DTM Digital Trunk Module 數(shù)字中繼模塊
DTM Dynamic synchronous Transfer Mode 動態(tài)同步轉(zhuǎn)移模式
1. Digital Trunk Module -- 數(shù)字地形模型
數(shù)字地面模型是利用一個任意坐標(biāo)系中大量選擇的已知x、y、z的坐標(biāo)點(diǎn)對連續(xù)地面的一個簡單的統(tǒng)計(jì)表示，或者說，DTM就是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。地形表面形態(tài)的屬性信息一般包括高程、坡度、坡向等。
數(shù)字地形模型（DTM, Digital Terrain Model）最初是為了高速公路的自動設(shè)計(jì)提出來的（Miller，1956）。此后，它被用于各種線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設(shè)計(jì)以及各種工程的面積、體積、坡度計(jì)算，任意兩點(diǎn)間的通視判斷及任意斷面圖繪制。在測繪中被用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖以及地圖的修測。在遙感應(yīng)用中可作為分類的輔助數(shù)據(jù)。它還是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可用于土地利用現(xiàn)狀的分析、合理規(guī)劃及洪水險情預(yù)報等。在軍事上可用于導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo)、作戰(zhàn)電子沙盤等。對DTM的研究包括DTM的精度問題、地形分類、數(shù)據(jù)采集、DTM的粗差探測、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)壓縮、DTM應(yīng)用以及不規(guī)則三角網(wǎng)DTM的建立與應(yīng)用等。
1．概述 數(shù)字地形模型（DTM, Digital Terrain Model）最初是為了高速公路的自動設(shè)計(jì)提出來的（Miller，1956）。此后，它被用于各種線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設(shè)計(jì)以及各種工程的面積、體積、坡度計(jì)算，任意兩點(diǎn)間的通視判斷及任意斷面圖繪制。在測繪中被用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖以及地圖的修測。在遙感應(yīng)用中可作為分類的輔助數(shù)據(jù)。它還是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可用于土地利用現(xiàn)狀的分析、合理規(guī)劃及洪水險情預(yù)報等。在軍事上可用于導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo)、作戰(zhàn)電子沙盤等。對DTM的研究包括DTM的精度問題、地形分類、數(shù)據(jù)采集、DTM的粗差探測、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)壓縮、DTM應(yīng)用以及不規(guī)則三角網(wǎng)DTM的建立與應(yīng)用等。 1．1 DTM和DEM 從數(shù)學(xué)的角度，高程模型是高程Z關(guān)于平面坐標(biāo)X，Y兩個自變量的連續(xù)函數(shù)，數(shù)字高程模型（DEM）只是它的一個有限的離散表示。高程模型最常見的表達(dá)是相對于海平面的海拔高度，或某個參考平面的相對高度，所以高程模型又叫地形模型。實(shí)際上地形模型不僅包含高程屬性，還包含其它的地表形態(tài)屬性，如坡度、坡向等。 數(shù)字地形模型是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時稱為數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）。高程是地理空間中的第三維坐標(biāo)。由于傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是二維的，數(shù)字高程模型的建立是一個必要的補(bǔ)充。DEM通常用地表規(guī)則網(wǎng)格單元構(gòu)成的高程矩陣表示，廣義的DEM還包括等高線、三角網(wǎng)等所有表達(dá)地面高程的數(shù)字表示。在地理信息系統(tǒng)中，DEM是建立DTM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其它的地形要素可由DEM直接或間接導(dǎo)出，稱為“派生數(shù)據(jù)”，如坡度、坡向。 1．2 DEM的表示法 一個地區(qū)的地表高程的變化可以采用多種方法表達(dá)，用數(shù)學(xué)定義的表面或點(diǎn)、線、影像都可用來表示DEM，如圖9-1所示。 1）數(shù)學(xué)方法 用數(shù)學(xué)方法來表達(dá)，可以采用整體擬合方法，即根據(jù)區(qū)域所有的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，用傅立葉級數(shù)和高次多項(xiàng)式擬合統(tǒng)一的地面高程曲面。也可用局部擬合方法，將地表復(fù)雜表面分成正方形規(guī)則區(qū)域或面積大致相等的不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行分塊搜索，根據(jù)有限個點(diǎn)進(jìn)行擬合形成高程曲面。 2）圖形方法 （2．1）線模式 等高線是表示地形最常見的形式。其它的地形特征線也是表達(dá)地面高程的重要信息源，如山脊線、谷底線、海岸線及坡度變換線等。 （2．2）點(diǎn)模式 用離散采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)建立DEM是DEM建立常用的方法之一。數(shù)據(jù)采樣可以按規(guī)則格網(wǎng)采樣，可以是密度一致的或不一致的；可以是不規(guī)則采樣，如不規(guī)則三角網(wǎng)、鄰近網(wǎng)模型等；也可以有選擇性地采樣，采集山峰、洼坑、隘口、邊界等重要特征點(diǎn)。 圖9-1：DEM的表示方法 在地理信息系統(tǒng)中，DEM最主要的三種表示模型是：規(guī)則格網(wǎng)模型，等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型。2．DEM的主要表示模型 2．1規(guī)則格網(wǎng)模型 規(guī)則網(wǎng)格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)則網(wǎng)格。規(guī)則網(wǎng)格將區(qū)域空間切分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個格網(wǎng)單元對應(yīng)一個數(shù)值。數(shù)學(xué)上可以表示為一個矩陣，在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中則是一個二維數(shù)組。每個格網(wǎng)單元或數(shù)組的一個元素，對應(yīng)一個高程值，如圖9-2所示。 圖9-2：格網(wǎng)DEM 對于每個格網(wǎng)的數(shù)值有兩種不同的解釋。第一種是格網(wǎng)柵格觀點(diǎn)，認(rèn)為該格網(wǎng)單元的數(shù)值是其中所有點(diǎn)的高程值，即格網(wǎng)單元對應(yīng)的地面面積內(nèi)高程是均一的高度，這種數(shù)字高程模型是一個不連續(xù)的函數(shù)。第二種是點(diǎn)柵格觀點(diǎn)，認(rèn)為該網(wǎng)格單元的數(shù)值是網(wǎng)格中心點(diǎn)的高程或該網(wǎng)格單元的平均高程值，這樣就需要用一種插值方法來計(jì)算每個點(diǎn)的高程。計(jì)算任何不是網(wǎng)格中心的數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程值，使用周圍4個中心點(diǎn)的高程值，采用距離加權(quán)平均方法進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)然也可使用樣條函數(shù)和克里金插值方法。 規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，可以很容易地用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，特別是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)。它還可以很容易地計(jì)算等高線、坡度坡向、山坡陰影和自動提取流域地形，使得它成為DEM最廣泛使用的格式，目前許多國家提供的DEM數(shù)據(jù)都是以規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)矩陣形式提供的。格網(wǎng)DEM的缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)和細(xì)部，為避免這些問題，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點(diǎn)、山脊線、谷底線、斷裂線，以描述地形結(jié)構(gòu)。 格網(wǎng)DEM的另一個缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量過大，給數(shù)據(jù)管理帶來了不方便，通常要進(jìn)行壓縮存儲。DEM數(shù)據(jù)的無損壓縮可以采用普通的柵格數(shù)據(jù)壓縮方式，如游程編碼、塊碼等，但是由于DEM 數(shù)據(jù)反映了地形的連續(xù)起伏變化，通常比較“破碎”，普通壓縮方式難以達(dá)到很好的效果；因此對于網(wǎng)格DEM數(shù)據(jù)，可以采用哈夫曼編碼進(jìn)行無損壓縮；有時，在犧牲細(xì)節(jié)信息的前提下，可以對網(wǎng)格DEM進(jìn)行有損壓縮，通常的有損壓縮大都是基于離散余弦變換（Discrete Cosine Transformation，DCT）或小波變換（Wavelet Transformation）的，由于小波變換具有較好的保持細(xì)節(jié)的特性，近年來將小波變換應(yīng)用于DEM數(shù)據(jù)處理的研究較多。 2．2等高線模型 等高線模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一條等高線對應(yīng)一個已知的高程值，這樣一系列等高線集合和它們的高程值一起就構(gòu)成了一種地面高程模型。如圖9-3所示。 圖9-3：等高線 等高線通常被存成一個有序的坐標(biāo)點(diǎn)對序列，可以認(rèn)為是一條帶有高程值屬性的簡單多邊形或多邊形弧段。由于等高線模型只表達(dá)了區(qū)域的部分高程值，往往需要一種插值方法來計(jì)算落在等高線外的其它點(diǎn)的高程，又因?yàn)檫@些點(diǎn)是落在兩條等高線包圍的區(qū)域內(nèi)，所以，通常只使用外包的兩條等高線的高程進(jìn)行插值。 等高線通常可以用二維的鏈表來存儲。另外的一種方法是用圖來表示等高線的拓?fù)潢P(guān)系，將等高線之間的區(qū)域表示成圖的節(jié)點(diǎn)，用邊表示等高線本身。此方法滿足等高線閉合或與邊界閉合、等高線互不相交兩條拓?fù)浼s束。這類圖可以改造成一種無圈的自由樹。下圖為一個等高線圖和它相應(yīng)的自由樹（圖9-4）。其它還有多種基于圖論的表示方法。 