TIN(triangulated irregular network)不规则三角网CDT(Constrained Delaunay Triangles/Triangulation)约束狄洛尼三角网LOP(Local Optimal Procedure)局部优化过程4D 产品:DEM(数字高程模型),DLG(数字线划
2、图),DRG(数字栅格图),DOM(数字正射影像)。二填空题:(22*1=22)简答题(4*6=24)1数字地形的表达方式:数字描述和地形描述。2模型的分类:概念模型,物质模型,数学模型。3模型的评价:精确性,描述的现实性,正确性,一般性,可靠性,成效性。4数字化 DEM 考虑因素:计算机容量,转换为数字数据,模型化表达。5DEM 的研究内容:地形数据采样,地形建模与内插,数据组织与管理,地形分析6DEM 的类型:A 按结构分类:基于面单元的 DEM,基于线单元的 DEM,基于点的 DEMB.按连续性分类不连续 DEM,连续不光滑 DEM,光滑 DEMC:按范围分类:局部 DEM,地区 DEM
3、,全局 DEM7DEM 的特点精度的恒定性,表达的多样性,更新的是实时性,尺度的综合性8.数字高程模型的系统结构数字高程模型的理论和技术由数据采集、数据处理和应用三部分组成。这三部分根据功能又可划分为五个功能模块:(1)DEM 的建立(2)DEM 模型操作(3)DEM 分析(4)DEM 可视化(5)DEM 应用 各个功能模块之间的数据流不是单向的,是相互流动的。9DEM 的应用:科学研究应用,商业应用,工业、工程应用,管理应用,军事应用10 DEM 与 GIS 的关系 1数据采集方法 2空间数据内插方法 3空间分析技术与方法11.DEM 采样应考虑的因素:地形曲面几何特征、地形的复杂程度和地貌
4、单元类型。12地形要素分为两类:A 具有特征信息的地形要素,特征点、特征线 B 一般要素,如随机点、随机线13地面复杂度:光谱频率,分数维,曲率,相似性。14 DEM 数据源的三大属性:数据的分布,数据的密度,数据的精度。15 数据采样的布点原则:沿等高线采样,规则格网采样,剖面法,渐进采样,选择性采样,混合采样。16 数据采样方式:交互式采集,自动采集。17 DEM 的数据来源:影像,地形图,地面测量数据,其他数据源,既有 DEM 数据。18 基于不同观点的采样:基于统计学观点,基于几何观点,基于特征的采样观点19 数据采集方法对比:方法速度适用范围高程数据精度采集成本地形图手扶跟踪慢小低低
5、扫描矢量化较快小较低最低摄影测量航空航天摄影快最大普通遥感精度低机载激光扫描和干涉雷达精度高机载激光扫描和干涉雷达最高地面摄影快较大高高野外测量最慢最小最高高20 DEM 生产涉及三个基本问题:精度、生产成本、效率。21 我国地形图比例尺:类型比例尺等高距 m综合特性成图方式1:50001实地测量1:500011:1 万2.51:2.5 万51:5 万10大比例尺1:10 万20综合程度很低,较真实地反映地形地貌航测成图1:25 万50 中比例尺1:50 万100一定程度综合,近似反映地形地貌编绘成图小比例尺1:100 万 琰茞较高的综合程度,仅反映地形的大致特征编绘成图22 地形的空间分布特
6、征:分片模拟,各向异性,空间自相关性23 DEM 质量评价标准:保凸性,逼真性,光滑性24 DEM 数据构建原则:适用性,运行性,更新性,相关性,相容性,先进性,高质量,完备性,安全性。25 DEM 建立的方法:基于内插法,基于建模过程,基于 DEM 的数学特征(全局内插,局部内插),基于 DEM 的结构(基于点的建模,基于三角形的建模,基于格网的建模,混合建模)26TIN 的特点: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:1)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;2)而且又能按地形特征点线如山脊点、山谷线、地形变化
7、线等表示地形特征。27 规则格网 DEM 与不规则三角网 TIN 的对比:A 规则格网 DEM 优点:简单的数据存储结构 与遥感影像数据的复合性 良好的表面分析功能缺点:计算效率低下 数据冗余 格网结构规则B 不规则三角网 TIN 优点:较少的点获取较高的精度 可辨分辨率 良好的拓扑结构缺点:表面分析能力较差 构建比较费时 算法设计比较复杂28 TIN 的基本元素:节点,边,面29 TIN 的体系结构:TIN 对三角形的几何形状有严格的要求:1 三角形的格网唯一 2 最佳三角形形状,尽量接近正三角形 3 三角形边长之和最小,保证最近的点形成三角形。30 三角剖分准则:空外接圆准则,最大最小角准
