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ENVI地形分析互联网+
第11章地形分析
数字高程模型(DigitalElevationModel,简称DEM),是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。
DEM是数字地形模型(DigitalTerrainModel,简称DTM)的一个分支,其它各种地形特征值均可由此派生,如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性。
DEM还可以计算地形特征参数,包括山峰、山脊、平原、位面、河道和沟谷等。
建立DEM的方法有多种。
按数据源及采集方式主要有:
(1)直接从地面测量,例如用GPS、全站仪 、野外测量等;
(2)根据航空或航天影像,通过摄影测量途径获取,如立体坐标量测仪观测及空三加密法、解析测图、数字摄影测量等;(3)从现有地形图上采集,如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集,然后通过内插生成DEM等方法。
DEM的内插方法很多,常用的有整体内插、分块内插和逐点内插三种。
下表对比了几种创建DEM的主要方法。
表11.1几种DEM创建方法汇总
方法
优点
缺点
航空摄影测量
成熟的方法,精度高,可获取大比例尺DEM。
成本高,周期长,且受航空管制。
高程点或者等高线差值
成本低,操作简单。
受数据源限制大,很多地区无高程点或等高线数据。
卫星遥感
可以大范围获取DEM。
受天气影响较大,目前可获取的比例尺较小。
干涉雷达技术
可以大范围获取DEM,不受天气影响。
目前获取大比例尺DEM较困难,随着德国高分辨率雷达卫星TanDEM-X的上天会有所突破。
激光雷达技术
精度高,可获取大比例尺DEM。
起步阶段,技术门槛高。
要想快速的获取大范围的DEM数据,卫星遥感是一种较好的方法。
随着卫星传感器的飞速发展,获取的DEM精度越来越高。
如目前商业卫星最高分辨率的0.41米GeoEye-1,在使用高质量控制资料时,垂直精度的中误差可达到0.5米,可满足1:
5000的地图比例尺生产。
可以立体成像的卫星主要有ASTER,ALOS PRISM,CARTOSAT-1,FORMOSAT-2,IKONOS,KOMPSAT-2, OrbView-3, QuickBird,RapidEye, GeoEye-1,WorldView-1/2,SPOT 5/6,Pleiades,以及国产的资源三号、资源一号02C星、天绘卫星等。
由于DEM描述的是地面高程信息,它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国民经济和国防建设,以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。
例如在工程建设上,可用于土方量计算、通视分析等;在防洪减灾方面,DEM是进行水文分析,包括汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础;在无线通讯上,可用于蜂窝电话的基站分析等。
DEM还广泛用于生产地图产品,如等高线地图、正射地图等。
在遥感应用方面,DEM用于制图、正射校正和土地利用分类;还可用于高速公路和铁路的规划中。
11.1地形建模
11.1.1地形菜单
ENVI5.0的Topographic(地形)菜单可以对DEM数据进行打开、分析和输出等操作。
图11.1地形菜单
Ø打开地形文件(OpenTopographicFile):
可以打开的格式有数字地形高程数据(DTED)、美国地质勘察数字高程模型(USGSDEM)、空间数据转换标准(SDTS)格式的USGS数字高程模型(USGSSDTSDEM)文件以及ShuttleRadarTopographyMission即航天飞机雷达地形测绘的数字高程模型(SRTMDEM)格式。
Ø地形建模(TopographicModeling):
可以从地形数据中计算出一些地形模型,包括坡度、坡向、凸面和曲率等。
Ø地形特征(TopographicFeatures):
可以生成一幅分类图像,其中显示河道、山脊、山峰、沟谷、水平面等。
ØDEM扩展模块(DEMExtraction):
它能够简单、快速地从扫描、数字航空影像或者沿轨道方向、垂直轨道方向的推扫式卫星传感器等影像上创建DEM。
DEMExtraction模块除了DEM自动提取向导外,还包括三个DEM工具:
DEM编辑工具(EditDEMResults)、立体3D量测工具(Stereo3DMeasurement)和核线图像3D光标工具(Epipolar3DCursor)。
Ø使用菜单中的其它地形工具可以进行以下操作:
生成山区阴影图像(CreateHillShadeImage)、替换数字高程数据中的坏值(ReplaceBadValues)、不规则点栅格化(RasterizePointData)、将矢量地形图转化为栅格DEM(ConvertContourstoDEM)及对地形数据进行3D曲面浏览(3DSurfaceView)等。
11.1.2地形建模
使用TopographicModeling选项可以对DEM数据进行处理,生成阴影地貌表面;计算地形模型参数信息,包括:
坡度(Slope)、坡向(Aspect)、阴影地貌图像(ShadedRelief)、剖面曲率(ProfileConvexity)、水平曲率(PlanConvexity)、纵向曲率(LongitudinalConvexity)、横向曲率(CrossSectionalConvexity)、最小曲率(MinimumConvexity)、最大曲率(MaximumConvexity)及均方根误差(DEMError)。
Ø坡度(Slope):
以“度”或者百分比为单位,在水平面上为0度;
