数字高程模型（朱红春版）复习 2021

19-3 DSH,CBW

2021年遥感系数字高程模型考试，这个去年（2020年）疫情期间的题目，附参考答案，仅代表编写者个人观点，不及格概不负责。

附CBW整理的前两章翻译题预测，其他章节请参考课本。

本文章为19-3遥感DSH初步撰写，CBW补充及排版整理。

开源山科万岁 ! ! !

一、简答题

请解释Grid based DEM和TIN based DEM的含义，并说明DEM的功能

DEM含义

DEM 的数学定义为区域D 的采样点或内插点Pj 按某种规则 ζ 连接成的面片M 的集合。连接规则 ζ 构成DEM 的数据结构，可以是呈规则分布的格网或不规则分布的格网。（P5）

当 ζ 为正方形格网时，这时的DEM 称为基于格网的DEM(Grid based DEM)；当ζ 为三角形时，这时实质上是用互不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形网络逼近表面，这时的DEM 称为基于不规则三角网的DEM(TIN based DEM)
DEM的功能：

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，而这三部分根据功能又可划分成五个功能模块，即DEM 模型建立、DEM 模型操作、DEM 分析、DEM 可视化、DEM 应用（P11）

请解释规则格网DEM数据模型的两个理解，说明格网DEM的简单数据结构的具体内容

两个理解

一般有两种观点。一是格网栅格观点，认为该格网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元内部是同质的，格网单元对应的实地单元区域内的高程是均一的高程，任何落在该格网的点与格网单元的值是相同的，这种数字高程模型表达的是一个不连续的表面。另外一种观点是点栅格观点，认为格网单元的数值是网格中心点的高程值，此时的DEM 是连续的，在这种DEM 上任意点的高程都要通过内插方式确定。
简单数据结构：

规则格网DEM数据在水平方向和垂直方向间隔相等，格网点的平面坐标隐含在行列号中，常采用矩阵结构存储，即按行（或列）逐一记录每一个网格单元的高程值。此外，还有采用游程编码结构、块状编码结构、四叉树编码结构等数据结构存储DEM数据的。

请列举DEM数据采集主要方法，并对其进行对比分析（P47-54）

主要方法

①地形图数据采集方法。分为两种类型：手扶跟踪数字化和扫描矢量化

②摄影测量数据采集方法

③野外测量数据采集方法

④DEM 数据采集技术的进展，近几年来出现的合成孔径雷达干涉测量数据采集方法和机载激光扫描数据采集方法
对比分析

地形图数字化、摄影测量方法、野外测量等DEM 数据采集方法各有特点，其对DEM精度的影响、费用成本以及应用范围等不尽相同。针对一个DEM 建设项目或DEM 应用项目，如何选择数据采集方法并无一定之规，但一般要考虑的是目的需求、DEM 精度、所具有的设备条件、所拥有的经费等因素，同时必须清楚了解各种方法的优缺点。

地形图采集数据的方法所需的原始数据(地形图)容易获取，对采集作业所需的仪器设备和作业人员的要求不高，采集速度也比较快，易于进行大批量作业。手扶跟踪数字化的优点是所获取的向量形式的数据在计算机中比较容易处理；缺点是速度慢、人工劳动强度大，为了保持一致的精度每人每天的工作时间最好不要超过6 小时，否则采集的数据精度难以保证；数字化时，数据的可靠性主要取决于操作员的技术熟练程度，操作员的情绪会严重影响数据的质量，操作员的经验和技能主要表现在能选择最佳点位来数字化地图上的点、线、面要素，判断十字丝与目标重合的程度等能力；但在线划稠密的地区几乎无法作业。

与手扶跟踪数字化相比，地图扫描数字化具有速度快、精度高、自动化程度高等优点，逐步成为GIS 中最主要的地图数字化方式。虽然地图扫描数字化的自动化程度高，但技术相对复杂，必须具有对扫描后的地图数据的预处理能力。同时，其最后结果同地图跟踪数字化的结果是相同的，因而还必须具有地图跟踪数字化所具有的一些功能。

