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。     

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。     

1:50000 DLG建立DEM适宜栅格尺寸的确定

利用数字线划图(Digital Line Graphic,DLG)插值建立数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)时,栅格尺寸影响对所生成的DEM质量,并且不同地形类型区DEM的适宜栅格尺寸应该是不同的,如何确定不同地形类型区适宜的栅格尺寸成为亟须解决的问题。本文以1∶50 000 DLG数据为基础,在东北漫岗丘陵区和黄土丘陵沟壑区选择典型样区,基于信息含量和采样定理两种方法确定DEM适宜栅格尺寸,并通过地形形态分析、等高线套合分析和水文地貌关系分析三种方法对结果进行验证。实验结果表明,基于1∶50 000 DLG建立DEM时,东北漫岗丘陵区适宜栅格尺寸可设为20 m,黄土丘陵沟壑区可设为10 m。本研究为通过DLG插值建立DEM时适宜栅格尺寸的确定提供了参考。     

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。     

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。     

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。     

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.     

基于DEM的中国地形起伏度适宜计算尺度研究

基于SRTM和ASTER DEM数据,在全国范围内选取13个实验区,在渐变尺度下计算平均起伏度变化曲线的"突变点",据此确定中国地形起伏度的适宜计算尺度;结合山地界定标准计算各实验区山地面积,并采用人工解译的山地范围对计算结果进行检验。研究结果表明:1)地形起伏度适宜计算尺度与所采用的DEM数据有关,DEM分辨率越小,地形起伏度适宜计算尺度越大;2)针对同一分辨率DEM数据,中国境内的地形起伏度适宜计算尺度随地貌特征变化而变化,但总体变化幅度不大;3)针对SRTM和ASTER DEM两种常用数据源,分别选择4.72km2和3.20km2作为地形起伏度适宜计算尺度是合理的,山地界定精度达90%以上。     

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     

地形湿度指数算法误差的定量评价

地形湿度指数(TWI)能够定量指示地形对土壤湿度空间分布的控制,是一种应用广泛的地形属性.目前基于栅格DEM的TWI计算方法结果各异,因此有必要对'TWI算法进行定量评价.对TWI算法通常是应用实际DEM数据进行评价.但实际DEM中存在的数据源误差会干扰对算法误差的评价.针对该问题,本文介绍了一种用不含数据源误差的人造...     

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,并从地貌学本源认识、地貌形态建模、地形因子提取、以及其他地形分析方法等研究进行了系统的回顾、梳理与分析。研究表明,基于DEM的数字地形分析虽具有地貌特征分析的潜力与优势,但是,数字地形分析存在数据表达与分析模式上的先天缺陷,亟待通过基础理论与关键技术的突破,实现理论与方法的创新发展,实现从“坡面”走向“区域”,从“形态”走向“过程”,从“地形”走向“地貌”。而当今地球系统科学的研究发展态势也到了数字地形分析研究从重视地貌形态走向揭示地貌学本源的关键阶段。因此,本文从DEM数据模型增值、地形因子及其地形空间关系、以及宏观地形分析等侧面展望了面向地貌学本源的数字地形分析研究。当今基于DEM的数字地形分析研究,正像当前的GIS是否能够真正支撑地理学发展一样,已经处于一个非常关键的十字路口。面向地貌学本源的数字地形分析研究思路可望成为地理信息科学领域理论与方法创新的一次重要探索与实践。     

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。     

基于DEM的数字流域特征提取研究进展

数字高程模型(DEM)是地表形态高程属性的数字化表达,利用流域DEM数据构建数字水系模型并提取流域水文特征,是分布式水文过程模拟的重要基础。DEM中闭合洼地和平坦区域的处理、流向的确定以及DEM分辨率的大小都直接影响着流域水系特征提取的质量与效率。针对当前基于DEM提取河网与流域特征的诸多问题,阐述了DEM数据提取流域水系特征的原理,回顾了数字水系模型与流域特征提取方法,评述了洼地和平地的处理方法及水流方向的确定方法的研究进展,介绍了当前基于不同DEM数据类型的提取方法研究,探讨了DEM尺度和分辨率对提取流域特征的影响,总结了平缓区域数字水系和河网提取的研究进展。     

地表城市热岛效应的概念内涵与定量刻画

明晰城市热岛（UHI）效应相关概念内涵、厘清其定量刻画方法是有效开展UHI效应研究的重要基础。全球城市化进程使UHI效应越发普遍,相关研究数量迅速增长并出现了UHI效应的多样认知,尤其对具有空间异质性表征优势的地表城市热岛（SUHI）效应开发了多样的定量刻画方法,但目前尚缺乏对其定量刻画方法的系统梳理。因此,本文对城市热岛、城市热岛效应、地表温度和城市热环境等易混淆概念进行了辨析,总结了各类UHI典型空间位置和尺度范围。在SUHI效应定量刻画中,将SUHI范围识别方法归结为城乡温度阈值、温度等级阈值、高斯拟合参数、温度衰减突变四大类,指出当前SUHI范围识别研究侧重于对SUHI影响规模的认知。研究同时对各类范围识别方法所对应的SUHI强度表征指标进行了梳理,认为理解指标本质内涵是掌握指标间潜在差异的前提。未来研究应整合多维度数据以突破单一SUHI监测途径,发展大尺度SUHI定量刻画方法以拓展定量研究的广度,认知连通化SUHI空间形态以挖掘范围识别研究的深度。     

DEM与地形分析的并行计算

总结了数字高程模型构建、特征提取等并行算法的研究进展,概述了不同并行算法的主要内容;探讨了DTA并行技术在海量地形数据可视化和高性能地学计算的应用,随着DEM的需求日益增大,高精度、高分辨率DEM产品及其附加服务也逐步产品化。最后,通过分析并行计算发展的关键问题,提出DTA并行技术的研究趋势及研究意义,合适的数据划分和结果融合策略、通用并行算法、容错机制和负载均衡策略的设计是今后研究的重要内容,尤其是如何在多种计算模式共同发展的背景下利用并行计算解决地学难题,从而得到更接近现实世界地理环境的模拟,并扩大数字地形分析的应用范围。     

数字地形分析应用适配性知识的案例表达与推理方法

数字地形分析(Digital Terrain Analysis, DTA)在应用时依赖于建模知识,尤其是关于所建的应用模型是否与研究区特点、数据等条件相适配的知识(称为“应用适配性知识”);由于这类知识难以形式化表达,现有的数字地形分析工具对此类知识缺乏利用,从而导致普通用户在应用数字地形分析时建模困难。针对该问题,设计了一套数字地形分析领域应用适配性知识的案例表达与相应的推理方法。以美国32个河网提取案例为例,通过交叉验证,初步表明案例及其推理应用方法适合于数字地形分析领域应用适配性知识的形式化表达与应用,该方法通过与建模环境的集成,可大幅降低数字地形分析应用建模难度。