栅格数字地形分析中的尺度问题研究方法简

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。     

论DEM地形分析中的尺度问题

DEM及其地形分析具有强烈的尺度依赖特征。本文以黄高原地区的研究为例,结合地学建模和地学模拟的需求,重点讨论DEM地形分析中的尺度问题。文中从DEM建立与应用出发,首先建立了DEM地形分析中的尺度概念体系,剖析了各类尺度之间的关系,其次讨论了尺度所引起的各种地形分析效应问题,最后探讨了DEM地形分析中的尺度转换类型和方法。     

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。     

DEM栅格单元地形异质性的量度指标研究

DEM栅格单元地形异质性可以理解为栅格单元内部地形的复杂程度,在数字地形分析中,其存在可能得出与实际不符的分析结果.然而,目前还没有一种综合量度指标可以衡量DEM栅格单元地形异质性的大小.该文在总结相关研究成果的基础上,分析了DEM栅格单元地形异质性产生的主要原因,并采用高程标准差、地形起伏度、地表粗糙度和平均坡度4个指标度量DEM栅格单元地形异质性的不同方面,最后通过归一化综合处理,得到了DEM栅格单元地形异质性的综合量度指标--DEM栅格单元地形异质性指数(DGTHI),并进行了实验验证与分析.     

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。     

地形信息对确定DEM适宜分辨率的影响

分辨率会直接影响基于栅格数字高程模型（DEM）的数字地形分析结果,因此在实际应用中,需要选择适宜的DEM分辨率。目前采取的基本方法,基于某种地形信息定量刻画尺度效应曲线,从而确定DEM适宜分辨率,但对于采用不同地形信息时所产生的影响尚缺乏研究。本文针对该方法中通常采用的坡度、剖面曲率、水平曲率等3 种地形信息,每种地形信息提取时,分别使用两种不同的常用算法,在3 个不同地形特征的研究区中,逐一计算其在不同分辨率下的局部方差均值,以刻画尺度效应曲线,确定相应的DEM适宜分辨率,并进行对比分析。结果表明：① 采用剖面曲率或水平曲率所得适宜分辨率结果基本相同,但采用坡度所得出的适宜分辨率结果则有明显差别,后者所得的适宜分辨率更粗;② 采用不同地形信息时,越是在平缓地形为主的研究区,所得的适宜分辨率结果越相近,在复合地形特征的研究区所得到的适宜分辨率区间均明显较宽;③ 地形属性计算时所用的算法对适宜分辨率结果的影响不明显。     

数字地形分析

对地形的描述、表达及分析历来是跟地球有关的所有学科之关注焦点。长期以来,人们采用等高线图来表达地形并发展了许多基于等高线的分析方法。自20世纪50年代后期,人们开始用数字化方法来作描述及表达地形。数字高程模型（DEM）一术语在1958年首次提出。数字高程模型已成为国家空间数据基础设施的“4D”产品之一．正在逐步取代传统（描述地形）的地形图。目前我国已经完成了1：100万、1：25万、1：5万等多种比例尺的数字高程模型之建立,1：1万数字高程模型也正在积极的建设中。这些数字高程模型已在制图、土木、水利、交通、水文、农业、规划等地学领域得到广泛应用。可以想象,每个应用所需的地形信息是不一样的。因而,人们发展了许多从数字高程模型提取各种地形信息的理论、技术与方法．从而导致了数字地形分析这一学科的成长。     

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。     

基于改进型多流向算法的地形指数空间尺度变化分析

地形指数ln(α/tanβ)是流域径流源面积和地下水水位空间分布特征的近似表征,是地形特征参数化的重要指标。基于改进后的地形指数多流向计算方法,在0.5×0.5°的区域气候模式尺度框架下,探讨了地形离散和平滑效应分别对地形指数尺度变化的影响程度;研究了地形指数在100和1000m栅格尺度上的相关性,给出两者在空间尺度上的转换关系;分析区域尺度和全球尺度下地形指数尺度转换的差异及原因。研究结果可以增强地形信息在大尺度水文模型及陆面水文过程中的适用能力。     

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。     

面向地貌学本源的数字地形分析研究进展与展望

数字地形分析(DTA)是地理信息科学(GIS)研究的热点.但是,当前基于数字高程模型(DEM)的数字地形分析在地貌学研究中存在重形态轻机理、重现象轻过程、重地上轻地下等问题,急需从单一的地貌形态分析,迈向面向成因、过程与机理等地貌学本源问题的研究转变.据此,本文系统梳理了面向地貌学本源的数字地形分析的相关研究现状,并从...     

