面向地貌学本源的DEM增值理论框架与构建方法

数字高程模型（DEM）在表达地貌形态、认知地表过程、揭示地学机理等研究中发挥着基础性的作用,是重要的地理空间数据模型,广泛地应用于地学分析与建模中。但是,传统DEM具有属性单一的天然缺陷,难以支撑面向地学过程与机理挖掘的地球系统科学研究。亟待在传统DEM的基础上实现其数据模型的增值,服务于新地貌学研究范式和新对地观测技术背景下的数字地形建模与分析。立足于以上问题,本文构建了DEM增值的理论框架,主要包括DEM增值的概念、内涵、内容、类别、不同增值类别之间的相互关系,以及此理论框架的研究意义和应用范畴。提出了DEM增值的构建方法,包含：① 强调地上地下一体化、时间空间相耦合的DEM空间维度和时间维度增值方法;② 重视地下、地表和地上物质构成,形态属性耦合的物质属性和形态属性增值方法;③ 顾及自然过程、人工作用的地物对象、地貌形态的地物要素和形体要素增值方法。最后,分别以数字阶地模型、数字坡地模型和数字流域模型为例,阐释DEM在面向地貌学本源问题时的不同增值方法及应用场景。期望通过对DEM进行维度、属性和要素3个层面的增值,实现现代对地观测技术背景下数字高程模型表达方法的突破,并支撑知识驱动的数字地貌问题分析。     

我国数字高程模型与数字地形分析研究进展

数字高程模型是最重要的国家基础地理信息数据,基于GIS的数字地形分析的理论、方法与应用,是当今地理学、地貌学界,特别是地理信息科学研究的热点问题。本文从DEM的数据模型、数字地形分析的不确定性、分析方法、尺度效应、高性能计算方法以及地学应用等方面,对我国学者在该领域的研究情况,特别是研究成果进行较全面的梳理与分析。综述显示,我国具有一批从事数字高程模型与数字地形分析的高水平研究力量,研究方向紧跟国际前沿,并取得了丰硕的成果,部分研究内容具有显著创新,年轻一代科学家正加速成长。在黄土高原、青藏高原的区域数字地形分析方面更彰显我国科学家的优势与特色,在国际学术界产生了重要的影响。     

数字地形分析在滑坡研究中的应用综述

高效的数字地形分析（Digital Terrain Analysis,DTA）是滑坡预测与评估研究的重要手段。文章综述了DTA在滑坡研究中的应用现状,基本内容包括地形因子分析、地形形态分析、地形单元划分以及DEM与滑坡模型的结合分析。地形因子分析的应用多而广,主要思路是在地形因子与滑坡发育的关系研究基础上分析其滑坡敏感性,进而构建滑坡预测和评估模型;地形形态分析是滑坡识别的重要手段,加强地貌形态和滑坡发育的关系研究有助于对潜在滑坡地形的识别;地形单元划分能为滑坡研究提供统计和分析单元;DEM与滑坡专业模型的结合方式多样,程度各异。同时,从尺度选择与转换的角度探讨了DTA滑坡研究的尺度问题,分析了DTA的局限性,指出DEM不能提供完备无误的地形信息,DTA不能完全取代常规的地形分析。最后,基于以上论述对未来的研究趋势提出了展望。     

基于GRID-TIN混合格网DEM的旱作梯田数值模拟模型研究

旱梯田地形具有独特的平面和剖面形态特征,现有DEM难以对其地貌形态特征进行准确描述,无法满足构建旱梯田地形数值模拟模型的需求。为此,以黄土高原典型旱梯田地形为切入点,基于Grid-TIN混合格网DEM和面向对象技术构建出水平梯田等典型旱梯田数值模拟模型。根据旱梯田地形的独特地貌形态特征,提出能够对旱梯田地形的高程、坡度进行准确计算的数字地形分析方法。该研究成果是对基于DEM的旱梯田地形数值模拟模型研究的有益尝试,对于探讨利用DEM实现旱梯田地形的有效数字表达与分析具有重要理论意义。     

