全 文 ：第 2 卷 第 2 卷
1 9 8 9 年 4 月
林 业 科 学研 究
FOR E ST R E SE^ RCH
V o l
A P r
. ,
N O
。
2
1 9 8 9
资源 信 息系 统 中数字 地 形
模型子系统的建立
鞠 洪 波
(中国林业科学研究院资源信息研究所 )
摘要 数字地形模型 (D T M ) 是资源信息系统中的重要组成部分。 以格网方式
建立的地形模型具有定位及定量化的优点 , 用途很广 。 本文详细介绍 了 D T M 中数
据采集、 坡度和坡向数据的计算、 格网的加 密 、 地形模型的建立和三维立体绘 图的
原理和方法 。 并时在微机环境下建立的 D T M 的功能做 了系统介绍 。 由本系统建立
的数字地形模型可广泛用于遥感图像处理 、 植被分类 、 立地条件划分 、 坡度和坡向
图制作 , 也可用于林区道路选线 、 土石 方计算、 水库选址和坝高与序容计算及洪水
危害估计等方面 。
关键词 信息系统 ; 数字地形模型 , 微型计算机
一、 前 公,曰
资源信息系统是关于资源空间数据管理与分析的计算机软件系统 。 该系统将有关资源的
图象(航空象片和卫星影像 )、 图形(各种专题图 , 如森林分布图 、 土壤图 、 土地利用现 状图
等)、 数据资料和文字资料存入计算机 , 建立图像库、 图形库和数据库 , 并可对其进行编辑、
检索 、 统计、 运算 、 更新和分析。 以图像 、 图形、 统计数据或文字报告的形式将结果提供给
用户 。 可为资源调查、 动态监测 、 规划设计
与管理提供信息 , 是资源管理的理想工具。
资源信息系统框图如图 1 所示。
资源信息系统一般由几个子系统组成 ,
数字地形模型是该系统中的重要组成部分 ,
其主要功能是地面高程数据的采集 , 其他地
形要素的提取 , 地形数据库与数字地形模型
的建立 , 地形的三维立体透视图及数据和图
形输出等 。
数字地形模型一般以格网方式建立 , 其
地表单元的位置坐标隐含于格网的行列坐标
之中。 因而该模型具有定位及定量化优点 ,
本文于1 9 88年12 月1 0 日收到 ,
〔互刃 少名 咚叫 恤 . 川
田 像卜
影
一像
段劫州
田 1 资源信息系统框图
1 5 0 林 业 科 学 研 究 2 卷
在许多领城都有J‘一泛的用途 。 据此 漠型可直接绘制等值线图 、 坡度图和坡向图等 , 也可用于
道路或水渠的选线 、 土石方计算 、 水库选址和坝高与库爷衬卜算 、 洪水危害估计等方面。 在遥
感图像处理中 , 地形数据用于图像的几何与辐射校正 , 制作正射影像图 。 在利用遥感图像进
行植被分类时 , 地形数据作为辅助数据 , 可以使植被的垂直分布规律很 自然地体现到山区植
被分类的结果中 , 明显改善分类精度。 此外 , 利用地形信息还可以进行立地条件的划分和评
价等 。
数字地形模型子系统的建立是地理学、 计算机技术和遥感技木紧密结合的结果 。 资源信
息系统日前是世界上几个主要发达国家正在积极研制开发的项目。 在微型计算机上开发资源
信息系统具有投资少 、 实用性强的特点 , 适合我国国情 , 更有利于推广和应用 , 是目前研究
的重点和今后发展的主要方向 。
二 , 原理和方法
数字地形模型 (D T M )是用于表示地面特征的一系列数据。 这些数据既可是高散形式的 ,
也可是规则排列的 。 例如 , 利用在 劣 、 犷方向都是等间隔的地面点的高程表示地形 , 则称之为
数字高程模型 (D H M ) 。 除高程外 , 在D T M中还包含地面点的坡度和坡向等地形信息。
(一 ) 数字高程模型的建立
1
. 数据 的获取 在数字高程模型中数据点的作用相当于外业测绘等高线时的碎部点 , 它
的获得和定位是建立 D HM 的关键 , 也是获得其他信息的基础 。获取数据的方法有许多种 , 一般
是把现有的地形图数宇化 , 来得到地面高程数据 。
数据 , l从是建立 D HM的依据 , 原始数据点太少会影响D H M 的精度 , 过多又会大大增加取
样与数据处理的工作量和不必要的存储空 间。 根据地形的复杂程度和精度要求来确定取样间
隔和选取适当比例尺的地形图。 也可在数字化过程中调整取样密度。
2
.
