1、目录第一章 绪论.21.1 数字地形模型的产生和应用.21.2 本论文的主要内容.3第二章 数字高程模型概述.42.1 地形数字模型和数字高程模型的概念及表面建模.42.2 不规三角网的概念.52.3 基于格网的建模.6第三章 水下数字模型的建立及应用.83.1 航道测量的特点及提高搜索速度.83.2 水下河床数字模型的建立.93.3 数模建立后的应用.13第四章 结论及存在的问题.19参考文献.201摘要本论 文 根 据 数 字 地 形 模 型 （ DTM） 与 数 字 高 程 模 型 （ DEM） 的 基 本 理 论以 及 建 立 和 生 成 方 法 ， 结 合 航 道 测 量 本 身 的
2、 特 点 ， 模 拟 建 立 了 一 个 水 下 数 字 地形 模 型 。 并 且 详 细 介 绍 水 下 数 字 模 型 建 立 生 成 三 角 网 的 方 法 和 过 程 。 在 水 下 数模 建 立 以 后 ， 可 以 应 用 该 模 型 进 行 生 成 等 高 线 和 计 算 土 方 量 等 。关键词：数 字 地 形 模 型 水 下 河 床 不 规 则 三 角 网2第一章 绪论1.1 数字地形模型的产生和应用111 数字地形模型的产生人类很早之前就想方设法来描述地球上的各种地物、地形、地貌，人们把对周围环境的认识画在图纸上，这样便形成了地图。随着信息时代的到来， “数字地球”概念的提出
3、，人们希望能用计算机来表示真实的世界，因此，原始的二维平面地图满足不了人们的要求，人们期望能够将真实地形三维显示，数字地形模型这时便应运而生，并迅速发展。112 数字地面模型的应用及其与水下数模的关系数字地面模型的应用十分广泛，如铁路、公路勘测设计中的选线，坡度计算、土方计算和隧道设计；水利工程中的水库设计，运河和渠道的布线；对不同地形作静态分析与比较；生成坡度图、坡向图和晕渲图等；用于地貌分析，计算侵蚀和径流等；精确制导武器的地形匹配，无人驾驶飞机的导航；军事目的的三维立体地形显示；战场环境的分计算，如通视概率的计算，坡度、坡向的计算；此外，若用其它特征代替高程后，还可进行诸如人口、降水量等
4、的分析。数字地面模型在 GIS 三维可视化、地形分析等领域中处于核心地位。由于 DTM 如此重要，DTM 的生成已成为 GIS 的研究课题之一。水下数模的建立，它算是 DTM 的一个特例。也有着 DTM 建立和应用的通用特点。但又由于其自身的特殊性，它的建立过程和应用领域等等方面，它还有许多值得我们研究讨论的地方。本论文的主要内容即为数字地形模3型的特点和水下河床数字模型的建立以及应用。1.2 本论文的主要内容本论文在介绍了数字地面模型等概念的基础上结合实际的水下地形测量工作，分析了水下数字地形模型建立及生成三角网的方法和过程。在水下数模建立以后，可以应用该模型进行生成等高线和计算土方量等。本
5、论文主要包含了以下内容：（一）简要介绍了数字高程模型的基本原理及三角网构建的相关内容；（二）水下河床数字模型的建立过程及方法；（三）利用生成的水下河床数字地形模型进行如等深线绘制、土方量计算等的应用。4第二章 数字高程模型概述2.1 地形数字模型和数字高程模型的概念及表面建模211 数字地形模型和数字高程模型的概念数字地形模型（Digital Terrain Model，简称 DTM），是在空间数据库中存储并管理的空间地形数据集合的统称。是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。它是建立不同层次的资源与环境信息系统不可缺少的组成部分。在信息系统分析和评价空间信息并以此为依据进行规划和决策时，
6、十分注重地表属性的三维特征，诸如高度、坡度、坡向等重要的地貌要素，并使这些要素成为地学分析和生产应用中的基础数据，它们可以广泛地应用在多种领域，如农、林、牧、水利、交通、军事领域等，具体地说象公路、铁路、输电线的选线、水利工程的选址、军事制高点的地形选择、土壤侵蚀、土地类型的分析等；也可应用于测绘、制图、遥感等领域。最初是为了高速公路的自动设计提出来的（Miller，1956）。此后，它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制。在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测。在遥感应用
7、中可作为分类的辅助数据。它还是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规划及洪水险情预报等。在军事上可用于导航及导弹制导、作战电子沙盘等。对 DTM 的研究包括 DTM的精度问题、地形分类、数据采集、DTM 的粗差探测、质量控制、数据压缩、DTM 应用以及不规则三角网 DTM 的建立与应用等。5DTM 中属性为高程的要素叫数字高程模型（Digital Elevation Model，简称 DEM）。数字地形模型是针对地形地貌的一种数字建模过程，这种建模的结果通常就是一个数字高程模型。高程是地理空间的第三维坐标，在目前 GIS 中，数据结构只具有二维的意义，数字高程模型的建立是一个