黄土高原数字地形分析研究进展

黄土高原数字地形分析以我国黄土高原为研究对象,基于该区域不同尺度DEM数据提取各类坡面地形因子及特征地形要素,并通过对各种地形因子和特征要素的自身特点、空间分异规律及各因子与要素之间的相互关系建立地学统计模型,从更深层次探讨黄土地貌演化及其空间分异规律,深化对黄土高原的认识。该文总结了黄土高原数字地形分析的基本理论与分析方法,从该区域的DEM数据模型、地形特征要素、地形信息图谱、地形纹理、沟壑信息图谱和地貌发育演化机理等方面对黄土高原数字地形分析的研究成果进行较全面地梳理与分析。可以看出,黄土高原数字地形分析已成为数字地形分析领域独具特色的研究方向,其中很多方法均已成为地貌计量学的重要研究手段。     

DEM 点位地形信息量化模型研究

针对DEM 点位, 首先应用微分几何法对其所负载的语法信息量进行测度, 其次根据地形特征点类型及地形结构特征确定其语义信息量, 然后基于信息学理论构建了DEM 点位地形信息综合量化模型。在此基础上, 以黄土丘陵沟壑区作为实验样区, 对DEM 点位地形信息量提取方法及其在地形简化中的初步实例应用进行了探讨和验证。实验结果显示, 所提出的DEM 点位地形信息量化方案可行;基于DEM 地形信息量指数的多尺度DEM 构建方案, 具有机理明确、易于实现的特点, 并通过优先保留地形骨架特征点, 可以有效减少地形失真, 从而满足不同层次的多尺度数字地形建模和表达要求。对DEM 点位地形信息进行有效量化, 为认识DEM 地形信息特征提供了一个新的切入点, 同时为多尺度数字地形建模提供理论依据与方法支持。     

数字地形分析的理论、方法与应用

数字高程模型自20世纪50年代首次被提出以来,就以其简洁的数据组织方式、对地形的直观表达、简单高效的地形因子解译方法而显示了其在地学领域应用的巨大潜力。本文在全面检索和分析前人相关研究成果的基础上,首先将数字地形分析 (Digital Terrain Analysis,简称DTA) 的各种分析方法总结为四类,即坡面地形因子分析、特征地形要素分析、地形统计分析以及基于DEM的地学模型分析,并简要总结了每种分析方法的主要内容;其次,探讨了数字地形分析的精度及尺度问题,指出尺度效应、最适宜尺度选择以及尺度转换是DEM地形分析中的基本尺度问题;然后,论文介绍了DTA在地貌、水文、土壤、地质灾害、农业等领域的应用现状;最后,提出了数字地形分析发展方向,指出数字地形分析的概念框架亟待完善、模型构建精度有待提高、地形分析方法需要扩展,尤其是实现DEM模型嵌入的一体化分析方法,以求得到与现实世界地理环境更为接近的模拟。     

面向DEM地形复杂度分析的分形方法研究

在基于栅格DEM数据的基础上,应用分形几何学方法,采用元分维模型理论,提出一种描述DEM地形复杂度的分形分析方法,并得出分析指标———地形分维指数(TFI)。实验证明,该指标可以有效描述栅格DEM数据反映的地形变化特征,分析窗口由小到大的规律性变化反映出地貌从微观到宏观的变化情况,因此其既可以作为对栅格DEM所描述地形进行评价的坡面因子,又可以作为基于DEM的地貌类型区自动划分的参照依据。     