圖9-4：等高線和相應(yīng)的自由樹 2．3不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型 盡管規(guī)則格網(wǎng)DEM在計(jì)算和應(yīng)用方面有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在許多難以克服的缺陷： 1）在地形平坦的地方，存在大量的數(shù)據(jù)冗余； 2）在不改變格網(wǎng)大小的情況下，難以表達(dá)復(fù)雜地形的突變現(xiàn)象； 3）在某些計(jì)算，如通視問題，過分強(qiáng)調(diào)網(wǎng)格的軸方向。 不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一種表示數(shù)字高程模型的方法[Peuker等，1978]，它既減少規(guī)則格網(wǎng)方法帶來的數(shù)據(jù)冗余，同時在計(jì)算（如坡度）效率方面又優(yōu)于純粹基于等高線的方法。 TIN模型根據(jù)區(qū)域有限個點(diǎn)集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)。如果點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，該點(diǎn)的高程值通常通過線性插值的方法得到（在邊上用邊的兩個頂點(diǎn)的高程，在三角形內(nèi)則用三個頂點(diǎn)的高程）。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型，在整個區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。 TIN的數(shù)據(jù)存儲方式比格網(wǎng)DEM復(fù)雜，它不僅要存儲每個點(diǎn)的高程，還要存儲其平面坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)連接的拓?fù)潢P(guān)系，三角形及鄰接三角形等關(guān)系。TIN模型在概念上類似于多邊形網(wǎng)絡(luò)的矢量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是TIN模型不需要定義“島”和“洞”的拓?fù)潢P(guān)系。 有許多種表達(dá)TIN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的存儲方式，一個簡單的記錄方式是：對于每一個三角形、邊和節(jié)點(diǎn)都對應(yīng)一個記錄，三角形的記錄包括三個指向它三個邊的記錄的指針；邊的記錄有四個指針字段，包括兩個指向相鄰三角形記錄的指針和它的兩個頂點(diǎn)的記錄的指針；也可以直接對每個三角形記錄其頂點(diǎn)和相鄰三角形（圖9-5）。每個節(jié)點(diǎn)包括三個坐標(biāo)值的字段，分別存儲X，X，Z坐標(biāo)。這種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是對于給定一個三角形查詢其三個頂點(diǎn)高程和相鄰三角形所用的時間是定長的，在沿直線計(jì)算地形剖面線時具有較高的效率。當(dāng)然可以在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加其它變化，以提高某些特殊運(yùn)算的效率，例如在頂點(diǎn)的記錄里增加指向其關(guān)聯(lián)的邊的指針。 圖9-5：三角網(wǎng)的一種存儲方式 不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)字高程由連續(xù)的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測點(diǎn)，或節(jié)點(diǎn)的位置和密度。不規(guī)則三角網(wǎng)與高程矩陣方法不同之處是隨地形起伏變化的復(fù)雜性而改變采樣點(diǎn)的密度和決定采樣點(diǎn)的位置，因而它能夠避免地形平坦時的數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點(diǎn)如山脊、山谷線、地形變化線等表示數(shù)字高程特征。 2．4層次模型 層次地形模型（Layer of Details，LOD）是一種表達(dá)多種不同精度水平的數(shù)字高程模型。大多數(shù)層次模型是基于不規(guī)則三角網(wǎng)模型的，通常不規(guī)則三角網(wǎng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)越多精度越高，數(shù)據(jù)點(diǎn)越少精度越低，但數(shù)據(jù)點(diǎn)多則要求更多的計(jì)算資源。所以如果在精度滿足要求的情況下，最好使用盡可能少的數(shù)據(jù)點(diǎn)。層次地形模型允許根據(jù)不同的任務(wù)要求選擇不同精度的地形模型。層次模型的思想很理想，但在實(shí)際運(yùn)用中必須注意幾個重要的問題： 1）層次模型的存儲問題，很顯然，與直接存儲不同，層次的數(shù)據(jù)必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余。 2）自動搜索的效率問題，例如搜索一個點(diǎn)可能先在最粗的層次上搜索，再在更細(xì)的層次上搜索，直到找到該點(diǎn)。 3）三角網(wǎng)形狀的優(yōu)化問題，例如可以使用Delaunay三角剖分。 4）模型可能允許根據(jù)地形的復(fù)雜程度采用不同詳細(xì)層次的混合模型，例如，對于飛行模擬，近處時必須顯示比遠(yuǎn)處更為詳細(xì)的地形特征。 5）在表達(dá)地貌特征方面應(yīng)該一致，例如，如果在某個層次的地形模型上有一個明顯的山峰，在更細(xì)層次的地形模型上也應(yīng)該有這個山峰。 這些問題目前還沒有一個公認(rèn)的最好的解決方案，仍需進(jìn)一步深入研究