8、则,最短距离和准则。张角最大准则,面积比准则,对角线准则。31 狄洛尼三角网的特性:1 不存在四点共圆,2 每个三角形对应于一个 V 图顶点,3 每个三角形边对应于一个 V 图边,3 每个结点对应于一个 V 图区域 4 狄洛尼图的边界是一个凸壳,5 三角网中三角形的最小角最大。32 LOP(局部优化过程/法则)基本思想:用 DT 三角网的空外接圆性质对两个公共边的三角形组成的四边形进行判断,如果其中一个三角性的外接圆中含有第四点,则叫唤四边形的对角线。33 处理平三角形方法:一个把等高线数据当作特征线处理,按约束 DT 进行剖分,一个局部优化内插增加地形特征点。34 无约束散点域的三角剖分算法
9、(狄洛尼三角剖分)实现:三角网生长算法,逐点插入法和分割合并算法。35 三角网生长算法有收缩生长算法(凸闭包收缩法)和扩张生长算法(递归生长法)36 带约束条件的狄洛尼法则:只有当三角形外接圆内不包含任何其他点,且其三个顶点相互通视时,此时三角形才是一个带约束条件的狄洛尼三角形。等高线生成 TIN 的三种算法:等高线离散点直接生成 TIN(存在三角形的边穿越等高线和存在平三角形的情况),将等高线作为 特征线的方法,自动增加特征点及优化 TIN 的方法。37 内插的分类分块内插(插值拟合),逐点内插(加权平均值法,移动拟合法,最小二乘配置法),整体内插(高次多项式)。38 整体内插的优缺点:1
10、优点:用来揭示真个区域内的地形宏观起伏态势。在 DEM 内插中,一般是与局部内插方法配合使用,也可利用它来进行地形采样数据中的粗差检测。缺点:整体内插函数保凸性差,不容易得到稳定的数值解,多项式系数物理意义不明显,解算速度慢且对计算机容量要求高,不能提供内插区域的局部地形特征。39 常见分块的内插方法有:线性内插,双线性内插,多项式内插,样条函数内插,多层曲面叠加法,最小二乘配置法,克立金法,有限元内插。40 常用的逐点内插函数有:适合于离散分布采样点的拟合曲面、反距离权内插法;适合于TIN 的线性内插法,以及适合于规则格网分布的双线性内插等。另外局部内插的各种数学模型也可应用到逐点内插法中。
11、41 空间数据质量的评价:数据情况说明,时间精度(现势性)位置精度(几何)分类精度(属性)可靠性,逻辑的一致性,完整性,数据采集与编码方法。42 误差的来源:原始数据的采集误差(原始资料误差,采点设备误差,人为误差,坐标转换误差)高程内插误差,DEM 构造误差(对“陡崖”地貌的表示,消除“平顶山”)。43 地理空间信息又称空间信息,具有空间特征、属性特征、时间特征和尺度特征等四个基本特征。44 从 DEM 内插等高线主要包括两个步骤:1 从 DEM 跟踪等高线点(基于规则格网(矢量法和栅格法)2 等高线的拟合或光滑45 地形因子的分类:微观因子(坡度,坡向,坡度变率,坡向变率,平面变率,剖面变
12、率和坡长)和宏观因子(坡型因子,地形粗糙度,地形起伏度,高程变异系数和地表切割深度)。46 基本地形因子计算包括:坡度坡向的计算,表面积计算,投影面积计算,体积计算,剖面积计算,坡度变化率、坡向变化率的计算,格点面元的相对高差,粗糙度,凹凸系数。1 1 数字地形表达数字地形表达的方式可以分为两大类:数学描述和地形描述。2 2 模型模型(Model):是指用来表现其他事物的一个对象或概念,是按比例缩减并转变到我们能够理解的形式的事物本体。(1)分类)分类:概念模型、物质模型、数学模型。(2)数学模型的优点)数学模型的优点:a.它是理解现实世界和发现自然规律的工具;b.提供了考虑所有可能性、评价选
13、择性和排除不可能性的机会;c.帮助在其它领域推广或应用解决问题的结果;d.帮助明确思路,集中精力关注问题重要的方面;e.是的问题的主要成分能够被更好的观察,同时确保交流,减少模糊,并改进关于问题一致看法的机会。(3)对模型的评价有以下标准评价有以下标准:精确性精确性:模型的输出是正确或非常接近正确;描述的现实描述的现实性性:基于正确的假设;准确性准确性:模型的预测是确定的数字、函数或几何图表等;可靠性可靠性:对输入数据中的错误具有相对免疫力;一般性一般性:适用于大多数情况;成效性成效性:结论有并可以启发或指导其他好的模型。3 3 数字高程模型的类型(数字高程模型的类型(1)按结构分类(按其数据
