第 1期 2011年 2月 　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 矿　山　测　量 MINESURVEYING　　　　　　　　　　　　　　　　　 No.1 Feb.2011 doi:10.3969/j.issn.1001 -358X.2011.01.005 基于多层 DEM的变形提取方法研究 杨　铭1 , 赵海峰 2 , 裴　亮 1 (1.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院, 辽宁 阜新 　123000; 2.皖北煤电集团有限责任公司, 安徽 宿州 　234000) 摘要:文中简单介绍了多层数字高程模型的含义、特点 、表示方法及其发展与研究现状。 其次, 主要 介绍了多层数字高程模型的数据获取和其数据结构。 数据获取包括数据采集, 多层 DEM数据结构 有离散点结构、规则格网结构、不规则三角网结构、等高线结构和混合结构五种。 最后介绍了多层数 字高程模型 (DEM)的构建 、内插及其应用。构建多层 DEM的方法有规则格网法 (GRID)、不规则三 角网法 (TIN)和混合法(GRID-TIN)等 ;DEM内插主要有整体内插 、分块内插和逐点内插三类 。多 层 DEM主要应用于滑坡体的变形提取 , 为预测和防治滑坡灾害提供了必要参数 。 关键词 :数字高程模型;内插;滑坡体;沉陷区 中图分类号 :P208　　　文献标识码:B　　　文章编号 :1001 -358X(2011)01 -0016 -02 　　在滑坡或沉陷的研究中, 对其变形的提取一般 只是建立在单层 DEM的基础上进行分析, 各个层的 DEM之间相互独立 , 增加了变 形提取的难度 , 多层 DEM是针对变形提取的一种新型数字建模过程, 这 种建模的结果就是多层数字高程模型 (多层 DEM), 它的数据结构有着明显的不同 , 具有时间维属性 , 这 种属性是区别不同层 DEM的依据 , 多层 DEM体现 了数据一体化的发展趋势 , 便于数据存储与调用 , 将 广泛用于地质沉陷和滑坡体变形提取的研究中 。 在地形表达方法上 , 多 层数字地面模型是最直 观 、最精确可靠的表达方式 , 它是对某一种或多种地 面特性空间分布的数字描述的模拟, 从最一般的形 式上看 , 多层数字地面模型包括平面和地形起伏两 种数据 , 并且从其本身导出的数据如坡度 、坡向、可 视性等也包含在其中 。多层数字地面模型作为地形 表面的一种新的数字表达形式具有容易以多种形式 显示地形信息以及精度不会损失 、容易实现自动化、 实时化等特点 , 但单层的数字高程模型对高程的提 取研究很麻烦, 对于单层 DEM高程提取 (例如滑坡 体变形前后 )首先建立前期的 DEM, 然后选择一点 进行内插计算出此点的高程, 再根据后期所建立的 DEM进行内插同理算出变形后的高程 , 进而得出变 形前后的高程变化。 但由于数据量过大并且不利于 统一管理, 对变形提取的研究带来很大不便, 为此需 要建立一个多层的数字高程模型。 1　多层数字高程模型概述 16 1.1　多层数字高程模型的含义 数字高程 模型 (DEM)是 DTM的一个子 集, 是 DTM中最基本的部分, 它是对地球表面地形地貌的 一种离散的数字表达 , DEM是表示区域 D上三维向 量有限序列 , 用函数的形式描述为:Vi=(Xi, Yi, Zi) (i=1, 2, 3… , n), 式中 Xi, Yi, 是平面坐标, Zi是 (Xi, Yi)对应的高程 , 当该序列中各平面向量的平面位置 呈规则格网排列时 , 其平面坐标可 省略, 此时 DEM 就简化为一维向量序列{Zi, i=1, 2, 3…n}。 多层 DEM是以单层数字高程模型为基础, 是对 单层 DEM的拓展与研究 , 在原有三维坐标属性中添 加时间维属性 , 时间维格式 为年, 月, 日 , 时结构, 将 这种格式添加到数据的链表结构中进行存储, 以区 分不同层面的数据, 为建立多层 DEM提供依据 。 1.2　多层 DEM的特点 与传统的单层 DEM比较 , 多层 DEM作为地形 表面的一种新的数字表达形式有如下特点: (1)容易 以多种形式多 层面地显示地 形信息 。 地形数据经过计算机处理后 , 产生多种比例尺的地 形图、纵横断面图和多层立体图。 (2)变形提取容易 , 只要内插一个点就可以提取 任一时间维 (任一时间间隔 )的变形量, 而单层 DEM 则要分别在不同的 DEM上进行内插操作, 提取变形 困难, 并且数据繁多 , 不易于统一管理。 (3)容易实现自动化、实时化。 2　多层 DEM的数据结构 数据结 构研究的 是数据 的逻辑 关系和 数据表 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 1期　　　　　　　　　　　　杨　铭等:基于多层 DEM的变形提取方法研究　　　　　　　　　　　　　 2011年 2月 示 。它的抽象定义为 :数据结构 B是一个二元组 B =(E, R), 其中 E是实体或称节点的有限集合 , R是 集合 E上关系的有限集合 。两者的有机结合就是数 据结构 。 2.1　多层 DEM数据组织 单层 DEM是建立多层 DEM的基础, 多层 DEM 主要研究的是数据的组织和存储结构, 对多层不规 则三角网:若将按地形特征采集的点根据一定规则 连接成覆盖整个区域且互不重叠的不同层面的许多 三角形 , 构成一个多层不规则三角网 , 称为多层三角 网 DEM或 TIN, 参见图 1。 多层 TIN与 Grid不同之 处在于 TIN能较好的顾及地貌特征点、线, 逼真地表 示复杂地形起伏特征, 并能克服地形起伏变化不大 的地区产生多余数据的问题 。但由于 数据量大、数 据结构复杂和难以建立, 多层 TIN一般只适宜于小 范围大比例尺高精度的地形建模 。近 年来, 借助于 计算机软硬件技术的飞速发展, 在 TIN的快速构成、 压缩存储以及 应用等发 面已经取 得了突破 性的进 展 。 多层 TIN模型是一种典型的矢量 拓扑结构, 通 过边与结点的关系以及三角形面与边的关系和时间 维属性的关系 显示表示 地形参考 点之间的 拓扑关 系 。多层 TIN与 Grid的存储方式有很大不同 , 它不 仅要存储每个网点的高程值, 而且还要存储相应点 的位置坐标 (如 X, Y)以及描述网点之间拓扑关系的 信息。 一般采用最简捷的链表结构 :数据由结点列 表和三角形列表两组记录组成 , 参见表 1, 表 2。 Y 200 表 1　结点三维坐标列表 Z X 57.5 429 60.2 55.3 56.1 50.2 437 507 266 234 265 190 607 555 时间 C1 C1 C1 C1 C1 编号 1 2 3 4 5 图 1　不规则三角形网络 表 2　三角形连 接表 编号 顶点 1 顶点 2 顶点 3 1 2 3 4 1 1 3 2 2 3 4 4 3 5 5 3 时间 C1 C1 C1 C1 　　表 1、表 2完整地表 达了 TIN最基本的几何信 息。当然, 根据数据编辑于快速检索的需要, 在该链 表结构基础上还可以增加描述三角形之间邻接关系 以及参考点不同特性的信息。 本文对滑坡的研究仅限于采样点在垂直方向上 的变形 , 不考虑水平位移变形 , 多层 DEM的建立要 求在数据存储上进行属性编辑 , 对 TIN链表结构中 需加上时间属性 , 这样来区分不同时期的数据点变 化, 对三角形链表也应进行相同操作 , 由此建立的多 层 DEM就可以很方便的被提取出来。 3　多层 DEM的生成流程及变形提取 3.1　多层 DEM的生成流程, 参见图 2 图 2　多层 DEM体系结构 3.2　变形提取 对沉陷区或滑坡体会随着时代变迁和各种因素 的影响发生变形 、水平位移、垂直升降和不规则的扭 曲等, 为此我们要不定时的进行变形的检测, 作好变 形的提取工作。 将不同阶段的采样点数据 进行预处理, 用时间 属性区别每 一期的变 形, 如 点号 , X坐标 , Y坐标 , Z坐标 , 时间 (年 , 月, 日, 时 ), 就用时间维来区分, 建 立不同层面的不规则三角形 TIN(DEM), 多层 DEM 建立后 , 用内插方法算出各个层面的高程, 从而求出 变形量 。 