摄影测量在我国基本比例尺测图生产中起到了非常关键的作用。随着数字测量技术的推广，在DEM 空间数据的采集中，摄影测量也将起到越来越重要的作用。影像数据的特点是更新速度快，对于大范围、大批量的数据的获取是一种主要的方法。但高程数据的精度受外界因素影响较大，对于精度要求很高的DEM 难以满足要求。近年来出现的高精度影像获取方法，数据精度高，但费用昂贵。

野外实测数据所获得的数据精度在三种方式中最高，适用于小范围大比例尺DEM生产。但由于数据获取的工作量大，效率不高，费用昂贵，不适合大规模的数据采集任务，其可做大范围DEM 的小范围局部更新以及工程用DEM 的建立。

举例说明基于DEM的地形多维可视化的方法

地形可视化可分为一维地形可视化、二维地形可视化和三维地形可视化。

一维地形可视化一般是指地形断面（地形剖面），即通过图形方式反映地形在给定方向上的起伏特征。

地形剖面是工程中常用的一种地形起伏表达形式，特别是线状工程如公路、铁路、渠道等，地形剖面刻画沿一条直线或曲线在垂直方向上的地形起伏情况。
二维地形可视化将三维地形表面投影到二维平面，并用约定的符号进行表达，根据所采用的方式，二维地形可视化又有写景法、等高线法、分层设色法（基于高程的分带设色、基于高程数据的灰度影像(半色调符号表示法)）、地形晕渲法。
三维地形可视化试图通过计算机模拟的手段来恢复真实地形，包括线框透视、地貌晕渲、地形逼真显示、多分辨率地形模型等。从DEM 到地形的三维再现(含地表分布的各种地物)，需要经过如下几个步骤：
- DEM 的三角形分割(TIN不需要此步)。
- 透视投影变换
- 光照模型
- 消隐和裁剪
- 图形绘制和存储
- 地物叠加

说明DEM的误差的主要来源；解释什么是地形描述误差，影像该误差的主要因素是什么（120-121、131-132）

主要来源：

①地形表面特征

②数据源误差

③采点设备误差

④人为误差

⑤采样点密度和分布

⑥内插方法

⑦DEM 数据结构
地形描述误差：

在假定DEM 高程采样误差为零的条件下，模拟地面与实际地面之差异，定义为DEM 地形描述误差（Et）。栅格中点的高程与该栅格四个角点高程平均高程之差，可以被定义为该栅格的地形描述误差。
影响主要因素：

DEM栅格分辨率与地形起伏的复杂程度是影响Et大小的两个关键因子。

说明格网DEM建立的一般方法步骤，并说明关键点在哪里（P65）

一般方法步骤：

①采用合适的空间模型构造空间结构

②采用合适的属性域函数

③在空间结构中进行采样，构造空间域函数

④利用空间域函数进行分析
关键点：

在DEM 建立过程中的关键环节是格网点上高程的内插计算。内插计算是DEM 的核心问题，贯穿于DEM 生产、质量控制、精度评定、分析应用的各个环节。

利用格网DEM，进行坡度、坡向计算采用的数学基础是什么?进行水文分析的方法核心是什么?并请解释基于DEM提取沟谷网络过程中,Flow direction和Flow accumulation的值域范围及其含义（P134）

坡度、坡向计算采用的数学基础：

坡度、坡长属于微观坡面因子，微观坡面因子具有空间矢量特征，通常采用基于空间矢量分析原理的差分计算方法自动提取。

坡度的计算：地表单元的坡度就是其切平面的法线方向与Z轴的夹角。若需求格网点上的坡度时，可取3×3的格网单元进行计算。也可求出该格网点八个方向上的坡度，再取其平均值。
坡向的计算：坡向是地表单元的法向量在OXY平面上的投影与X轴之间的夹角。