8、必要的补充，DEM 是地表单元上的高程集合，通常用矩阵表示。212 数字地形模型和数字高程模型的表面建模数字地形模型（DTM）以及数字高程模型（DEM）的概念绪论中已经给出。本节主要讨论 DTM 和 DEM 的表面建模。DEM 是地形表面的一个数学模型。根据不同的数据集的不同方式，DEM建模可以使用一个或多个数学函数来对地表进行表示。这样的数学函数被认为是内插函数。对地形表面进行表达的各种处理可称为表面建模（或表面重建）。当 DEM 表面建模完成以后，模型上任一点的信息都可以从该表面中获得。建立数字地形表面模型的各种方法主要有五种：通过通用多项式函数的内插实现；基于点的表面建模；基于三角形的建
9、模；基于格网的建模；混合式的表面建模。其中用的最多最为普遍的是基于三角形的建模。因此，本课题也是通过建立三角网实现目标。三角网也被认为是最基本的一种网络。2.2 不规三角网的概念三角网的建模中，不规则三角网（TINTriangulated Irregular Network）在表达地形信息方面最为精确合理。对于模型，其基本要6求有三点：TIN 模型是唯一的；力求最佳的三角形几何形状，每个三角形尽量接近等边形状；保证最邻的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。在 TIN 三角网的生成中，不能不提到狄洛尼（Delaunay）三角网，它在地形拟合方面表现最为出色。生成 TIN 的关键是 Delaun
10、ay 三角网的产生算法，下面先对 Delaunay 三角网和它的偶图 Voronoi 图作简要的描述。 Voronoi 图，又叫泰森多边形或 Dirichlet 图，它由一组连续多边形组成，多边形的边界是由连接两邻点线段的垂直平分线组成。N 个在平面上有区别的点，按照最近邻原则划分平面：每个点与它的最近邻区域相关联。Delaunay 三角形是由与相邻 Voronoi 多边形共享一条边的相关点连接而成的三角形。Delaunay 三角形的外接圆圆心是与三角形相关的 Voronoi 多边形的一个顶点。Delaunay 三角形是 Voronoi 图的偶图。Delaunay 三角形产生准则的最简明的形式
11、是：任何一个 Delaunay 三角形的外接圆的内部不能包含其它任何点Delaunay 1934。Lawson1972提出了最大化最小角原则：每两个相邻的三角形构成的凸四边形的对角线，在相互交换后，六个内角的最小角不再增大。Lawson 1977又提出了一个局部优化过程 LOP（Local Optimization Procedure）方法。关于Delaunay 三角网生成算法，在很多文献和著作中都有很详细的介绍，这里就不再赘述。2.3 基于格网的建模基于格网的建模，在数学上有一种二次抛物面，它可以下面的数学公来表达： 72543210 YaXaYXaZ这种表面叫双线性表面，理论上任意形状的四
12、边形都可以用作这种表面的基础，但考虑到实际因素，比如输出的数据结构以及最终表面形态，正方形格网为最佳的选择。在基于格网表面建模的情况下，最终表面将包含一系列的双线性表面。基于格网的建模常用于处理覆盖平缓地面的全局数据，但对于有着陡峭斜坡和大量断裂线等地形形态比较破啐的地区，如果不进行特殊处理（如增加特征点、线或加大密度）就难以正确表达地面形态，所以这种方法并不适用于这种情况。值得注意的是，高次多项式也可用于建立 DEM 表面，但是它的一个主要的问题是如果对范围较大的区域使用高次多项式可能造成 DEM 表面出现无法预期的抖动。所以，在实际操纵当中通常只使用二次或三次多项式。8第三章 水下数字模型
13、的建立及应用3.1 航道测量的特点及提高搜索速度在水下地形分析中处理的对象主要是大量离散的测深点(三维点,向下为正),需要根据这些散点进行系列的分析和计算,因此数字模型建立的成功与否是能否正确解决问题的关键所在。311 航道测量的特点如图 1 所示，航道测量时，一般采用前方交会法测深点定位，并且三台仪器同时交会定点，而在船上，可以声纳技术测量水深。如今一般都是应用 GPSRTK 技术进行航道测量。图 1从图上我们可以看出，测量船是按照预先设计好的航线行驶，因此，我们可以将在同一航线上的点位看成一个断面内的点，这样，测量成果不仅包括所有点的坐标、高程，还包括该点所在的断面。3. 12 提高大量离
14、散点的联网速度9联网时首先连接三个邻近点构成一个初始三角形,然后依次在三角形的三条边向外扩展新的三角形,直到所有的三角形都不能向外扩展为止。在这个过程中涉及到在较大的范围内搜索邻近点、大量三角形重复检查等操作，这样会使联网的速度越来越慢。研究中我们需要处理的是数量很庞大的离散测深点，这时速度问题就尤为突出。而且在三角形重复性检查时，会有大量的重复三角形使扩展三角形失败而放弃，没有充分利用扩展失败本身所包括的有用信息(如三角形之间的相邻信息)。最终的三角网是一个一个相对独立的孤立三角形，这将不利于模型的进一步应用(如画等高(深)线、剖面图、土方量计算等)。为了解决三角形的联网速度问题，一般情况下，都是为离散点分区建立索引，如图 2 所示。图 23.2 水下河床数字模型的建立321 生成数据文件航道测量后，得到大量测区内点位位置及水深数据。这些点位与地面
