转帖:等高线地图&DEM闲谈

野外辨别方位方法有很多,指北针、GPS系列工具、北斗导航系列工具、机械手表、木棍日照、星座和环境植被等等方法。这些方法都会受到各种人为因素和自然因素的影响而产生偏差

【学习DEM的过程中,网上搜到这篇文章,作者虽然自称非专业人士,然而这篇文章写的实在精彩。实力推荐!!!若有不当之处,请告知,随时可删。】

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        首先声明,本人并非专业人士,以下只是个人道听途说和一些肤浅的见解,发在这里希望能起到抛砖引玉的效果,错谬之处难免,还望有识者指正。

野外辨别方位方法有很多,指北针、GPS系列工具、北斗导航系列工具、机械手表、木棍日照、星座和环境植被等等方法。这些方法都会受到各种人为因素和自然因素的影响而产生偏差。那么有没有最为可靠的指向方法呢?答案是肯定的,那就是地图!

从历史走来-等高线地图

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        登山活动要想计划周密安全,通常少不了对地形的了解。传统上等高线地图是最常用的地形描述工具,等高线地图的制作办法从18世纪开始在欧洲萌芽,首先使用三角测量法选取重点的代表性地点,如山顶,按照逐步递推的办法,测出其经纬度和高程(从已知点推旁边的未知点),这些点构成所谓的大地测量控制点,大家经常在山顶上看到的军区的三角水泥桩就是。(我国三角点约有15万个,耗费的人力可想而知)

地图是按照地形地貌“照葫芦画瓢”绘制的,是地形地貌的二维缩小版。是目前最为可靠最为实用的野外辨别方位和指路工具。尤其是等高线地图。因为等高线地图忠实的还原了地貌,利用等高线将山势高低、河流道路、陡坡缓坡等等地形特点进行了详细的标注。使得我们很容易根据我们在野外所处的地形找到自己的位置,也能够很容易参照等高线图形避开陡坡悬崖等危险地形规划行进路线,顺利到达目的地。

        我国的测绘人员(他们可能算是国内最早的户外人士了,50-60年代勘探,交通,设备条件差,非常的辛苦)。温家宝总理就是当年地质队的一员,美国地质调查局测绘人员在控制点测量(美帝十分奢侈,60年就用上了直升机,所以他们测得快),仅有这些孤立的点,当然还不够把整个地区的等高线画出来。靠测绘队员去每个点都测一遍显然不太现实,通常的做法是派出飞机用特种相机(据说要2百万一个)。


        进行航拍利用不用角度拍到的同一地区的照片在地面上用一种立体成像的光学仪器(stereoscopic
projector)显示出来,绘制等高线,以前这套东西要靠人工肉眼来做上图为美国地质调查局的工作人员在使用立体投影仪处理地图。

等高线地图简介

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虽然说等高线是中学地理的必修课,但不少朋友的等高线常识也许早就还给“体育”老师了吧。下面就请大家和军哥一起来简单温习下。

        绘制中还会加入仅靠等高线无法表达的地貌特征,比如悬崖,山顶,河流,公路,建筑物,植被,居民地,这都要靠人工现场测绘和判断才能完成。上图为在已经画好的等高线上加上标注。

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        等高线容易理解,对常见地形的表述也不错——至少对有经验的人是这样,他非常容易印刷在平面媒体上,如果加上彩色和阴影渲染,直观性还可以提高。传统上的制图方法,人力消耗极大,制图周期长(4-5年),像我国和美国这面积广大的国家,在5,60年代时代测绘人员数以千计,并消耗大量资金(我国的西部测图工程每张1:50000的图预算耗资30万RM。地图难以更新。所以在美国地质调查局,传统的做法已经被基本废弃现在是基于计算机的地理信息系统(GIS)大行其道的时代,等高线地图开始暴露出弱点来,因为本质上它是光栅图像,计算机很难直接使用,即使做了等高线矢量化,从中抽取信息也非常不便,有了需求,自然会有新的解决办法。

等高线是指等高线地形图上高度相等和相邻的各个点所连成的闭合曲线。也就是将地面上不同高度的各个闭合的曲线垂直投影在一个水平面上,按照一定的比例绘制在图纸上。最后形成我们大家看到的这种疏密不同的闭合曲线图就是等高线地图。大家看到不同等高线上标注的数字就是该该等高线的海拔高度。