Ø坡向(Aspect):
以“度”为单位,ENVI将正北方向的坡向设为0度,角度按顺时针方向增加;
Ø阴影地貌图像(ShadedRelief):
入射角的余弦;
Ø剖面曲率(ProfileConvexity):
剖面曲率(与z轴所在的平面和坡面相交)度量坡度沿剖面的变化速率;
Ø水平曲率(PlanConvexity):
(与XY平面相交)度量坡向沿平面的变化速率;
Ø纵向曲率(LongitudinalConvexity):
(相交于包含坡度法线和坡向方向平面)度量沿着下降坡面的表面曲率正交性;
Ø横向曲率(CrossSectionalConvexity):
(与包含坡度法线和坡向垂线的平面相交)度量垂直下降坡面的表面曲率正交性;
Ø最小曲率(MinimumCurvature):
计算得到整体曲率的最小值;
Ø最大曲率(MaximumCurvature):
计算得到整体曲率的最大值;
Ø均方根误差(RMSError):
表示二次曲面与实际数字高程数据的拟合好坏。
ENVI地形模型工具使用图像格式的DEM文件,而不是原始的USGS格式的DEM数据。
例如USGSDEM、USGSSDTSDEM、DTED、SRTMDEM等格式都需要通过File—OpenExternalfile—DigitalElevation或者Topographic—OpenTopographicFile选择一种格式打开,ENVI自动将原始格式的DEM转换为ENVI标准栅格文件。
具体地形建模步骤如下:
(1)在ENVI主菜单中,选择Topographic—TopographicModeling,在弹出的TopoModelInputDEM对话框中,选择一个DEM文件。
打开一个新的DEM文件,选择File—Open
NewFile。
点击“OK”,打开TopoModelParameters对话框(图11.2)。
(2)在TopoModelParameters对话框中,选择地形核大小(TopographicKernelSize)为5。
更改地形核尺寸的目的是为了提取多尺度地形信息,可以使用不同的变化核提取多尺度地形信息。
需要注意的是地形核越大,处理速度越慢。
(3)SelectTopographicMeasurestoCompute列表中,选择要计算的地形模型信息,本实验选择了全部。
(4)单击ComputeSunElevationandAzimuth按钮,在ComputeSunElevationandAzimuth对话框中(如图1l.3),输入日期和时间:
GMT为16:
45:
14,Lat(纬度)为31度,Lon(经度)为110度。
单击OK按钮,ENVI将自动计算出太阳高度角和方位角。
(5)选择输出路径及文件名,单击OK按钮,执行地形建模。
(6)得到的结果是一个多波段图像文件,每一个地形模型形成一个波段(如图1l.4)。
图11.2TopoModelParameters对话框
图11.3ComputeSunElevationandAzimuth对话框
图11.4地形模型图像
11.1.3三维地形可视化
ENVI的三维可视化功能可以将DEM数据以网格结构(wireframe)、规则格网(ruledgrid)或点的形式显示出来,或者将一幅图像叠加到DEM数据上构建简单的三维地形可视化场景。
这两个文件的空间分辨率不必相同。
若这两个文件都经过定位,它们的投影也可以不必相同,ENVI将在飞行浏览中对DEM进行重新投影,使其与图像投影相匹配。
三维地形场景的生成步骤如下。
(1)分别将SPOT数据和DEM数据文件打开。
(2)在Toolbox中,选择Topographic—3DSurfaceView。
选择SPOT图像文件的RGB三个波段,之后在AssociatedDEMInputFile对话框中选择对应的DEM文件(图11.5)。
图11.5AssociatedDEMInputFile对话框
(3)在3DSurfaceViewInputParameters对话框中(图11.6),需要设置以下参数:
ØDEM分辨率(DEMResolution):
使用较高DEM分辨率将会减慢可视化的速度。
可以选择多个不同的DEM分辨率,在三维场景可视化时根据实际需求来回切换。
通常,当确定最佳飞行路线时,可以选择最低的分辨率(64);然后,在显示最终三维曲面飞行时,再选择较高的分辨率。
Ø重采样方法(Resampling):
最邻近重采样(NearestNeighbor)法和象元聚合重采样(Aggregate)法。
ØDEM最大/最小绘制值范围(DEMminplotvalue和DEMmaxplotvalue):
可选项。
这些值可从DEM数据中选取(用来去除背景像素值,或限制DEM高程范围)。
需要注意的是低于最小值或者高于最大值的DEM值将不会绘制在三维场景中。
Ø垂直夸张系数(VerticalExaggeration):
作用于垂直方向的比例放大系数。
值越大,夸张程度越高。
Ø图像纹理分辨率(ImageResolution):
原始大小(Full)和设定值(Other)。
(4)单击OK按钮,创建三维场景(图11.7)。
图11.63DSurfaceViewInputParameters对话框
图11.7三维场景图
(5)在3DSurfaceView窗口中,交互浏览三维场景。
Ø单击鼠标左键,并沿着水平方向拖动鼠标,这将使得三维曲面绕着Z轴旋转。
点击鼠标左键,并沿着垂直方向拖动鼠标,这将会使三维曲面绕着X轴旋转。
Ø单击鼠标中键,并拖动鼠标,可以在相应的方向平移(漫游)图像。
Ø单击鼠标右键,并向右拖动鼠标,可以增大缩放比例系数。
点击鼠标右键,并向左拖动鼠标,可以减小缩放比例系数。
11.2地形特征提取
ENVI能够从DEM中提取地形特征,包括山峰(Peak)、山脊(Ridge)、平原(Pass)、水平面(Plane)、山沟(C
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