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基于Python的数字高程模型处理

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基于Python实现的变换、投影、转换和可视化数字高程模型并且读取其中给定位置的海拔值。

目录

• 专业术语和缩略词
• 功能
• 数字高程模型数据
  • ASTERGDEM
  • EUDEM
• 依赖项
• ASTERGDEM处理流程图
• 使用方法
  • ASTERGDEM的使用方法
  • EUDEM的使用方法
• 结果
  • 伦敦数字高程模型图像
  • 伦敦海拔
• 参考

专业术语和缩略词

专业术语	缩略词	备注
Digital Elevation Model 数字高程模型	DEM	-
Geographic Coordinate System 地理坐标系	GCS	三维椭球面，[经度，纬度，海拔]
Projected Coordinate System 投影坐标系	PCS	二维平面，[横坐标，纵坐标，海拔]
Georeferenced Tagged Image File Format	GeoTIFF	数字高程模型的文件格式
European Petroleum Survey Group	EPSG	EPSG代码用于识别不同GCS和PCS
1984 World Geodetic System	WGS-84	GCS, EPSG-4326, 参考椭球面位于地球
Pseudo Mercator (Web Mercator)	-	PCS of WGS-84, EPSG-3857
1936 Ordnance Survey Great Britain	OSGB-36	GCS, EPSG-4277, 参考椭球面位于英国
British National Grid	BNG	PCS of OSGB-36, EPSG-27700
1989 European Terrestrial Reference System	ETRS-89	GCS, EPSG-4258, 参考椭球面位于地球
Lambert Azimuthal Equal-Area	LAEA	PCS of ETRS-89, EPSG-3035

功能

• 变换地理坐标系下DEM至其他地理坐标系（例如，由WGS-84变换至OSGB-36）。

• 投影地理坐标系下的DEM至对应的投影坐标系（例如，由OSGB-36投影至BNG）。

• 转换投影坐标系下的DEM至对应的地理坐标系（例如，由LAEA转换至ETRS-89）。

• 可视化投影坐标系下的DEM为二维图像。

• 读取地理坐标系下的DEM中给定位置的海拔值。

数字高程模型数据

ASTERGDEM

• 更新 ASTER数据集的获取和下载，参见链接。

• ASTERGDEMv2.0下载链接：https://earthexplorer.usgs.gov/

• 关于详细介绍和使用指南，参见Introduction of ASTGDEMv2.pdf。

EUDEM

• EUDEMv1.1下载链接：https://land.copernicus.eu/imagery-in-situ/eu-dem/eu-dem-v1.1

• 关于详细介绍和使用指南，参见这里。

依赖项

• gdal (osgeo) 1.11.3
• matplotlib 3.0.2
• numpy 1.15.4
• pandas 0.23.4

下述GDAL安装步骤（1-2）总结自mothergeo。

1. 在终端安装GDAL Development Libraries并将环境变量导出至编译器。

$ sudo apt-get install libgdal-dev

$ export CPLUS_INCLUDE_PATH=/usr/include/gdal
$ export C_INCLUDE_PATH=/usr/include/gdal

2. 在终端安装GDAL Python Libraries。

$ pip install GDAL

如果出现错误：cpl_vsi_error.h: No such file or directory，请尝试下述步骤。

3. 在终端查看GDAL Python Libraries所需的版本。

$ gdal-config --version

4. 下载对应GDAL版本（例如，1.11.3）的源文件（例如，gdal-1.11.3.tar.gz）自这里。

5. 在终端手动安装GDAL Python Libraries。

$ cd path/of/downloaded/gdal/package

~$ tar -xvzf gdal-{VERSION}.tar.gz
# 例如， ~$ tar -xvzf gdal-1.11.3.tar.gz

~$ cd extracted/gdal/folder
# 例如， ~$ cd gdal-1.11.3

~$ cd swig
~$ cd python
# setup.py存在于该目录下。

~$ python setup.py build_ext --include-dirs=/usr/include/gdal/
~$ python setup.py install

6. 在Python中运行>>> from osgeo import gdal。如果没有报错，则安装完成。

ASTERGDEM处理流程图

使用方法

原始DEM文件的目录列表如下。

└── Data/
    ├── DATA_ASTGDEMv20/
    │   └── EPSG4326_s/
    │       ├── ASTGTM2_N51W001_dem.tif
    │       └── ASTGTM2_N51E000_dem.tif
    └── DATA_EUDEMv11/
        └── EUDEMv11_EPSG3035.tif

ASTERGDEM的使用方法

1. 下载DEM文件ASTGTM2_N51W001_dem.tif和ASTGTM2_N51E000_dem.tif自这里。

2. 复制DEM文件到文件夹DATA/DATA_ASTGDEMv20/EPSG4326_s/。

3. 运行run_DEM_ASTGDEMv20.py或run_DEM_ASTGDEMv20_ipy.ipynb，以处理ASTERGDEMv2.0的数字高程模型。

4. 运行run_DEM_ASTGDEMv20.py的日志可以参见Log_run_DEM_ASTGDEMv20.txt。

EUDEM的使用方法

1. 下载DEM文件eu_dem_v11_E30N30.tif自这里。

2. 复制DEM文件到文件夹DATA/DATA_EUDEMv11/并重命名为EUDEMv11_EPSG3035.tif。

3. 运行run_DEM_EUDEMv11.py或run_DEM_EUDEMv11_ipy.ipynb，以处理EUDEMv1.1的数字高程模型。

4. 运行run_DEM_EUDEMv11.py的日志可以参见Log_run_DEM_EUDEMv11.txt。

结果

伦敦数字高程模型图像

• Pseudo Mercator投影坐标系下的ASTERGDEMv2.0图像

• BNG投影坐标系下的ASTERGDEMv2.0图像

• LAEA投影坐标系下的ASTERGDEMv2.0图像

伦敦海拔

• 伦敦24个位置的海拔值（米）

No. of Location	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
ASTGDEMv20_WD	18	18	38	40	65	26	35	31	17	79	13	41	62	82	9	13	31	31	15	22	24	40	8	40
ASTGDEMv20_UK	14	14	36	25	60	37	33	40	20	68	12	25	62	59	15	18	22	22	15	21	14	33	8	47
ASTGDEMv20_EU	18	18	38	40	65	26	35	31	17	79	13	41	62	82	9	13	31	31	15	22	24	40	8	40
EUDEMv11_WD	12	12	37	30	61	25	29	36	11	66	11	31	64	79	7	27	25	25	14	15	13	32	5	36
EUDEMv11_UK	12	12	37	26	58	30	32	35	11	71	8	30	66	78	8	26	24	24	8	16	13	32	9	35
EUDEMv11_EU	12	12	37	30	61	25	29	36	11	66	11	31	64	79	7	27	25	25	14	15	13	32	5	36

参考

[1] EPSG 4326 vs EPSG 3857 (projections, datums, coordinate systems, and more!)

[2] Coordinate systems and projections for beginners

[3] CSDN博客

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