Uncertainty modeling and analysis of surface area calculation based on a regular grid digital elevation model (DEM)

In the field of digital terrain analysis (DTA), the principle and method of uncertainty in surface area calculation (SAC) have not been deeply developed and need to be further studied. This paper considers the uncertainty of data sources from the digital elevation model (DEM) and SAC in DTA to perform the following investigations: (a) truncation error (TE) modeling and analysis, (b) modeling and analysis of SAC propagation error (PE) by using Monte-Carlo simulation techniques and spatial autocorrelation error to simulate DEM uncertainty. The simulation experiments show that (a) without the introduction of the DEM error, higher DEM resolution and lower terrain complexity lead to smaller TE and absolute error (AE); (b) with the introduction of the DEM error, the DEM resolution and terrain complexity influence the AE and standard deviation (SD) of the SAC, but the trends by which the two values change may be not consistent; and (c) the spatial distribution of the introduced random error determines the size and degree of the deviation between the calculated result and the true value of the surface area. This study provides insights regarding the principle and method of uncertainty in SACs in geographic information science (GIScience) and provides guidance to quantify SAC uncertainty.     

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.     

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。     

Loess terrain segmentation from digital elevation models based on the region growth method

Regional automatic segmentation – automatic terrain segmentation according to terrain features – is significant for modern geographical analysis. We propose a new approach of terrain region segmentation based on the region growth method. This method features actual runoff nodes as seed points. The corresponding growth threshold is defined based on statistical analysis of quantitative indexes of topographic features. Terrain segmentation of some regions is completed using the growth threshold. The corresponding edge boundaries of different terrain regions are extracted by image processing. Thus, the automatic segmentation of the terrain region is realized by the edge boundary. The application of the method to a typical Chinese loess landform area and automatic segmentation of three types of terrain regions – gully interfluve land, gully slope land, and gully groove land – are achieved by analyzing characteristics of the curvature structure of surface profiles. Segmentation results, compared with results of visual interpretation from a high-precision digital orthophoto map, show an average accuracy of segmentation of 93.51%. Topographic factor features of segmentation results are statistically analyzed. This study presents an effective and practical approach for segmenting terrain regions. This approach may be incorporated into the theory and method system of digital terrain analysis.     

基于不同算法等高线曲率的提取与分析

等高线曲率是一个重要的地形属性,反应了地形表面在水平方向的凹凸性,表达了地表物质运动的发散和汇合模式。基于安塞县县南沟小流域的矢量等高线数据和DEM,分别利用圆拟合算法(相邻三点法、间隔三点法和最小二乘法)和曲面拟合模型(E模型、S模型和Z模型)提取等高线曲率,通过对实地地形的对比分析,结果表明:(1)在矢量等高线数据的计算结果中,三点拟合法计算结果相比最小二乘法结果差异大,对等高线曲率空间格局分布描述更准确;(2)最小二乘法计算的结果频数分布集中程度最高,两种三点拟合法计算结果频数曲线差别微小;(3)在栅格数字高程模型的计算结果中,基于S模型计算结果在空间格局上较E模型和Z模型的结果差别大,基于E模型的计算结果对等高线曲率描述效果更好。结果能准确说明采用不同算法计算等高线曲率的差别,对在实际数字地形分析中有重要的意义,可为等高线曲率计算提供重要参考。     

起伏地形下黄河流域太阳直接辐射分布式模拟

1 Introduction Directsolarradiation (DSR)isthe key com ponentofthe globalradiation reaching the Earth.For the influence of terrain factors,calculation of DSR quantity of rugged terrain is considerably com plex (Oliphantetal.,2003). The solarradiation quan…