3．DEM模型之間的相互轉(zhuǎn)換 在實(shí)際應(yīng)用中，DEM模型之間可以相互轉(zhuǎn)換。大部分DEM數(shù)據(jù)都是規(guī)則格網(wǎng)DEM，但由于規(guī)則格網(wǎng)DEM的數(shù)據(jù)量大而不便存儲，也可能由于某些分析計(jì)算需要使用TIN模型的DEM，如進(jìn)行通視分析。此時需要將格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成TIN模型的DEM。反之，如果已有TIN模型的DEM數(shù)據(jù)，為滿足某種應(yīng)用的需要，也需要轉(zhuǎn)成規(guī)則格網(wǎng)的DEM。 3．1不規(guī)則點(diǎn)集生成TIN 對于不規(guī)則分布的高程點(diǎn)，可以形式化地描述為平面的一個無序的點(diǎn)集P，點(diǎn)集中每個點(diǎn)p對應(yīng)于它的高程值。將該點(diǎn)集轉(zhuǎn)成TIN，最常用的方法是Delaunay三角剖分方法。生成TIN的關(guān)鍵是Delaunay三角網(wǎng)的產(chǎn)生算法，下面先對Delaunay三角網(wǎng)和它的偶圖Voronoi圖作簡要的描述。 Voronoi圖，又叫泰森多邊形或Dirichlet圖，它由一組連續(xù)多邊形組成，多邊形的邊界是由連接兩鄰點(diǎn)線段的垂直平分線組成。N個在平面上有區(qū)別的點(diǎn)，按照最近鄰原則劃分平面：每個點(diǎn)與它的最近鄰區(qū)域相關(guān)聯(lián)。Delaunay三角形是由與相鄰Voronoi多邊形共享一條邊的相關(guān)點(diǎn)連接而成的三角形。Delaunay三角形的外接圓圓心是與三角形相關(guān)的Voronoi多邊形的一個頂點(diǎn)。Delaunay三角形是Voronoi圖的偶圖，如圖9-6所示。 圖9-6：Delaunay三角網(wǎng)與Voronoi圖 對于給定的初始點(diǎn)集P，有多種三角網(wǎng)剖分方式，而Delaunay三角網(wǎng)有以下特性： 1）其Delaunay三角網(wǎng)是唯一的； 2）三角網(wǎng)的外邊界構(gòu)成了點(diǎn)集P的凸多邊形“外殼”； 3）沒有任何點(diǎn)在三角形的外接圓內(nèi)部，反之，如果一個三角網(wǎng)滿足此條件，那么它就是Delaunay三角網(wǎng)。 4）如果將三角網(wǎng)中的每個三角形的最小角進(jìn)行升序排列，則Delaunay三角網(wǎng)的排列得到的數(shù)值最大，從這個意義上講，Delaunay三角網(wǎng)是“最接近于規(guī)則化”的三角網(wǎng)。 下面簡要介紹Delaunay三角形產(chǎn)生的基本準(zhǔn)則： Delaunay三角形產(chǎn)生準(zhǔn)則的最簡明的形式是：任何一個Delaunay三角形的外接圓的內(nèi)部不能包含其它任何點(diǎn)[Delaunay 1934]。Lawson[1972]提出了最大化最小角原則：每兩個相鄰的三角形構(gòu)成的凸四邊形的對角線，在相互交換后，六個內(nèi)角的最小角不再增大。Lawson [1977]又提出了一個局部優(yōu)化過程LOP（Local Optimization Procedure）方法。如圖9-7所示。先求出包含新插入點(diǎn)p的外接圓的三角形，這種三角形稱為影響三角形（Influence Triangulation）。刪除影響三角形的公共邊（圖b中粗線），將p與全部影響三角形的頂點(diǎn)連接，完成p點(diǎn)在原Delaunay三角形中的插入。 圖9-7：向Delaunay三角形中插入點(diǎn) 將該點(diǎn)集轉(zhuǎn)成TIN，最常用的方法是Delaunay三角剖分方法，生成過程分兩步完成： 1）利用P中點(diǎn)集的平面坐標(biāo)產(chǎn)生Delaunay三角網(wǎng)； 2）給Delaunay三角形中的節(jié)點(diǎn)賦予高程值。 3．2格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成TIN 格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成TIN可以看作是一種規(guī)則分布的采樣點(diǎn)生成TIN的特例，其目的是盡量減少TIN的頂點(diǎn)數(shù)目，同時盡可能多地保留地形信息，如山峰、山脊、谷底和坡度突變處。規(guī)則格網(wǎng)DEM可以簡單地生成一個精細(xì)的規(guī)則三角網(wǎng)，針對它有許多算法，絕大多數(shù)算法都有兩個重要的特征： 1）篩選要保留或丟棄的格網(wǎng)點(diǎn)； 2）判斷停止篩選的條件。 其中兩個代表性的方法算法是保留重要點(diǎn)法和啟發(fā)丟棄法。 3．2．1保留重要點(diǎn)法 該方法是一種保留規(guī)則格網(wǎng)DEM中的重要點(diǎn)來構(gòu)造TIN的方法[Chen、Gauvara（1987）]。它是通過比較計(jì)算格網(wǎng)點(diǎn)的重要性，保留重要的格網(wǎng)點(diǎn)。重要點(diǎn)（VIP，Very Important Point）是通過3*3的模板來確定的，根據(jù)八鄰點(diǎn)的高程值決定模板中心是否為重要點(diǎn)。格網(wǎng)點(diǎn)的重要性是通過它的高程值與8鄰點(diǎn)高程的內(nèi)插值進(jìn)行比較，當(dāng)差分超過某個閾值的格網(wǎng)點(diǎn)保留下來。被保留的點(diǎn)作為三角網(wǎng)頂點(diǎn)生成Delaunay三角網(wǎng)。如圖9-8所示，由3*3的模板得到中心點(diǎn)P和8鄰點(diǎn)的高程值，計(jì)算中心點(diǎn)P到直線AE，CG，BF，DH的距離，圖右圖表示，再計(jì)算4個距離的平均值。如果平均值超過閾值，P點(diǎn)為重要點(diǎn)，則保留，否則去除P點(diǎn)。 