摘 要

随着数字地球的发展，数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)构造精度和可视化研究越来越重要。本文首先介绍了DEM的研究意义及背景。接着，阐述了DEM数据来源、误差来源、常见的构建DEM插值算法、精度评价方法和可视化方法。然后，针对不同DEM插值方法在复合地貌区对比研究较少的问题，选取南京钟山中低山、丘陵和复合地貌，通过普通克里金法、自然邻域法、样条函数法和反距离权重法四种不同的插值方法构建了DEM，并依据等高线套合分析法和检查点法，分别从定性和定量的角度对四种不同插值构建的不同分辨率DEM进行了精度评定。最后，结合构建的DEM利用Arc Scene进行三维地形可视化研究，通过钟山的三维立体图研究了分析坡度、坡向等地貌特征，依据黑白晕渲图和等高线明暗图营造了三维影像效果，将原始影像图与DEM模型进行叠加分析，生成了三维影像立体图，直观的显示了研究区域的地形地貌特征。

关键词：数字高程模型 插值算法 DEM精度 地形可视化

Investigation on that construction and visualization of digital elevation model of Nanjing Zhong Shan scenic spot

Abstract

With the development of Digital earth, it is more and more important to study the structural precision and visualization of Digital Elevation Model (DEM). This paper first introduces the research significance and background of DEM. Then, the DEM data source, error source, common DEM interpolation algorithm, precision evaluation method and visualization method are described. Then, according to different DEM interpolation method in comparing the problems of less complex landform area, selection of Zhong Shan low mountains, hills and complex landform, by ordinary kriging method, natural neighborhood method and spline function method and the inverse distance weighting method four different interpolation methods constructed DEM, and according to the contour fitting analysis method and the inspection point method, the accuracy of DEM with different resolutions constructed by four different interpolation values was evaluated qualitatively and quantitatively. Finally, combined with the constructed DEM, the Arc Scene is used for 3d terrain visualization research, Based on the analysis of slope, slope direction and other geomorphologic features, the 3d image effect of Zhong Shan is created based on the black and white shading map and contour map. The superposition analysis of the original image map and DEM model was carried out, and the 3d image was generated.

Key Words: Digital elevation model Interpolation algorithm DEM precision Terrain visualization

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 DEM研究现状 2

1.2.2 地形可视化研究现状 2

1.3 研究内容与技术路线 3

第二章 DEM及地形可视化简介 5

2.1 DEM数据来源 5

2.2 DEM误差 5

2.3 DEM构建的插值方法 6

2.4 DEM精度评定方法 7

2.4.1 等高线套合分析法 7

2.4.2 检查点法 8

2.5 三维地形可视化研究 8

2.6 本章小结 9

第三章 钟山DEM构建和精度评定 10

3.1 实验区域及地貌样区 10

3.1.1 实验区域 10

3.1.2 实验样区 10

3.2 钟山DEM的构建 11

3.2.1 钟山地形数据的预处理 11

3.2.2 钟山DEM的构建 11

3.3 DEM精度评定 12

3.4 本章小结 18

第四章 地形可视化分析 19

4.1 立体图、晕渲图和等高线明暗图 19

4.1.1 立体图 19

4.1.2 晕渲图 20

4.1.3 等高线明暗图 20

4.2 坡向坡度分析 21

4.2.1 坡向分析 21

4.2.2 坡度分析 22

4.3 三维影像立体图 23

4.4 本章总结 24

第五章 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

参考文献 27

致 谢 29

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达^[1],是对地球表面地形的一种逼近模型，与实际地形存在一定的差距，因此分析和研究DEM精度就受到越来越多的关注。DEM因为其独特的战略意义，使得各国都在完成了DEM数据库的建立^[2]，并且随着人类活动范围的扩大和建设的需求，DEM越来越频繁的进入人们的视野，尤其随着信息技术的发展进步，带来了数字高程模型（DEM）和地理信息系统，优化了地形的表达方式，催生了地形可视化技术^[3,4]。地形可视化是一门以研究数字地形模型（Digital Terrain Model ,DTM）或DEM的显示、简化、仿真等内容的学科^[5]。其主要目的是增强DEM的表达效果，使得建立的DEM具有极强的可读性。同时目前获取地理数据精度的提高和数据量的增大，各个领域对地形三维可视化提出了越来越高的要求，并随着“数字地球”以及“智慧城市”的开展，使得地形可视化成为各行业DEM研究的热点。

目前，DEM的质量问题依旧没有得到解决，关于DEM的精度评定也遗留了众多问题，同时关于插值算法对DEM精度的影响偏向单个地貌的针对性研究，无法模拟实际生产过程中的复合地形情况。目前常用的6种插值方法在不同环境下会对DEM插值精度产生不同程度的影响^[6]，故本文将基于Local Viewer和ArcGIS软件，以南京钟山风景区为研究对象，根据不同的内插算法构建DEM，并比较各插值生成的DEM的精度，同时在DEM基础上进行可视化自增强研究。综合而言，本研究意义如下：

（1）南京钟山风景区属于低山丘陵复合地貌，基于复合地貌的不同插值算法DEM构建精度以及可视化研究较少。

（2）南京钟山的普通的导游地图或者传统的电子地图不能最大化的优化人们对于钟山地形的认识，构建钟山DEM并进行可视化研究可以使得工作人员以及游客有一个直观的认识，具有一定的社会效用。

1.2 研究现状

1.2.1 DEM研究现状

从20世纪70年代开始，DEM的研究已不再是DEM数据的获取技术，研究方向转变为DEM的误差检测^[8]和误差的校正^[9]上。国际上，Makarovic（1972）作为开拓者首先研究了DEM精度理论模型，为今后研究的开展树立了好的开始； Lopez（1997）则提出一种基于主成分分析方法，采用了粗差模型进行DEM精度的评价。在提高DEM精度方面，Jay Gao(2001)采用加权平均、最小曲率、克里金法三种方法构建了等高线DEM，并在不同方面比较了三种方法的差异^[27]。Heritage G L等(2009)比较了五种采样策略，用五种不同的插值方法生成了DEM，指出DEM精度与采样数据质量、采样方式和插值算法相关^[28]。同样地，国内的学者也一直在研究DEM精度问题，并取得了很多成果。李志林和朱庆分析研究了DEM精度的影响因子^[1]；汤国安^[10]（2001）提出了数字高程模型地形描述误差的概念，分析比较了5个不同地貌类型区所生成DEM的地形描述误差;汤国安（2007）则提出了等高线套和差的概念，解决了等高线回放法单纯定性分析的缺点拓展了利用等高线的研究分析^[11]; 朱长青等（2008）^[12]分析比较了重构等高线和原始等高线，构建了DEM精度评估模型，指出重构误差的适宜性和可信度更高；杨斌等(2010)^[29]以玛尔挡地区为研究区，利用ArcGIS中的拓扑网格工具构建出了有效的数字高程模型；和娴等(2017)^[30]以三种不同地貌区的地理数据为基础，对比分析了不同径向核函数对DEM的适用性。

1.2.2 地形可视化研究现状

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