ENVI地形分析 - 图文

第11章 地形分析

数字高程模型（Digital Elevation Model，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（Digital Terrain Model，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i 方法 航空摄影测量 优点 成熟的方法，精度高，可获取大比例尺DEM。 缺点 成本高，周期长，且受航空管制。 受数据源限制大，很多地区无高程点或等高线数据。 受天气影响较大，目前可获取的比例尺较小。 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。 起步阶段，技术门槛高。 高程点或者等高线差值 成本低，操作简单。 卫星遥感 干涉雷达技术 可以大范围获取DEM。 可以大范围获取DEM，不受天气影响。 精度高，可获取大比例尺DEM。 激光雷达技术 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。

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图11.1 地形菜单 打开地形文件（Open Topographic File）：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（USGS DEM）、空间数据转换标准（SDTS）格式的 USGS 数字高程模型（USGS SDTS DEM）文件以及 Shuttle Radar Topography Mission即航天飞机雷达地形测绘的数字高程模型（SRTM DEM）格式ii。

地形建模（Topographic Modeling）：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。

地形特征（Topographic Features）：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。

DEM扩展模块（DEM Extraction）：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。DEM Extraction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（Edit DEM Results）、立体3D量测工具（Stereo 3D Measurement）和核线图像3D光标工具（Epipolar 3D Cursor）。

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（Create Hill Shade Image）、替换数字高程数据中的坏值（Replace Bad Values）、不规则点栅格化（Rasterize Point Data）、将矢量地形图转化为栅格DEM（Convert Contours to DEM）及对地形数据进行3D曲面浏览（3D SurfaceView）等。

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11.1.2 地形建模

使用Topographic Modeling 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（Shaded Relief）、剖面曲率（Profile Convexity）、水平曲率（Plan Convexity）、纵向曲率（Longitudinal Convexity）、横向曲率（Cross Sectional Convexity）、最小曲率（Minimum Convexity）、最大曲率（Maximum

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Convexity）及均方根误差（DEM Error）。

? 坡度（Slope）：以“度”或者百分比为单位，在水平面上为0度；

? 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；

? 阴影地貌图像（Shaded Relief）：入射角的余弦；

? 剖面曲率（Profile Convexity）：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；

? 水平曲率（Plan Convexity）：（与XY平面相交）度量坡向沿平面的变化速率； ? 纵向曲率（Longitudinal Convexity）：（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；

? 横向曲率（Cross Sectional Convexity）：（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；

? 最小曲率（Minimum Curvature）：计算得到整体曲率的最小值； ? 最大曲率（Maximum Curvature）：计算得到整体曲率的最大值；

? 均方根误差（RMS Error）：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USGS DEM、USGS SDTS DEM、DTED、SRTM DEM等格式都需要通过File—Open External file—Digital Elevation或者Topographic—Open Topographic File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—Topographic Modeling，在弹出的Topo Model Input DEM对话框中，选择一个DEM文件。打开一个新的DEM文件，选择File — Open New File。点击“OK”，打开Topo Model Parameters对话框（图11.2）。

（2）在Topo Model Parameters对话框中，选择地形核大小（Topographic Kernel Size）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）Select Topographic Measures to Compute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Compute Sun Elevation and Azimuth按钮，在Compute Sun Elevation and

Azimuth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11.3 Compute Sun Elevation and

Azimuth对话框

图11.2 Topo Model Parameters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（wire frame）、规则格网（ruled grid）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iv。

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—3D Surface View。选择SPOT图像文件的RGB三个波段，之后在Associated DEM Input File对话框中选择对应的DEM文件（图11.5）。

图11.5 Associated DEM Input File对话框

（3）在3D Surface View Input Parameters对话框中（图11.6），需要设置以下参数： ? DEM分辨率（DEM Resolution）：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。

? 重采样方法（Resampling）：最邻近重采样（Nearest Neighbor）法和象元聚合重采样（Aggregate）法。

? DEM最大/最小绘制值范围（DEM min plot value和DEM max plot value）：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。

? 垂直夸张系数（Vertical Exaggeration）：作用于垂直方向的比例放大系数。值越大，夸张程度越高。

? 图像纹理分辨率（Image Resolution）：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）。

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