14、组织方式)按结构分类(按其数据组织方式)基于面单元的 DEM:将采样点按某种规则剖分成一系列的规则或不规则的格网单元,并用这些格网单元组成的网络逼近原始曲面。规则剖分如正方形格网 DEM、六边形格网DEM 等。不规则单元如三角形 DEM(TIN)、四边形 DEM。基于线单元的 DEM:将采样点按线串组织在意的 DEM。基于线单元的 DEM 与数据采样方式联系在一起,如沿等高线采样的数据可组织成基于等高线的 DEM,断面 DEM 等。基于点的 DEM:基于点的 DEM 实际上就是采样点的集合,点与点之间没有建立任何关系,称之为散点 DEM。该种结构由于点之间没有任何关系而应用不多。(2)(2)按
15、连续性分类按连续性分类(从数学角度考察 DEM 模型连续性、一阶导数及高阶导数等的连续情况)不连续型 DEM:用来模拟地形表面分布的不具备渐变特征的地理对象如土壤、植被、土地利用等。DEM 单元内部是同质的,变化之发生在单元边界。不连续 DEM 的典型特征是DEM 模型呈阶梯状分布。连续不光滑 DEM:该种 DEM 认为 DEM 中的数据点仅仅袋便连续表面上的一个采样值,整个曲面通过相互连接在一起的曲面片(格网单元)来逼近,格网单元在北部市连续光滑的,整体上呈连续分布但导数不连续,如基于点栅格的 DEM 和 TIN光滑 DEM:光滑 DEM 是指一阶导数或高阶单数连续的表面,一般在区域或全局尺
16、度上实现。光滑 DEM 可以使用数学函数表达的地形曲面,或是在整个区域上通过全局内插函数所形成的 DEM,例如通过趋势面拟合内插所建立的 DEM,也可以通过分块内插并建立各个块之间的光滑条件形成的 DEM。(3)按范围分类)按范围分类局部 DEM:对某一工程所建立的小范围的 DEM,或因为研究区域曲面变化比较复杂而将曲面划分成具有单一结构的一个个曲面块,并在该曲面块上所建立的数字高程模型。地区 DEM:介于局部和全局模型之间的 DEM。全局 DEM:全局性 DEM 一般包含大量的数据并覆盖一个很大的区域。4 4 数字高程模型的特点数字高程模型的特点(1)精度的恒定性(2)表达的多样性(3)更新
17、的是实时性(4)其他透视图影像面剖面线特征线等高线线特征点规则分布不规则分布点地形描述不规则的分块函数规则的分块函数局部多项式函数傅里叶级数全局数学描述数字地形表达尺度的综合性5 5 属性数据分类的原则:属性数据分类的原则:A:系统性和科学性系统性和科学性:满足所涉及学科的科学分类方法,能反映出同一类型中不同的级别特点。B:一致性一致性:对代码所定义的同一专业名词、术语必须是唯一的。C:标准化和通用性:标准化和通用性:有国家或行业标准的要按标准进行,没有标准的必须考虑在有可能的条件下实现标准化。编码的标准化就是拟定统一的代码内容、码位长度、码位分配和码位格式为大家所采用。D:编编码的简捷性:码
18、的简捷性:在满足国家标准的前提下,每一种编码应该以最小的数据量载负最大的信息量,便于计算机存储和处理,又具有相当的可读性。E:编码的可扩展性:编码的可扩展性:代码的码位一般要求紧凑,减少冗余代码,但应考虑实用时会出现新的类型需要加入到编码系统中。6 6 坡度是坡度是表示地表面在该点倾斜程度的一个量。从数学上来讲,坡度等于地表面函数在该点的切平面与水平面夹角的正切,即 tanA=h/d7 坡形的分类:坡形的分类:坡形是指局部地表坡面的曲折状态。宏观上坡形形态包括:直线形斜坡、凸形斜坡、凹形斜坡和台阶形斜坡。8、坡度发生变化的点为坡度变化点,坡度变化点,简称变坡点,变坡点,在地形纵剖面上反映了坡度
19、变化趋势;方向变化点方向变化点则在平面上刻画地形的走势变化;它们也是地形特征点。9 9、DEMDEM 数据源的三大属性:(数据源的三大属性:(1 1)数据的分布:)数据的分布:数据的分布是指采样数据位置及分布。(2 2)数据的密度:)数据的密度:指采样数据的密集程度,与研究区域的地貌类型和地形复杂程度相关。(3 3)数据的精度:)数据的精度: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的。1010、数据分级的基本原则、数据分级的基本原则:1、客观反映数据的分布特征,以数据的集群性作为分级数的重要依据2、分级界限应该在数据变化显著特征上,使各级内部差异尽可能的小,等级之间的差异尽