圖9-8：VIP方法示意 3．2．2啟發(fā)丟棄法（DH—Drop Heuristic） 該方法將重要點(diǎn)的選擇作為一個優(yōu)化問題進(jìn)行處理。算法是給定一個格網(wǎng)DEM和轉(zhuǎn)換后TIN中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量限制，尋求一個TIN與規(guī)則格網(wǎng)DEM的最佳擬合。首先輸入整個格網(wǎng)DEM，迭代進(jìn)行計(jì)算，逐漸將那些不太重要的點(diǎn)刪除，處理過程直到滿足數(shù)量限制條件或滿足一定精度為止。具體過程如下（圖9-9）： 1）算法的輸入是TIN，每次去掉一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代，得到節(jié)點(diǎn)越來越少的TIN。很顯然，可以將格網(wǎng)DEM作為輸入，此時所有格網(wǎng)點(diǎn)視為TIN的節(jié)點(diǎn)，其方法是將格網(wǎng)中4個節(jié)點(diǎn)的其中兩個相對節(jié)點(diǎn)連接起來，這樣將每個格網(wǎng)剖分成兩個三角形。 2）取TIN的一個節(jié)點(diǎn)O及與其相鄰的其它節(jié)點(diǎn)，如圖9-9所示，O的鄰點(diǎn)（稱Delaunay鄰接點(diǎn)）為A，B，C，D，使用Delaunay三角構(gòu)造算法，將O的鄰點(diǎn)進(jìn)行Delaunay三角形重構(gòu)，圖9-9中實(shí)線所示。 3）判斷該節(jié)點(diǎn)O位于哪個新生成的Delaunay三角形中，如圖9-9為三角形BCE。計(jì)算O點(diǎn)的高程和過O點(diǎn)與三角形BCE交點(diǎn)O’的高程差d。若高程差d大于閾值de，則O點(diǎn)為重要點(diǎn)，保留，否則，可刪除。de為閾值。 4）對TIN中所有的節(jié)點(diǎn)，重復(fù)進(jìn)行上述判斷過程。 5）直到TIN中所有的節(jié)點(diǎn)滿足條件d>de，結(jié)束。 圖9-9：DH方法轉(zhuǎn)換格網(wǎng)DEM成TIN （左圖虛線為以O(shè)為中心的Delaunay三角形，實(shí)線為新生成的Delaunay三角形； 右圖為高差的計(jì)算[注意：此圖描述了三維空間]） 兩種方法相比較[Lee，1991]，VIP方法在保留關(guān)鍵網(wǎng)格點(diǎn)方面（頂點(diǎn)、凹點(diǎn)）最好；DH方法在每次丟棄數(shù)據(jù)點(diǎn)時確保信息丟失最少，但要求計(jì)算量大。各種方法各有利弊，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同的需要，如檢測極值點(diǎn)，高效存儲，最小誤差，可以選擇使用不同的方法。 3．3等高線轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM 表示地形的最常見的線模式是一系列描述高程曲線的等高線。由于現(xiàn)有地圖大多數(shù)都繪有等高線，這些地圖便是數(shù)字高程模型的現(xiàn)成數(shù)據(jù)源，可以將紙面等高線圖掃描后，自動獲取DEM數(shù)據(jù)。由于數(shù)字化的等高線不適合于計(jì)算坡度或制作地貌渲染圖等地形分析，因此，必須要把數(shù)字化等高線轉(zhuǎn)為格網(wǎng)高程矩陣。 使用局部插值算法，如距離倒數(shù)加權(quán)平均或克里金插值算法*，可以將數(shù)字化等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為規(guī)則格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)，但插值的結(jié)果往往會出現(xiàn)一些許多不令人滿意的結(jié)果，而且數(shù)字化等高線時越小心，采樣點(diǎn)越多，問題越嚴(yán)重。問題不在于計(jì)算插值權(quán)重系數(shù)的理論假設(shè)，也不在于平滑等高線是真實(shí)地形的反映的假設(shè)，而在于估計(jì)未知格網(wǎng)點(diǎn)的高程要在一個半徑范圍內(nèi)搜索落在其中的已知點(diǎn)數(shù)據(jù)，再計(jì)算它的加權(quán)平均值。如果搜索到的點(diǎn)都具有相同的高程，那待插值點(diǎn)的高程也同為此高程值。結(jié)果導(dǎo)致在每條等高線周圍的狹長區(qū)域內(nèi)具有與等高線相同的高程，出現(xiàn)了“階梯”地形。當(dāng)?shù)秃０纹皆貐^(qū)等高線距離更遠(yuǎn)時，搜索到一條等高線上的數(shù)據(jù)的可能性就越大，問題更嚴(yán)重。以帶“階梯”地形的DEM為基礎(chǔ)，計(jì)算坡度往往會出現(xiàn)不自然的條斑狀分布模式（圖9-10）。 * 見“空間分析”一章中的“空間插值”節(jié)。 圖9-10：等值線插值造成“階梯地形”的原因 最好的解決方法是使用針對等高線插值的專用方法。如果沒有合適的方法，最好把等高線數(shù)據(jù)點(diǎn)減少到最少，增加標(biāo)識山峰、山脊、谷底和坡度突變的數(shù)據(jù)點(diǎn)，同時使用一個較大的搜索窗口。 3．4利用格網(wǎng)DEM提取等高線 在利用格網(wǎng)DEM生成等高線時，需要將其中的每個點(diǎn)視為一個幾何點(diǎn)，而不是一個矩形區(qū)域，這樣可以根據(jù)格網(wǎng)DEM中相鄰四個點(diǎn)組成四邊形進(jìn)行等高線跟蹤。其方法類似于后面描述的利用TIN提取等高線。實(shí)際上，也可以將每個矩形分割成為兩個三角形，并應(yīng)用TIN提取等高線算法，但是由于矩形有兩種劃分三角形的方法，在某些情況下，會生成不同的等高線（圖9-11），這時需要根據(jù)周圍的情況進(jìn)行判斷并決定取舍。 （a） (b) 圖9-11：由于三角形劃分不同造成生成等高線的不同 在格網(wǎng)DEM提取等高線中，除了劃分為三角形之外，也可以直接使用四邊形跟蹤等高線。但是在圖9-11所示的情形中，仍會出現(xiàn)等高線跟蹤的二義性，即對于每個四邊形，有兩條等高線的離去邊。進(jìn)行取舍判斷的方法一般是計(jì)算距離，距離近的連線方式優(yōu)于距離遠(yuǎn)的連線方式。在圖9-11種，就要采用（b）圖所示的跟蹤方式。 格網(wǎng)DEM提取等高線另一個值得注意的問題是，如果一些網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)值恰好等于要提取的等高線的數(shù)值，會使判斷過程變得復(fù)雜，并且會生成不閉合的等高線，一般的解決辦法是將這些網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)值增加一個小的偏移量。 3．5 TIN轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM TIN轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM可以看作普通的不規(guī)則點(diǎn)生成格網(wǎng)DEM的過程。方法是按要求的分辨率大小和方向生成規(guī)則格網(wǎng)，對每一個格網(wǎng)搜索最近的TIN數(shù)據(jù)點(diǎn)，按線性或非線性插值函數(shù)計(jì)算格網(wǎng)點(diǎn)高程
4．DEM的建立 為了建立DEM，必需量測一些點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這就是DEM數(shù)據(jù)采集。 4．1 DEM數(shù)據(jù)采集方法 1）地面測量 利用自動記錄的測距經(jīng)緯儀（常用電子速測經(jīng)緯儀或全站經(jīng)緯儀）在野外實(shí)測。這種速測經(jīng)緯儀一般都有微處理器，可以自動記錄和顯示有關(guān)數(shù)據(jù)，還能進(jìn)行多種測站上的計(jì)算工作。其記錄的數(shù)據(jù)可以通過串行通訊，輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。 2）現(xiàn)有地圖數(shù)字化 利用數(shù)字化儀對已有地圖上的信息（如等高線）進(jìn)行數(shù)字化的方法，目前常用的數(shù)字化儀有手扶跟蹤數(shù)字化儀和掃描數(shù)字化儀。 3）空間傳感器 利用全球定位系統(tǒng)GPS，結(jié)合雷達(dá)和激光測高儀等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 4）數(shù)字?jǐn)z影測量方法 這是DEM數(shù)據(jù)采集最常用的方法之一。利用附有的自動記錄裝置（接口）的立體測圖儀或立體坐標(biāo)儀、解析測圖儀及數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，進(jìn)行人工、半自動或全自動的量測來獲取數(shù)據(jù)。 4．2數(shù)字?jǐn)z影測量獲取DEM 數(shù)字?jǐn)z影測量方法是空間數(shù)據(jù)采集最有效的手段，它具有效率高、勞動強(qiáng)度低的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采樣可以全部由人工操作，通常費(fèi)時且易于出錯；半自動采樣可以輔助操作人員進(jìn)行采樣，以加快速度和改善精度，通常是由人工控制高程Z，由機(jī)器自動控制平面坐標(biāo)X,Y的驅(qū)動；全自動方法利用計(jì)算機(jī)視覺代替人眼的立體觀測，速度雖然快，但精度較差。 人工或半自動方式的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的記錄可分為“點(diǎn)模式”或“流模式”，前者根據(jù)控制信號記錄靜態(tài)量測數(shù)據(jù)，后者是按一定規(guī)律連續(xù)地記錄動態(tài)的量測數(shù)據(jù)。 攝影測量方法用于生產(chǎn)DEM，數(shù)據(jù)點(diǎn)的采樣方法根據(jù)產(chǎn)品的要求不同而異。沿等高線、斷面線、地性線進(jìn)行采樣往往是有目的的采樣。而許多產(chǎn)品要求高程矩陣形式，所以基于規(guī)則格網(wǎng)或不規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的面采樣是必須的，這種方式與其它空間屬性的采樣方式一樣，只是采樣密度高一些。 * 具體的計(jì)算方法見第五節(jié)第二部分。 1）沿等高線采樣 在地形復(fù)雜及陡峭地區(qū)，可采用沿等高線跟蹤方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而在平坦地區(qū)，則不宜采用沿等高線采樣。沿等高線采樣時可按等距離間隔記錄數(shù)據(jù)或按等時間間隔記錄數(shù)據(jù)方式進(jìn)行。采用后一種方式，由于在等高線曲率大的地方跟蹤速度較慢，因而采集的點(diǎn)較密集，而在等高線較平直的地方跟蹤速度快，采集的點(diǎn)較稀疏，故只要選擇恰當(dāng)?shù)臅r間間隔，所記錄的數(shù)據(jù)就能很好地描述地形，又不會有太多的數(shù)據(jù)。 2）規(guī)則格網(wǎng)采樣 利用解析測圖儀在立體模型中按規(guī)則矩形格網(wǎng)進(jìn)行采樣，直接構(gòu)成規(guī)則格網(wǎng)DEM。當(dāng)系統(tǒng)驅(qū)動測標(biāo)到格網(wǎng)點(diǎn)時，會按預(yù)先選定的參數(shù)停留一短暫時間（如0.2秒），供作業(yè)人員精確測量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單、精度高、作業(yè)效率也較高；缺點(diǎn)是對地表變化的尺度的靈活性較差，可能會丟失特征點(diǎn)。 