数字时代的地形描述-DEM

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        数字高程模型(Digital Elevation
Model)记录地形是另一套思路,在DEM中,不再有线的概念,只有一个一个的地理点,这些点在地理上可以是均匀如网格分布的,比如SRTM,也可以是不均匀分布的,据说我国的就是,DEM中记录的是每个点的经纬度和海拔高度。

等高线地图有着其他辨别方位方法无法比拟的便利性和可靠性。所以,我们大家很有必要学习掌握识别等高线地图基础知识,并在野外条件下熟练运用。能够保证我们在野外环境不至于迷路,能够“按图索骥”,顺利的走出困境。增强我们应对野外迷失方向的能力。

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欧洲航天局分色渲染的全球DEM地图(白色海拔最高)

等高线地图识别方法

       
DEM和等高线图形比起来非常便于计算机处理,有现成的算法可以在DEM上生成等高线图,坡度图,甚至结合航拍图像完成三维地形可视化(最常见的例子就是googleearth),
使用和显示方式的灵活性是等高线模型完全无法抗衡的。在军事领域,这个好处不是一般的明显,战斧巡航导弹的数字地形匹配,直升机的自动地形警示系统,听上去很神,其实就是靠内置的DEM数据库实时查询完成的。

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图中红色曲线为等高线,可以看出北边山体立面比较平直,坡度也不算陡直,攀爬难度不是很高。东面山体呈环形,等高线比较稀疏,坡度较缓,比较合适徒步。

战斧巡航导弹配备的TERCOM(地形轮廓匹配)系统示意图

图中黄色点为等高线比较稀疏的缓坡,蓝色点等高线比较密,坡度较陡,左边蓝点位置为山谷地形,图下两个黄点至下而上分别为山顶和鞍部。

       
GIS领域一个相当热门的专题就是怎样将已经有的等高线地图库转换为DEM数据(我国的基础DEM大概就是这么处理出来的)。现在有了GPS和计算机,飞机甚至可以飞越一次就能依靠GPS坐标点和摄像机或激光雷达直接完成地形的测绘。精度可以达到米一级。

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图中黄圈内山体周围等高线密集,说明此山体周围地形都比较陡直,攀爬比较困难,在徒步中应尽量避开。

图:机载激光雷达(LIDAR),装载激光测距仪的飞机飞过一个地区就可以采集到地形信息,这个地区DEM/等高线地图甚至可以不下飞机就得到。

图中绿圈地域内等高线比较稀疏,表示此山体周围地形为缓坡,适宜徒步穿越

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龙8国际网页版登录,        传统的三角形网还是有用的,只是已经不一定要用经纬仪,如果要求不是特别高,可以用GPS确定点位坐标。图为勘探人员扛着Trimble的GPS这玩意儿不大受气候,地形影响,节约人力,效率高,所以国家测绘局也用这个。

为帮助大家对等高线有更好的理解,上一张大家经常见到的梯田图片,帮助大家理解等高线。下图是2007年军哥在82论坛发的一个关于识图帖子中的梯田对比图片,今天查看了下,没想到浏览量已超过了10万。这说明大家对这方面的常识还是有需求的。

        我国2006年完成的西部测图工程(完成传统办法难以完成的青藏高原,塔里木盆地的1:50000地形图)使用了欧洲的SPOT5卫星测得的DEM数据结合GPS地面控制点来生成等高线地图。这也是未来的趋势,即以DEM作为地形的元数据,而等高线地图,如果需要,随时可以从DEM数据生成。

蓝色地方等高线较疏,地形就为缓坡。

我们的困境-地图在哪里?

黄色地方等高线较密,地形就为陡坡。

        很多户外玩的时间长的人也非常坚定的相信等高线地图是最好的地形图。对于登山运动来说,如果有很好的等高线地图,比如1:25000的大比例尺地图,一般情况下也确实够用了,遗憾的是,由于我国技术力量和保密制度的约束,1:25000的全国范围等高线图不存在,1:50000的等高线地图属于机密,即使是1:200000的地形图也是秘密,所以广大山友只能看着大洋彼岸的美帝满大街的全国1:24000公开地形图流流口水。

红色地方等高线很低,地形基本为平地了。

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我国的1:25000地形图覆盖范围(来源:国家测绘局),可以看出,基本不覆盖山区

我们还可以利用我们的手掌握拳的方式来理解掌握等高线地图基本原理。下图中我们可以直观的看到:

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手背为缓坡,等高线就稀疏

美国标准的USGS 1:24000地图样例—不要钱,免费下载

指骨关节右下侧为陡坡,等高线就非常密集。

       
我国建国以后的测绘工作首先得到了苏联专家的技术援助,负责培训的苏联飞机和飞行员直接参加了测绘,所以苏联手中有中国的详细地形图并不奇怪819狗没有响,苏联轰然倒台,其中的一大后果就是苏联红军几十年苦心经营的全球等高线地图库被以吨计成批的贩卖出境,经扫描后在网上公开出售或免费下载,其中就包括了覆盖我国大部分地区的1:100000等高线图,在中苏边境地区,还有1:50000的精品,只是免费的1:100000地图似乎只限于新疆边境地区,内地的1:100000得花美刀去买,就算你舍得买,详细程度也还是不够让人满意,满眼的俄文也是个头疼的问题。

两个指骨关节间为比较平缓鞍部

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苏联1:100000地形图样例(新疆喀纳斯)

大家可以握拳与下图进行一个比对

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苏联1:50000地形图样例(新疆白湖)

军哥有个多年的习惯,无论是独行还是结伴出行,即使有专业向导随行,自己每到一个陌生地段前,都会做些功课,将出行线路的等高线地图打印下载和截屏备用。一旦出现野外方位辨别不清或者迷路时,就利用等高线地图找到自己所处的位置,然后利用等高线地图重新规划线路,顺利的到达目的地。

       
免费的内地1:200000地图上的山实在粗略,俺目前发现的唯一用途是能看到溪流和一些当地村民也已不大使用的古老山路。

下图为四姑娘山的等高线地形图。

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苏联1:200000地形图样例(东天目)


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如何用等高线地图规划行进路线

        苏联地图非常难得,为了确定它是不是够准确,我们的日本友人出动了图为在新疆和田抓获的日本非法测绘人员(日本国土情报技术研究所所长大林成行和他的学生),他们正使用GPS校准手上的俄文1:100000地形图,完成了6个点的定位。

测量确定方位角
图中与地图经线并行的粉红色短线与图中两地直线的夹角度数为始发地与目的地的方位角。我们在行进过程中需要使用指北针校正目的地的方位,确保我们始终朝着目的地方向行进。

被迫先进了一把-SRTM

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        也算是天无绝人之路,2000年2月,美国派出奋进号航天飞机,装载先进的合成孔径雷达,经过11天飞行,一次性完成了几乎覆盖全球的高程测绘,数据经过处理后,全球海拔数据在NASA的网站上可以公开下载,抛开美帝这背后邪恶的全球野心不说,这确实算是前无古人的伟大技术成就。这次任务被称为SRTM(ShutterRadar
Topograph Mission),因此大家一般就把这份公开数据也称作SRTM.
这份数据绝大部分是90米分辨率,也就是说地面上间距90米才有一个数据点,不过这已经比以前美国地质调查局公布的全球GTOPO30DEM数据精度高的太多了(1公里一个点)。

下图中有两条徒步路线。是根据山势进行规划的,

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蓝色线路比较直,但须穿越一段比较陡直的地形,徒步强度较高。

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绿色线路距离相对远一些,但路线都为较为平缓的地形,徒步较为轻松。

Smithsonian’s Udvar-Hazy Air and
Space博物馆展出的SRTM使用的雷达天线,折叠梯状的支架可伸长至60米

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SRTM C波段数据覆盖的范围,除去红色和黑色,全都有。

如何获取高线地图

       
SRTM本来应该是专业地理信息工作者有兴趣的东西,但是国内搞不到地形图的广大山友很快就发掘出了他的业余用法:生成等高线地图,比如用最常见的GlobalMapper就可以处理,再加上来源神秘的china.name中国60万地名库(错误百出)和其他来源的政区矢量地图叠加在一起,手工编辑一番,现在网上主要的等高线地形图就是这么出来的。说起来大部分人想要的是50年代水平的等高线地图,却别无选择用上了21世纪水平的DEM,被迫先进了一把。

由于意识形态问题,国内对等高线地图管制的很严格,等高线地图只是军事和勘探等部门的专享,一直没有正规出版过等高线地图。但随着信息化的进步,如今要取得等高线地形图并不是什么难事了。这都得益于SRTM(全称Shuttle
Radar Topography
Mission),是2000年由美国太空总署利用“奋进”号航天飞机雷达测绘得到的数据。SRTM国际科学数据镜像网站为所有用户提供世界范围内SRTM
90米分辨率所有数据的免费查询和下载。

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