地形复杂度的多因子综合评价方法

地形复杂度指标(Terrain Complexity Index,TCI)是评价地表起伏和褶皱程度的指标,广泛应用于DEM数字地形分析、数据综合和建模、地貌分类以及DEM精度研究等领域。然而目前地形复杂度指标多数采用单一地形指标或区域统计指标,缺乏局部的复合评价指标。为此,引入多因子分析方法和局部窗口分析方法,探讨一种基于格网DEM数据的复合地形复杂度指标(Compound Terrain Complexity Index,CTCI)的建模方法。首先利用多因子评价方法选取4种局部地形因子(局部高差、局部标准差、局部褶皱度、局部全曲率),之后利用局部窗口分析方法获取各指标的计算值,最后融合4种因子得到每个格网的CTCI。在实验分析中,选取了3个典型地貌样区和1个混合地貌样区,实验结果表明:CTCI能从整体上区分不同典型地貌区的地形复杂程度,同时CTCI在局部范围与混合地貌样区的等高线的密度和变化程度有较好的吻合,表明CTCI能从整体和局部反映地表的起伏和褶皱变化,是较好的地形复杂度评价指标。     

南京师范大学数字地形分析研究团队介绍

正南京师范大学数字地形分析研究团队,在汤国安、刘学军教授领导下,多年来一直从事数字高程模型(DEM)及基于DEM的数字地形分析科学研究与教学工作。近年来,主持了包括国家863重点课题及国家自然科学基金重点项目在内的20多项国家级科学研究项目。在DEM尺度效应与不确定性、高保真DEM构建、数字地形分析并行技术与中间件等方面的理论与方法研究中取得突破性进展,获得国家测绘地理信息局、中国地理信息产业协会颁发的地理信息科技进步奖一等奖、二等奖;该团队基于DEM数据对黄土高原地貌形态空间格局展开了深入研究,提出了坡谱分析法、地形特征点簇分析法、地形纹理分析     

Geomorphology-oriented digital terrain analysis: Progress and perspectives

Digital terrain analysis(DTA) is one of the most important contents in the research of geographical information science(GIS). However, on the basis of the digital elevation model(DEM), many problems exist in the current research of DTA in geomorphological studies. For instance, the current DTA research appears to be focused more on morphology, phenomenon, and modern surface rather than mechanism, process, and underlying terrain. The current DTA research needs to be urgently transformed from the study of landform morphology to one focusing on landform process and mechanism. On this basis, this study summarizes the current research status of geomorphology-oriented DTA and systematically reviews and analyzes the research about the knowledge of geomorphological ontology, terrain modeling, terrain derivative calculation, and terrain analytical methods. With the help of DEM data, DTA research has the advantage of carrying out geomorphological studies from the perspective of surface morphology. However, the study of DTA has inherent defects in terms of data expression and analytic patterns. Thus, breakthroughs in basic theories and key technologies are necessary. Moreover, scholars need to realize that DTA research must be transformed from phenomenon to mechanism, from morphology to process, and from terrain to landform. At present, the research development of earth science has reached the critical stage in which the DTA research should focus more on geomorphological ontology. Consequently, this study proposes several prospects of geomorphology-oriented DTA from the aspects of value-added DEM data model, terrain derivatives and their spatial relations, and macro-terrain analysis. The study of DTA based on DEM is at a critical period along with the issue on whether the current GIS technology can truly support the development of geography. The research idea of geomorphology-oriented DTA is expected to be an important exploration and practice in the field of GIS.     

Chinese progress in geomorphometry

Geomorphometry, the science of digital terrain analysis (DTA), is an important focus of research in both geomorphology and geographical information science (GIS). Given that 70% of China is mountainous, geomorphological research is popular among Chinese scholars, and the development of GIS over the last 30 years has led to significant advances in geomorphometric research. In this paper, we review Chinese progress in geomorphometry based on the published literature. There are three major areas of progress: digital terrain modelling methods, DTA methods, and applications of digital terrain models (DTMs). First, traditional vector- and raster-based terrain modelling methods, including the assessment of uncertainty, have received widespread attention. New terrain modelling methods such as unified raster and vector, high-fidelity, and real-time dynamic geographical scene modelling have also attracted research attention and are now a major focus of digital terrain modelling research. Second, in addition to the popular DTA methods based on topographical derivatives, geomorphological features, and hydrological factors extracted from DTMs, DTA methods have been extended to include analyses of the structure of underlying strata, ocean surface features and even socioeconomic spatial structures. Third, DTMs have been applied to fields including global climate change, analysis of various typical regions, lunar surface and other related fields. Clearly, Chinese scholars have made significant progress in geomorphometry. Chinese scholars have had the greatest international impact in areas including high-fidelity digital terrain modelling and DTM-based regional geomorphological analysis, particularly in the Loess Plateau and the Tibetan Plateau regions.     