3）漸進(jìn)采樣（Progressive Sampling） 漸進(jìn)采樣方法的目的是使采樣點(diǎn)分布合理，即平坦地區(qū)樣點(diǎn)少，地形復(fù)雜區(qū)的樣點(diǎn)較多。漸進(jìn)采樣首先按預(yù)定比較稀疏的間隔進(jìn)行采樣，獲得一個較稀疏的格網(wǎng)，然后分析是否需要對格網(wǎng)進(jìn)行加密，如圖9-12所示。判斷加密的方法可利用高程的二階差分是否超過了給定的閾值；或利用相鄰的三點(diǎn)擬合一條二次曲線，計(jì)算兩點(diǎn)間中點(diǎn)的二次內(nèi)插值與線性內(nèi)插值之差，判斷是否超過閾值。當(dāng)超過閾值時，則對格網(wǎng)加密采樣，然后對較密的格網(wǎng)進(jìn)行同樣的判斷處理，直至不再超限或達(dá)到預(yù)先給定的加密次數(shù)（或最小格網(wǎng)間隔），然后再對其它格網(wǎng)進(jìn)行同樣的處理。 圖9-12：漸進(jìn)采樣 4）選擇采樣 為了準(zhǔn)確地反映地形，可根據(jù)地形特征進(jìn)行選擇采樣，例如沿山脊線、山谷線、斷裂線進(jìn)行采集以及離散碎部點(diǎn)（如山頂）的采集。這種方法獲取的數(shù)據(jù)尤其適合于不規(guī)則三角網(wǎng)DEM的建立。 5）混合采樣 為了同步考慮采樣的效率與合理性，可將規(guī)則采樣（包括漸進(jìn)采樣）與選擇性采樣結(jié)合進(jìn)行混合采樣，即在規(guī)則采樣的基礎(chǔ)上再進(jìn)行沿特征線、點(diǎn)采樣。為了區(qū)別一般的數(shù)據(jù)點(diǎn)和特征點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)給不同的點(diǎn)以不同的特征碼，以便處理時可按不同的方式進(jìn)行。利用混合采樣可建立附加地形特征的規(guī)則格網(wǎng)DEM，也可建立附加特征的不規(guī)則三角網(wǎng)DEM。 6）自動化DEM數(shù)據(jù)采集 上述方法均是基于解析測圖儀或機(jī)助制圖系統(tǒng)利用半自動的方法進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)在已經(jīng)可以利用自動化測圖系統(tǒng)進(jìn)行完全自動化的DEM數(shù)據(jù)采集。此時可按像片上的規(guī)則格網(wǎng)利用數(shù)字影像匹配進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 最后數(shù)字?jǐn)z影測量獲取的DEM數(shù)據(jù)點(diǎn)都要按一定插值方法轉(zhuǎn)成規(guī)則格網(wǎng)DEM或規(guī)則三角網(wǎng)DEM格式數(shù)據(jù)。 4．3 DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 數(shù)據(jù)采集是DEM的關(guān)鍵問題，研究結(jié)果表明，任何一種DEM內(nèi)插方法，均不能彌補(bǔ)取樣不當(dāng)所造成的信息損失。數(shù)據(jù)點(diǎn)太稀會降低DEM的精度；數(shù)據(jù)點(diǎn)過密，又會增大數(shù)據(jù)量、處理的工作量和不必要的存儲量。這需要在DEM數(shù)據(jù)采集之前，按照所需的精度要求確定合理的取樣密度，或者在DEM數(shù)據(jù)采集過程中根據(jù)地形復(fù)雜程度動態(tài)調(diào)整采樣點(diǎn)密度。 由于很多DEM數(shù)據(jù)來源于地形圖，所以DEM的精度決不會高于原始的地形圖。例如U.S.G.S.用數(shù)字化的等高線圖，通過線性插值生產(chǎn)的最精確的DEM的最大均方誤差（RMSE）為等高線間距的一半，最大誤差不大于兩個等高線間距。通常用某種數(shù)學(xué)擬合曲面生產(chǎn)的DEM，往往存在未知的精度問題，即使是正式出版的地形圖同樣存在某種誤差，所以在生產(chǎn)和使用DEM時應(yīng)該注意到它的誤差類型。 DEM的數(shù)據(jù)質(zhì)量可以參考美國U.S.G.S.的分級標(biāo)準(zhǔn)，共分為三級：第一級，最大絕對垂直誤差50米、最大相對垂直誤差21米，絕大多數(shù)7.5分幅產(chǎn)品屬于第一級；第二級DEM數(shù)據(jù)對誤差進(jìn)行了平滑和修改處理，數(shù)字化等高線插值生產(chǎn)的DEM屬于第二級，最大誤差為兩個等間距，最大均方誤差為半個等間距；第三級DEM數(shù)據(jù)最大誤差為一個等間距，最大均方誤差為三分之一個等間距
5．DEM的分析和應(yīng)用 5．1格網(wǎng)DEM應(yīng)用 5．1．1地形曲面擬合 DEM最基礎(chǔ)的應(yīng)用是求DEM范圍內(nèi)任意點(diǎn)的高程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地形屬性分析。由于已知有限個格網(wǎng)點(diǎn)的高程，可以利用這些格網(wǎng)點(diǎn)高程擬合一個地形曲面，推求區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的高程。曲面擬合方法可以看作是一個已知規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值的特例，距離倒數(shù)加權(quán)平均方法，克里金插值方法，樣條函數(shù)等插值方法均可采用。 5．1．2立體透視圖 從數(shù)字高程模型繪制透視立體圖是DEM的一個極其重要的應(yīng)用。透視立體圖能更好地反映地形的立體形態(tài)，非常直觀。與采用等高線表示地形形態(tài)相比有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，更接近人們的直觀視覺。