数字高程模型不规则四边形网建模方法研究

【摘要】：自从1958年Miller和LaFlamme提出数字地面模型(DTM:Digital Terrain Model)概念以来,其他一些应用数字技术解决地学问题的概念相继出现,数字高程模型(DEM:Digital Elevation Model)成为其中最具代表性的一个。DEM是表示区域上三维向量的有限序列,是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达形式。经过数十年的发展,DEM已经成为空间信息系统的一个重要组成部分,是地球表面检测分析、工程建设、战场环境仿真等领域的重要基础数据之一。 随着空间信息技术的发展,DEM数据获取技术产生了重大的变革,利用卫星、雷达干涉测量等技术可以高效快速的获取高精度的地形数据。但在实际生产应用中,考虑到应用目的和成本的因素,通常选择一种更有效、更廉价的数据获取方式,即通过对原有地形图进行数字化或者通过摄影测量的方式获取数据。通过这种方式获得的数据,其本质上是沿地形特征分布的离散高程点。基于这类数据的DEM建模方法主要有四种：基于点的建模方法、基于三角形的建模方法(TIN:Trianglated Irregular Network)、基于格网的建模方法以及任意两种混合的方式,其中最常用和成熟的是TIN和规则格网的建模方法。TIN结构具有多分辨率、贴近局部地形、精度高的特征,但是复杂的拓扑关系限制了其在地学分析上的应用,尤其在小比例尺、大范围的数据环境下。规则格网拓扑结构简单、数据存储量小,但是易产生较大的数据冗余,对复杂地形特征的表达也不够精细。本文试图寻找一种新的DEM建模方法,既能够保留TIN结构表达地形精度高的特点,又具有简单的拓扑结构,简化地形分析算法。 本文通过构建不规则四边形网(QIN:Quadranglated Irregular Network)的方式建立离散高程点间的关系。不规则四边形网能够顾及所有原始采样高程点,将在平面上接近水平和垂直角度关系的点连成一个向量,通过内插新点,最终构建一个规范化的平面拓扑矩阵。 DEM结构模型作为数据组织基础决定了其相关方法的特殊性,本文在提出不规则四边形网生成算法的基础上,对DEM一系列相关概念进行了讨论,包括： (1)基于不规则四边形网DEM进行等高线提取的方法,分别采用栅格和矢量两种处理方法。其中栅格方法利用了QIN结构规则化拓扑关系的特点,具有较高的效率。 (2)在DEM编辑方面,讨论了不规则四边形网DEM进行点要素增加和删除的方法。 (3)不规则四边形网DEM数据的组织和管理。针对小数据量数据采用文件管理方式,对于大规模的数据应用,则采用数据库方式进行管理。同时进行必要数据压缩,在保证一定数据精度的情况下,减少数据存储量。 (4)DEM是进行数字地形分析的基础数据,DEM建模方法影响数字地形分析的精度和算法的效率。本文研究不规则四边形网基本坡面因子的提取算法,包括坡面与坡向、面积与体积以及坡面变率因子的计算方法。在这一基础上,讨论了基于不规则四边形网地性线查找算法、地貌结构化综合方法和基于SFS(明暗恢复形状)技术的DEM加密方法。 本文最后通过实验对不规则四边形网、TIN和规则格网结构的DEM精度进行了对比评价。实验选择两个实验区,分别对若干DEM评价指标进行计算,通过实验结果发现：在一定离散采样点的情况下,不规则四边形网DEM精度高于规则格网的精度,但略低于TIN结构DEM；不规则四边形网DEM计算的平均坡度更接近实际值,优于TIN和规则格网。 虽然不规则四边形网DEM精度不是所有DEM模型中最优的,但是考虑到其拓扑结构的特性,在进行数字地形分析时的简便性和精度,可以作为除TIN和规则格网外的一种好的选择。