水文分析的方法核心：

(1)洼地的处理

(2)平地的处理

(3)水流方向及水流累积量的确定

(4)水道起始位置的确定。

其中洼地是影响地表流水过程的重要因素，在提取水系的过程之前首先需要按照某种规则对DEM 数据进行无洼地化（1. 平滑处理 2. 填平处理）处理。
Flow direction和Flow accumulation的值域范围及其含义：

汇流量（Flow Accumulation）：创建每个像元累积流量的栅格。可选择性应用权重系数。

流向（Flow Direction）：水流方向是水流离开此格网时的指向。创建从每个像元到其最陡下坡相邻点的流向的栅格。

汇流量提取的原理沿流向方向对各栅格处的汇流量逐步进行累加，水流累计矩阵表示每一栅格点上的流水累计量，在确定了水流的方向以及水量分配以后，可以用区域地形水流模拟的方法获得。通过不同的阈值，可以提取出不同级别的汇流网络，阈值设置的越小，谷网就提取的越多，很小支的很窄的河流都会被提取出来；阈值设置的越大，提取的谷网就会越小，只能提取到规模较大的河谷。

确定水流方向的算法有很多，每一种算法的假设前提都不尽不同，因此得到的结果也有差异。基本的算法根据其基本思想大致可以分为：单流向算法(SFD)和多流向算法(MFD)以及其他算法。单流向算法是将某单元格上产生的径流都流向一个最低的相邻单元格，多流向算法将径流按一定的比例流向若干相对较低的相邻单元格。

二、解释以下三段英文的含义

（一）

The fundamental principle behind the determination of flow direction is that water will flow downhill( from a higher place to a lower place) .On a terrain surface, peaks are the maxima and pits are the minima. Ridge lines connect local maxima and valleys lines connect local minima .Therefore ,water will flow from peaks and ridge lines to valleys and pits. The direction of flow can also be determined using a DTM.

确定水流方向的基本原理是，水会从高处流向下游，在地形表面上，山峰是最大的，坑是最小的。山脊线连接局部极大值，山谷线连接局部极小值，因此，山脊线将从山峰和山脊线流向山谷和凹坑。还可以使用DTM确定流动方向。

（二）

DEM data model is landform’s abstract model, that build a basis for documenting and organizing terrain data for stored, process and application. A DEM data model explicitly determines the structure of data or structured data. DEM data structure is a particular way of storing and organizing surface elevation data in a computer so that it can be used efficiently.

DEM数据模型是地形的抽象模型，为地形数据的存储、处理和应用奠定了基础。DEM数据模型显式地确定数据或结构化数据的结构。DEM数据结构是在计算机中存储和组织高程数据的一种特殊方式，可以有效地利用DEM数据。

（三）

Terrain variables (parameters) could be derived per DEMs as a new layer of matrix recording the surface characteristic at corresponding pixel level. Terrain feature element means those specific terrain points, lines ,polygons or terrain textures possessing of critical significance in representing and controlling the general shape and characteristic of the surface relief.

每个地形变量(参数)可以作为一个新的矩阵层，记录相应像素级的表面特征。地形特征元素是指在表征和控制地表起伏的一般形状和特征时，具有重要意义的特定地形点、线、多边形或地形纹理。

附：前两章翻译题预测

（一）DEM data model is landform’s abstract model, that build a basis for documenting and organizing terrain data for stored, process and application. A DEM data model explicitly determines the structure of data or structured data.

DEM数据模型是地形数据的抽象模型，为地形数据的记录和组织奠定了基础，便于存储、处理和应用。DEM数据模型明确地决定了数据或结构化数据的结构。

（二）Digital terrain model is defined in two-dimensional area on the topographical features of the spatial distribution and associated information for a finite n-dimensional vector series {Xi}, DTM is a subset of DEM which represents the topography of a limited three-dimensional spatial distribution of vector series {X, Y, Z}, where X, Y position mean the terrain of the Plane, Z indicates the corresponding point of elevation.