D H M 中未知点的内插 在 D H M 中 , 由于量测原始数据点的排列方式的多样性及不
同用户对所需 D HM 密度的不同要水 , 必须对数字化的原始数据进行重新排列和不同方式的
内插 。
由于不可能用一 个低次的多项式来模拟整个研究地区的地形 , 若用高次函数去拟合 , 又
会产生解的不稳定性 [ ‘J。 因此 , 在D H M的内插中可以采用一个函数式来拟合一个局部地形 ,
这种方法一般称为局部 函数内插法 。 采用这种方法是将研究地区的地形数据进行分块内插 ,
内插时要考虑到相邻的局部函数在公共接边处应连续光滑 , 这样能得到比较满 意的 拟 合结
果 。 内插完成后 , 即生成X 、Y方向等间距的数字高程模型 。
(二 ) 坡度和坡向数据的获取
数字地形模型 万},坡度和坡向数据是根据已有的 D H M 地面高程数据通过计算得到的 。 即
根据等 间距格网排列的 高程数据 , 求解出每一格网结点处坡度矢量的估计值 , 进而得到该结
点的坡度角和方位角(坡向)[ ’] 。
在 D H M中第 i 行、 第 声列结点处的坡度近似值由下式给出 :
s 二 t a n 一 ’((了 (x ‘一 : , , 一 x ‘罕: , i)‘ + (x ‘ , i一 : 一 x ‘ , , 十 、)“ ) / 2‘) (一)
式中 x , 矛—是 D H M中第 f行 、 第 了列处地面高程 , d—是D H M格网间距 ,
仑期 鞠洪波 : 资源信息系统中数字地形模型子系统的建立 15 1
令 A = (x 卜 1 ; , 一 x ‘; ; ; , ) B = (x ‘小 : 一 x ‘; s军, )
则该点的坡向角为 :
R = t a n
一 ‘
(A / B ) (2 )
经过计算和适当变换就得到了包括地面高程、 坡度和坡向数据的数字地形模型。
(三 ) 数字地形模型的三维立休显示
资源信息系统的重要特点是空 间定位和图形显示能力强 。 数字地形模型的三维立体显示
使所建的模型在计算机屏幕上以立体图的形式展示给用户 , 并可通过绘图仪或打印机输出 ,
为用户的调查和规划设计服务。
计算机的屏幕是一种二维显示设备 , 数字地形模型的三维显示是应用透视变换的方法将
三维空间的地面实况映射到二维平面上。
在二维的图形显示屏上得到三维物体的图形 , 必须将二维屏幕坐标(x, , 犷)与三元直角坐
标 (x , , , z) 联系起来。 具体做法是通过参考坐标系原点 , 将三维坐标(x , y , z) 投射到 (x’ , 犷)
图形平面上以产生实际的二维坐标 。
1
. 线划透视图 线划透视图适用于屏幕图形显示和绘图仪或打印机输出 。 输出线 划 透
视图时 , 由下图廓开始逐步向上图廓推进 。 此时必须设置一个数组 , 存储当前的最高断面位
置 。 新绘的断面不得低于该断面的位置。 这一工作称为隐蔽线处理 。 图 l 是经消隐处理的河
北省平泉县数字高程模型局部线划透视图(行式打印机打印输出)。
图 2 致字高程模型线划透视目
2
。 影像透 视 图 影
像透视图适用于图像显示
方式 。 是将影像数据与地
面高程数据一一对应 , 由
地面高程数据计算影像数
据在透视图像中的点位。
显示时由上图廓向下图廓
逐行计算 。 断面位置为后
算者遮挡的部分 , 自动地
由后者的数据刷新 。 因此 ,
不必进行消隐处理 。
各种专题图经数字化
后可以影像透视图的方式与 D T M 叠加 , 也可以线划透视图的方式绘制专题立体图 。
三 、 数字地形模型子系统的设计与功能
(一 ) 系统逻辑结构
数字地形模型子系统采用模块化程序设计方法 , 每一模块实现一种处理功能 。 其逻辑结
构框图见图 3 。
数字地形模型子系统用FO R T R A N 语言写成, 可在 IBM PC / X T 、 A T 、 28 6 、 38 6 和
与其兼容的各种微机上运行。 系统采用人机对话方式 , 各种处理功能的选择采用菜单方式 ,
1 5 2 林 业 科 学 研 究
子 图地 致 坡 致 地 , 致 催形 顶 字 度 字 形 口 据 图
效 处 . 离 坡 地 彼 ‘获 处 象拐 班 程 向 一 居 · . 理 . 统获 徽 计 形 岸 . 与 计取 月 算 橄 份 取 , 地 效里 理 形 拐
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t 出
计
算
图 3 逻样结构框 图
2 卷
操作简单 , 极易掌握。 部
分显示软件 还 用 B A sI C
语言编写 , 以便使该系统
能在中分辨率显示器条件
下运行 。
(二 )数字地形橄型系
统功能
1
。 高程数据 的获取
该模块包括数据文件的建
立和原始数据的输入 , 用
格网法或数字化仪将地形图数字化并输入计算机。
2
. 预 处理 将输入的数据重新排列 , 对数据进行修改和编辑操作 。 以点或线的形 式 在
计算机屏慕上显示原始数据和预处理的结果。
3
. 数据 的内擂 该模块可根据原始数据获取的不同方式 , 选取 以下三种内擂算法来产生