用 matlab来 完 成 变 形 的 提 取 :用 A =load (`3.txt)提取不同层面的数据, 在导入的数据中选择 所需要的点 , 方法原理:首先判断内插点所在不规则 三角网 (TIN)的位置 , 选择符合要求的三角形 , 搜索 在内差点左侧的点集 , 选择最邻近内插点的坐标作 为待求三角形的一个顶点 , 再逐步搜索内差点右侧 的点集 , 选择最邻近内插点的 (下转第 89页) 17 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 1期　　　　　　　　　　　　　苗　伟:邹城市采煤塌陷地治理现 状及思考　　　　　　　　　　　　　 2011年 2月 地塌陷及已闭坑采煤矿井造成的土地塌陷, 从一定 意思上讲, 属国家对地方的一种欠账 , 要积极向上级 政府反映情况, 努力争取国家、省政府对采煤塌陷地 治理的投入资金 , 多向国家 、省申报 土地复垦项目, 还清历史欠帐。 政府投资:按照国家、省政府相关 文件规定, 政 府应投入采煤塌陷地治理的资金 , 主要包括:煤炭企 业上缴新增建设用地有偿使用费地方留成部分, 全 部用于塌陷地治理;煤炭塌陷区所在政府收取的土 地出让金、土地荒芜费 、土地闲置费等优先用于采煤 塌陷地治理 ;煤炭企业因采煤压占 、塌陷造成耕地减 少而上缴的耕地占用税, 全部用于采煤塌陷地治理 。 采煤企业投入 :煤矿企 业采煤是导致土地塌陷 的主要原因 , 因此 , 煤炭企业在采煤塌陷地治理中应 承担主要责任和义务 。对因采煤而造成的土地破坏 应根据采煤数 量向有关 部门缴纳 一定比例 复垦资 金 , 专门用于采煤塌陷地治理。 群众集资:采煤塌陷地 治理最直接的受益者是 当地的农民群众 , 治理好的土地最终要确定给农民 使用, 因此应号召当地农民群众出工 、出力进行塌陷 地治理 。 社会投入:营造一个良好的外部环境, 本着 “谁 复垦、谁受益”的原则 , 鼓励企业或个人投资搞复垦 , 明确产权关系 , 调动社会投资积极性 , 形成全方位 、 多渠道的投入机制。 (4)进一步加强组织管理工作 市乡镇土地行政管理部门 , 认真落实采煤塌陷 地治理年度和规划 , 并将塌陷地治理列入政府年度 考核任务, 严格奖惩。 现有煤矿企业也应按照有关 法律、法规积极履行复垦义务。 对不履行复垦义务 的, 土地主管部门停止其开采 , 吊销采煤许可证;对 新建煤矿企业 , 要求其必须编制土地复垦方案和预 算, 否则一律不予审批。 作者简介:苗伟(1975 -), 男, 山 东邹城人。 主要 从事土地 复 垦管理、治理工作。 (收稿日期:2010 -11 -25) (上接第 17页) 坐标作为待求三角形的第二个顶点, 最后找出到内 插点最近的第三个点, 至此找到了内插合适的三角 形 , 再利用线性内插的方法求出次层面的内插点高 程 。 4　结　论 本文主要研究了多层 DEM的概念和基于这个 概念的高程变化提取方法 。多层 DEM的概念实质 是将时间等另外一个维的数据添 加在传统的 DEM 上 。本文以不规则三角网 TIN等为基 础的, 让多层 DEM的多层性体现在数据的存储结构上 , 即在 TIN 链表结构中对结点三维坐标列表和三角形连接表的 数据属性进行扩展与补充注明, 以此来区分不同层 面上的高程数据 。最后, 给出了多层 DEM用于变形 提取的一个实例 。实验结论表明 , 通过多层 DEM能 够很容易地得出变形量, 为基于多层 DEM各种研究 提供依据(如对滑坡体垂直面上变形的研究)。 本文的缺点是 , 研究的变形提取只实现了高程 方面的变形提取 , 而对于扭曲 、水平移动等未做深入 研究。 这一点希望在以后得到进一步的研究 。 　　参 考文献: [ 1] 　曹瑜, 吴 文祥, 刘 嘉 麒等.黄 土高 原 的 地 理信 息 系 统 (GIS)试研究[ J] .第四纪研究, 2001, 21(2):108-113. [ 2] 　陈燕, 齐 清文, 汤 国 安.黄 土 高原 坡 度 转 换图 谱 研 究 [ J] .干旱地区农业研究 , 2004, 22(3):180-185. [ 3] 　程三友, 刘少峰, 张会平等.大别 山构造地貌 的 DEM初 步分析[ J] .地质力学学报, 2005, 11(4):333 -339. [ 4] 　单树模, 王庭 槐, 金其 铭.江苏省 地理 [ M] .南京:江 苏 教育出版社, 1986. 作者简介:杨铭 (1986 -), 男, 辽 宁葫 芦岛人, 辽 宁工 程技 术 大学在读研究生, 专业方向:大地测量与卫星定位导航。 (收稿日期:2010 -11 -15) 89 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net