特別是隨著計(jì)算機(jī)圖形處理工作的增強(qiáng)以及屏幕顯示系統(tǒng)的發(fā)展，使立體圖形的制作具有更大的靈活性，人們可以根據(jù)不同的需要，對于同一個地形形態(tài)作各種不同的立體顯示。例如局部放大，改變高程值Z的放大倍率以夸大立體形態(tài)；改變視點(diǎn)的位置以便從不同的角度進(jìn)行觀察，甚至可以使立體圖形轉(zhuǎn)動，使人們更好地研究地形的空間形態(tài)。 從一個空間三維的立體的數(shù)字高程模型到一個平面的二維透視圖，其本質(zhì)就是一個透視變換。將“視點(diǎn)”看作為“攝影中心”，可以直接應(yīng)用共線方程從物點(diǎn)（X，Y，Z）計(jì)算“像點(diǎn)”坐標(biāo)（X,Y）。透視圖中的另一個問題是“消隱”的問題，即處理前景擋后景的問題。 調(diào)整視點(diǎn)、視角等各個參數(shù)值，就可從不同方位、不同距離繪制形態(tài)各不相同的透視圖制作動畫。計(jì)算機(jī)速度充分高時，就可實(shí)時地產(chǎn)生動畫DTM透視圖。 5．1．3通視分析 通視分析有著廣泛的應(yīng)用背景。典型的例子是觀察哨所的設(shè)定，顯然觀察哨的位置應(yīng)該設(shè)在能監(jiān)視某一感興趣的區(qū)域，視線不能被地形擋住。這就是通視分析中典型的點(diǎn)對區(qū)域的通視問題。與此類似的問題還有森林中火災(zāi)監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)定，無線發(fā)射塔的設(shè)定等。有時還可能對不可見區(qū)域進(jìn)行分析，如低空偵察飛機(jī)在飛行時，要盡可能躲避敵方雷達(dá)的捕捉，飛行顯然要選擇雷達(dá)盲區(qū)飛行。通視問題可以分為五類[Lee,J.（1991）]： 1）已知一個或一組觀察點(diǎn)，找出某一地形的可見區(qū)域。 2）欲觀察到某一區(qū)域的全部地形表面，計(jì)算最少觀察點(diǎn)數(shù)量。 3）在觀察點(diǎn)數(shù)量一定的前提下，計(jì)算能獲得的最大觀察區(qū)域。 4）以最小代價建造觀察塔，要求全部區(qū)域可見。 5）在給定建造代價的前提下，求最大可見區(qū)。 根據(jù)問題輸出維數(shù)的不同，通視可分為點(diǎn)的通視，線的通視和面的通視。點(diǎn)的通視是指計(jì)算視點(diǎn)與待判定點(diǎn)之間的可見性問題；線的通視是指已知視點(diǎn)，計(jì)算視點(diǎn)的視野問題；區(qū)域的通視是指已知視點(diǎn)，計(jì)算視點(diǎn)能可視的地形表面區(qū)域集合的問題�；诟窬W(wǎng)DEM模型與基于TIN模型的DEM計(jì)算通視的方法差異很大。 圖9-13：通視分析，圖上灰色區(qū)域?yàn)椴豢梢妳^(qū)域 1）點(diǎn)對點(diǎn)通視 基于格網(wǎng)DEM的通視問題，為了簡化問題，可以將格網(wǎng)點(diǎn)作為計(jì)算單位。這樣點(diǎn)對點(diǎn)的通視問題簡化為離散空間直線與某一地形剖面線的相交問題。（圖9-13） 已知視點(diǎn)V的坐標(biāo)為（x0,y0,z0），以及P點(diǎn)的坐標(biāo)（x1,y1,z1）。DEM為二維數(shù)組Z[M][N]，則V為（m0,n0,Z[m0,n0]），P為（m1,n1,Z[m1,n1]）。計(jì)算過程如下： （1．1）使用Bresenham直線算法，生成V到P的投影直線點(diǎn)集{x , y}，K=||{x , y}||, 并得到直線點(diǎn)集{x , y}對應(yīng)的高程數(shù)據(jù){Z[k], ( k=1,...K-1 )}，這樣形成V到P的DEM剖面曲線。 （1．2）以V到P的投影直線為X軸，V的投影點(diǎn)為原點(diǎn)，求出視線在X-Z坐標(biāo)系的直線方程： （0
0（如ε=10-4），以使程序設(shè)計(jì)簡單而又不影響等高線的精度。 2）設(shè)立三角形標(biāo)志數(shù)組，其初始值為零，每一元素與一個三角形對應(yīng)，凡處理過的三角形將標(biāo)志置為1，以后不再處理，直至等高線高程改變。 3）按順序判斷每一個三角形的三邊中的兩條邊是否有等高線穿過。若三角形一邊的兩端點(diǎn)為P1（x1，y1，z1），P2（x2，y2，z2）則 (z1-h)(z2-h)<0表明該邊有等高線點(diǎn)； (z1-h)(z2-h)>0表明該邊無等高線點(diǎn)。 直至搜索到等高線與網(wǎng)邊的第一個交點(diǎn)，稱該點(diǎn)為搜索起點(diǎn)，也是當(dāng)前三角形的等高線進(jìn)入邊、線性內(nèi)插該點(diǎn)的平面坐標(biāo)（x，y）： 4）搜索該等高線在該三角形的離去邊，也就是相鄰三角形的進(jìn)人邊，并內(nèi)插其平面坐標(biāo)。搜索與內(nèi)插方法與上面的搜索起點(diǎn)相同，不同的只是僅對該三角形的另兩邊作處理。 5）進(jìn)入相鄰三角形，重復(fù)第（4）步，直至離去邊沒有相鄰三角形（此時等高線為開曲線）或相鄰三角形即搜索起點(diǎn)所在的三角形（此時等高線為閉曲線）時為止。 6）對于開曲線，將已搜索到的等高線點(diǎn)順序倒過來，并回到搜索起點(diǎn)向另一方向搜索，直至到達(dá)邊界（即離去邊沒有相鄰三角形）。 7）當(dāng)一條等高線全部跟蹤完后，將其光滑輸出，方法與前面所述矩形格網(wǎng)等高線的繪制相同。然后繼續(xù)三角形的搜索，直至全部三角形處理完，再改變等高線高程，重復(fù)以上過程，直到完成全部等高線的繪制為止.
2. Dynamic synchronous Transfer Mode -- 動態(tài)同步傳送模式
一種基于高速電路交換和動態(tài)時隙分配的新技術(shù)。作為第二層的交換／傳輸技術(shù)，DTM具有更強(qiáng)的帶寬管理能力，適應(yīng)光纖帶寬的不斷擴(kuò)展。
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