20、可能大;3 分级的结果:一般是中间级别包含的单元多,两端级别包含的单元较少。也有要求分级单元数近似相等;4 根据地图的用途和要素特征,要保留个别的特征级别和分级界限;5 为了用途的方便,应适当的保持凑整的分级界限;6 对于离散分布的现象,且物理个数不多,相邻级别的分级界限可以断开;对于连续分布现象的分级,其界限必须是相互连接的,并要正确处理分级点的所属关系。1111、采样(、采样(samplingsampling):就是把时间域或空间域的连续量转化成离散量的过程。1212、数据采样的布点原则:(、数据采样的布点原则:(1 1)沿等高线采样。)沿等高线采样。在地形复杂的陡峭地区,采用沿等高线跟踪
21、的方式进行数据采集;而在平坦的地区,则不宜沿等高线采样。(2 2)规则格网采样。)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。(3 3)剖面法。剖面法。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,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,而不象在规则采样中以静态方式进行。所以剖面法采样速度较快,精度较低。(4 4)渐进采样。)渐进采样。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。(5 5)选择性采样)选择性采样。根据地形特征如山脊线、山谷线、断裂线以及离散特征点进行采样。(6 6)混合采
22、样。)混合采样。混合采样可建立附加地形特征的规则矩形格网 DEM,也可建立没特征附加三角网混合形式的 DEM,但其数据的存储管理与应用均较复杂。1313、数据采样方式:、数据采样方式:(1)交互式采集 (1)、(3)、(5)和(6)等策略适合于利用解析测图仪或机助测图仪进行半自动化的交互式数据采集。(2)自动采集:按照相片上的规则格网利用数字影像匹配进行数据采集;若利用高程直接求解的影像匹配方法,也可按模型上的规则格网进行数据采集。1313、DEMDEM 生产涉及三个基本问题:生产涉及三个基本问题:精度、生产成本、效率。1414、DEMDEM 质量评价标准:质量评价标准:1 1)保凸性。)保凸
23、性。所谓保凸性,就是 f(x)与 F(x)有共同数量的拐点,并且拐点的位置一致或接近。如果两条曲线的拐点数目接近但位置较远,或位置接近但拐点数量不一致,就认为保凸性较差,这是对平面曲线而言的。2 2)逼真性。)逼真性。如果在逼近的定义域上,逼近面 F(x,y)和实际地形曲面 f(x,y)对应点之间满足关系式:MAXf(x,y)F(x,y),则认为逼近面达到逼真性要求。3 3)光滑性。)光滑性。对曲线来说,光滑性是指曲线上切线方向变化的连续性,或者说曲线上曲率的连续性。实际的光滑曲面,如果逼近它的曲面含有棱角或角点,则认为曲面的光滑性较差。1515、DEMDEM 生产项目设计:生产项目设计:对于
24、一个 DEM 项目,最终目标是要经济、快速地生产满足一定精度要求的 DEM 产品。即 DEM 生产涉及三个基本问题:精度、生产成本、效率。(1 1)精度)精度-数据源要有足够的精度和采样密度和表面重建的方法(算法)要完美成本提高效率降低因此,要建立高效规范的生产流程。DEMDEM 生产技术设计生产技术设计 1 1)项目情况归总:确定项目单位、承担单位、负责人及项目所涉及的测区概况;2)资料收集与分析:所有原始资料,并对这些资料进行分类整理;3)确定作业依据与技术标准:明确所采用的生产技术规定、技术标准、图幅分幅、编号标准、要素分类与代码标准等,这是指导、监督、检查整个生产过程的基本依据。4)生
25、产设备及技术力量的配置:确定软硬件和技术力量的合理配置;5)制定技术路线与流程:在整个 DEM 生产过程中,有三条主线:数据流程主线、作业流程主线、质量控制主线,数据和质量控制主线构成了最终成果的主要内容,二者又是作业流程的质量评定的依据。6)制定操作规程:对 DEM 生产过程中影响生产效率和铲平质量等的环节都应作出明确具体的规程;7)制定质量控制方案:对 DME 应采取多级检查和验收制度,填写质量跟踪卡。较低级部门100%检查,较高级部门抽样检查。8)确定上交成果:包括数据文件、图文件、文档资料等。9)进度计划:为了保证生产质量,将整个系统的各项任务分解成具有先后顺序的各个阶段 DEMDEM
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