网格数据或进行网格的加密 。
(1) 双线性多项式内插 使用待定点最邻近的四个数据点 , 确定一个双线性多项式 :
Z = A
。。 + A lo x + A
o ly + A : lx 夕 (3 )
其矩阵形式为 :
‘= “ · ,
(置::艾::)(;) (4 )
即利用已知点求解四个系数 A ‘j , 然后根据待定点的 x 、 穿坐标求出待定点的高程 。
(2 ) 双三次多项式 (样条函数) 其矩阵形式为 :
fA
。。
A 。: A 。: A
o 3
1 f 1 1
Z = ( 1 x x
“ x 3 )【A 1 0 A l! A 1 2 A 1 3 {{·
IA
: 。
A : : A : : A : : ⋯⋯v ,
t通3。 A 3 , A 。: A 3 3 J t, ,
(5 )
根据 己知点求出 A 阵 , 然后根据待定点的 x 、 y 坐标求出高程【’]。
(3 ) 移动曲面拟合与邻近点法 当待定点与某一原始数据点的距离小于给定的阔值时 ,
直接用该点的高程值做为插得值 。否则 , 选取待定点周围若千个数据点加权曲面拟合 。 曲面函
数的普通二次曲面方程为 :
Z = a x , + bx 万 + c 夕2 + d x + e夕 + f (6 )
或用完全二次曲面方程 :
Z = a (x
Z + 万2 ) + 今x + c , + d (7 )
以有效地减少运算时间。 数据点的权函数取 l/ d , , 其中 d 为数据点与内插点之间的 距
离。
内插的结果即为格网结构的数字高程模型 。
4
. 坡度和坡 向的计算 根据式(1) 和 (2) 逐点计算每一格网结点的坡度和坡向。建立格网
结构的数字坡度和坡向模型 , 并与 D H M一起构成 D T M 。
2 期 鞠洪波 : 资源信息系统中数字地形模型子系统的建立 1 5 3
5
。 地形数据管理 地形数据一般分两级管理 。 第一级为目录管理 , 主要内容为提供数据
库中所含地形数据文件的记录长度 、 行列数 、 所处地理位置 、 所含地形图数量与图幅号和模
型格网间距等 。 第二级为数据文件管理 , 主要内容为数据文件的编辑 、 修改和更新 。
6
。 子窗口数据提取 该模块的功能是在数字地形模型数据文件中提取窗 口数据 , 窗口的
大小由用户 自由定义 , 并可隔点取样。
7
。 数据处理与地形要素计算 该模块的功能包括数据的压缩 , 生成影像数据文件 , 数据
文件统计值计算 , 相对高差 、 任意两点间高差及水平距离和实际距离的计算 , 沟谷与山脊线
的提取等。
8
。 图形 图像及数据输 出 该模块 由两个子模块组成 , 即 :
(1 ) 图形子模块 , 其功能为 : 数字高程模型子 区域的三维立体图(线划图 )。 图形经过消
隐处理 , 具有很强的立体感 。 其逻辑框图如图 4 所示 。
蓝视器
图 4 逻辑框图
(2 ) 图像子模块 , 其主要功能为 : 在屏幕上扫
描输出高程、 坡度和坡向数据的密 度 分 割 图 , 坡
向 、 专题图或卫星影像与高程模型立体图的叠加图
像—影像立体图 。以河北省平泉县为例 , 用该子系统建 立 1 0 x
1 0 m 间距的数字地形模型 , 用于辅助遥感图像 进
行资源调查和立地质量评价 , 取得了满意的结果 。
四 、 结 语
1
. 本文简述的D T M子系统对原始数据点的来
源 及获得方法实际上没有限制 , 它可以是外业大地
测量或是内业摄影测量的结果 , 也可以是现有地形
图数字化处理的结果 。 无论通过何种途径和方法所
得到的原始数据点对本子系统而言 , 均作为离散分
布的地面数据点。
2
。 为了保证所建立的密集规则格网数字地形模型的精度 , 原始数据应具有足够的 密度
并尽可能均匀分布。 特别要注意地形变化线 、 河流、 沟谷及山头等处数据的采集。
3
。 由本系统建立的数字高程模型的格网间距可根据需要任意选取 , 并可根据地形的特点
选择不同的内插方法。
4
。 由本系统建立的数字高程模型可广泛用于制作正射影像地图 、 遥感图像处理、地形剖
面分析 、 地层趋势分析 、 水库选址、 林区道路及桥梁设计等许多方面 。
5
。 本系统可在 IBM PC / X T 、 A T 及各种兼容的 2 8 6 、 38 6微机上运行。
参 考 文 献
仁1 〕 王之卓 , 1 9 79 , 摄影测量原理 , 武汉浏绘学院 , 2 76 一2 81 。
〔2 J L A R S , 1 0 79 , D ig it a l p r o e e s sin g o f L a n d sa t M S S a n d t o Po g r a Ph ie d a t a t o im Pr o v o e a Pa b卜
1 itie s fo r e o m Pu t e r iz e d m a p p in g o f fo r e s t c o v e r t y p e s , Pu r d u e U n iv
. ,
2 0 5
一
1 0 0
.