Multi-scale landform characterization

One fundamental objective in geomorphometry is to extract signatures of geomorphologic processes on different spatial scales from digital terrain models (DTMs) and to describe the complexity of landforms as the synthesis of those individual imprints. We present an approach for characterizing land surfaces on multiple, spatially varying local scales. We approximate terrain surfaces locally to calculate surface derivatives at different window sizes. Local scale behaviour diagrams are used to define dominant scale ranges and multiple curvatures for each surface point. Multi-scale landform analysis leads to improved models of surface derivatives and new landform classifications, applicable in geomorphology, soil science and hydrology.     

多分析尺度下综合判别的地形元素分类方法

地形元素（如山脊、沟谷等）是地表形态类型基本单元,通过地形元素的不同空间组合可形成更高级别的地貌类型。现有的地形元素提取方法大多依靠地形属性计算,难以克服地形元素的空间相关性表达与局部地形属性计算存在不对应的矛盾,Jasiewicz和Stepinski提出的Geomorphons方法——基于高程相对差异信息进行地形元素分类,可避免这一问题,但Geomorphons方法本质上是在单一分析尺度上选择地形特征点用于判别,易受局部地形起伏的影响而造成误分类。针对这一问题,设计出一种多分析尺度下综合判别的地形元素分类方法。应用结果表明：相比Geomorphons方法,利用该方法得到的地形元素的分类结果更为合理。     

中国数字地形学研究进展（英文）

Geomorphometry,the science of digital terrain analysis(DTA),is an important focus of research in both geomorphology and geographical information science(GIS).Given that 70% of China is mountainous,geomorphological research is popular among Chinese scholars,and the development of GIS over the last 30 years has led to significant advances in geomorphometric research.In this paper,we review Chinese progress in geomorphometry based on the published literature.There are three major areas of progress:digital terrain modelling methods,DTA methods,and applications of digital terrain models(DTMs).First,traditional vector-and raster-based terrain modelling methods,including the assessment of uncertainty,have received widespread attention.New terrain modelling methods such as unified raster and vector,high-fidelity,and real-time dynamic geographical scene modelling have also attracted research attention and are now a major focus of digital terrain modelling research.Second,in addition to the popular DTA methods based on topographical derivatives,geomorphological features,and hydrological factors extracted from DTMs,DTA methods have been extended to include analyses of the structure of underlying strata,ocean surface features and even socioeconomic spatial structures.Third,DTMs have been applied to fields including global climate change,analysis of various typical regions,lunar surface and other related fields.Clearly,Chinese scholars have made significant progress in geomorphometry.Chinese scholars have had the greatest international impact in areas including high-fidelity digital terrain modelling and DTM-based regional geomorphological analysis,particularly in the Loess Plateau and the Tibetan Plateau regions.     

栅格数字地形分析中的尺度问题研究方法

栅格数字高程模型（DEM）固有的尺度特征给以栅格DEM为基本输入的数字地形分析带来各种尺度问题。对栅格数字地形分析中涉及的尺度进行梳理,以分辨率和分析窗口为重点,对栅格数字地形分析中的多尺度表达、尺度效应、适宜尺度选择、尺度转换等尺度问题及其相互关系进行阐述;分别介绍各类尺度问题的现有定量研究方法,尤其对尺度效应定量刻画和适宜尺度选择方法,根据不同方法计算定量指标所利用的信息类别进行分类归纳;最后讨论了其中有待进一步开展研究的几方面工作。