数字地形模型是定义在二维区域地貌的空间分布和相关信息有限n维向量系列{11},DTM是DEM的一个子集代表有限的地形的三维空间分布向量系列{X, Y, Z},其中X,Y坐标表示该平面的地形，Z坐标表示相应的高程点。

（三）Generally, both DEM and DTM mean “Any digital representation of the continuous variation of relief over space”. However, the term DEM is preferred for models containing only elevation data, but DTM with a rather wider meanings, because the term ‘terrain’ often implies attributes of a landscape other than the altitude of a landscape, This explanation distinguishes the two terms in terms of the information contents.

一般来说，DEM和DTM都表示“地形在空间上连续变化的任何数字表示”。然而，术语DEM是只包含高程数据的模型的首选，而DTM有更广泛的含义，因为术语“地形”通常意味着一个景观的属性，而不是一个景观的高度。这一解释区分了两个术语的信息内容。

（四）The U.S. Geological Survey (USGS), a major producer of digital data, pointed out (USGS, 1987) that **“**DTM is known as a generic term for digital terrain data of any format, and restricts the term DEM to digital terrain data in a grid format”. This explanation describes the two terms based on their data structures.

数字数据的主要来源美国地质调查局(USGS)指出(USGS, 1987)“DTM是任何格式的数字地形数据的通用术语，而DEM则被限制为网格格式的数字地形数据”。这一解释基于它们的数据结构描述了这两个术语。

（五）Digital Terrain Analysis is to construct mathematical abstractions of the terrain surface to delineate or stratify landscapes and to examine or define the relationships between the terrain surface and various biophysical processes/patterns.

数字地形分析是构建地形表面的数学抽象，以描绘或分层景观，并检查或定义地形表面与各种生物物理过程/模式之间的关系。

（六）Concept: connect discrete points to a series of contiguous and structure-best triangles of irregular size and shape.

概念:将离散点连接到一系列连续的不规则大小和形状的结构最佳三角形，不规则三角网(TIN)。，特征，变量的决议，考虑地形特征，存储复杂，建设的时间很长。

（七）The F-DEM is based on the “Vectorizing simulation and rasterizing organization” method and combines characteristics both the terrain and the physical objects by applying the object-oriented technology.

F-DEMs not only can maintain the structural integrity of grid DEM, but also can keep its efficiency of terrain simulation with preserved features.

F-DEM基于“矢量化模拟和栅格化组织”方法，应用面向对象技术，结合地形和物理对象的特点。

F -DEM既能保持网格DEM的结构完整性，又能在保留特征的前提下保持地形模拟的效率

（八）Hybrid surface modeling must have a basic grid of squares or triangles obtained by systematic grid sampling.

If break lines and form lines are available for inclusion, the regular grid is broken into triangles and a local irregular triangular network is implemented.

混合曲面建模必须有一个正方形或三角形的基本网格，通过系统的网格采样获得。

如果有折线和形式线可供包含，则将规则网格分解成三角形，实现局部不规则三角形网络。

（九）The construction of a grid DEM is actually a mathematical transformation process from discrete original sampling points to regularly distributed ones.SPATIAL INTERPOLATION is usually the indispensable process in constructing rasterDEMs.

网格DEM的构建实际上是从离散的原始采样点到规则分布的采样点的数学转换过程。空间插值通常是构建栅格DEM必不可少的过程。

（十）Interpolation is the procedure of predicting the value of an attribute at unsampled site from the measurements made at point locations within the same area or region.

插值是根据在同一区域或区域内的点位置进行的测量来预测未采样位置的属性值的过程。

（十一）global interpolators determine a single function which is mapped across the whole region ，change in one input value affects the whole map.

local interpolators apply an algorithm repeatedly to a small portion of the total set of points ，change in an input value only affects the result within the window .

全局的：全局插值器确定一个映射到整个区域的函数一个输入值的变化会影响整个地图

局部的：局部插值器将算法重复应用于总点集的一小部分输入值的更改仅影响窗口内的结果

（十二）There is no ‘best’ interpolation algorithm that is clearly superior to all others and appropriate for all applications.

没有“最佳”插值算法可以明显优于所有其他插值算法，并且适合所有应用。

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