1 5 4 林 业 科 学 研 究 2 卷
E ST AB LISHME NT OF D IG !T AL T E R R A !N MOD E L
SUB SYST EM IN R ESOU R CE !NFOR MAT !ON SYST E M
Ju H o n g b。
T I
‘。 R ‘
,
: e a r e h j n : 一‘ru te o f F o r e : r R e : o “r e e I o fo r 二 a tio o T e c 人,. ‘q 。: e C月 F )
A b str a c t D ig ita l te r r a in m o d e l (D T M ) 15 a n im Po r ta n t e o m P o n e n t o f a
r es o u r e e in fo r执a t io n sy st em . T h e D T M w ith n e tte d te x tu r e h a s th e a d v a n -
ta g e o f fix ed p o s it io n a n d a ltitu d e
.
It h a s m a n y u se s
.
T h is p aPe r d esc r ibed
in d e ta il t h e P r in e iPle a n d m e th o d o f a ltitu d e d a ta e x tr a e t io n
, s lo Pe a n d
a sPe e t d a t a e a le u la tio n
, e h a n g e o f n e t d e n s it y
, e sta b lishm e n t o f te r ra in m o d e l
a n d th re e d im e n s io n m a P
一
m a k in g
.
T h e fu n e tio n o f th e D T M s u b syste m
u n d e r m ie ro e o m Pu te r e n v iro n m e n t w a s a lso in t ro d u e e d
.
T h e D T M e sta b lis
-
h e d w ith in t h is su b sys te m e a n be u se d in im a g e Pr o e es in g o f r e m o te
se n sin g
, e la ss ifie a t io n o f v eg a ta tio n
, s tr a t ifie a t io n o f s ite e o n d itio n
,
m a P
-
m a k in g o f s lo Pe a n d a sPe e t
.
It e a n a ls o be u se d in se le e t in g r o a d
, q u a n t ity
e a lc u la t io n o f e a r thw o r k
, se lec t in g lo e a tio n o f r e , r v o ir
, e a le u la t io n o f
d a m h e ig h t a n d e a Pa e ity o f r es e r v o ir
,
d is a s te r e st im a t io n o f flo o d w a te r a n d
5 0 o n
。
K ey w o rd s in fo r m a t io n s y ste m , d ig ita l te rr a in m o d el, m ic r o e o m Pu te r
《森林水文研究》征订启事
(林业译丛 7 )
陈利华、 余新晓、 童源等编译
大32 开 10 8千字 1 42 页 平装估价 : 1 . 85 元 , 邮费为估价的10 % , 个人购书每15 元收
邮挂费0 . 1 2元 (不足1 5元 , 按 0 . 1 2元收费) 。 1 9 8 9年 2 月出版 。
本译丛包括 19 篇有关森林水文研究的文章 , 选自近年来美国 、 日本 、 澳大利亚 、 苏联 、
加拿大和新西兰等国的有关学术刊物、 会议论文集等 。 内容主要有森林与水资源的关系以及
森林与水质 、 泥沙和土壤侵蚀的关系。 此外 , 还有部分关于森林公益效能利用的文章。
发行地址 : 北京市和平里胜古西庄
开户银行 : 中国工商银行北京市和平里分理处
8 9 1 3 1 6一2 8
42 1
.
4 7 86 (中国林业出版杜发行部)
号话帐电