DEM地形分析

1.基本概念2.DEM建立3.数字地形分析4.数字高程模型应用5.空间分析综合应用实例－一个伐木公司的决策第八章DEM与数字地形分析21.基本概念1.1数字高程模型1.2数字地形分析31.1数字高程模型地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。以某一地理范围内的地形数据为基础，通过一定的数学变换，将该地理范围内的地形地物以三维空间的形式表示在一个二维的画面上，以离散分布的平面点来模拟分布的地形。（1）数字地形模型（DTM,DigitalTerrainModel）4地面高程的数字表示，由一系列地面点的x，y位置及其相联系的高程z所组成，DTM中最基本的部分。数字地形模型（DTM）中地形属性为高程时称为数字高程模型(DEM)。在GIS中，DEM是建立DTM的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向。（2）数字高程模型（DEM,DigitalElevationModel）5（3）DEM的主要表示模型①规则格网（Grid）模型正方形、矩形或三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上表示为一个矩阵，在计算机实现中是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值。（见后图）6格网DEM7对图中每个格网的数值存在两种不同的解释A.格网栅格观点该格网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一的高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。8B.点栅格观点认为该网格单元的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值，需要用一种插值方法来计算每个点的高程。计算任何不是网格中心数据点的高程值，使用周围4个中心点的高程值，采用距离加权平均方法或样条函数和克里金插值方法等进行计算。9格网DEM的优点规则格网DEM的高程矩阵可以很容易地用计算机进行处理；可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式；目前许多国家提供的DEM数据都是以规则格网的数据矩阵形式提供。10格网DEM的缺点不能准确表示地形的结构和细部；格网DEM数据量大，给数据管理带来不方便，通常要进行压缩存储。11②等高线模型等高线模型表示高程，高程值的集合已知，每一条等高线对应一个已知的高程值，一系列等高线集合和它们的高程值一起构成地面高程模型。12等高线常被存成一个有序的坐标点序列，可认为是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。等高线模型只表达区域的部分高程值，常需要一种插值方法来计算落在等高线外的其它点的高程。13不规则三角网（TIN）模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如点不在顶点上，该点的高程值常通过线性插值方法得到。③不规则三角网（TIN）模型14不规则三角网15右图中，1，2，…8等八个点的高程值已知，对于三角形边上和三角形内的点均可通过三角形顶点的值采用插值方法得到。16不规则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点或节点的位置和密度。不规则三角网（TIN）与规则格网（Grid）不同TIN能随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置；能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。17④层次模型层次地形模型（LayerOfDetails，LOD）是一种表达多种不同精度水平的数字高程模型。大多数层次模型基于不规则三角网模型，通常不规则三角网的数据点越多精度越高，数据点越少精度越低，但数据点多则要求更多的计算资源。层次地形模型允许根据不同的任务要求选择不同精度的地形模型。181.2数字地形分析数字地形分析（DigitalTerrainAnalysis）在数字高程模型上进行地形属性计算和特征提取的数字信息处理技术。DTA技术是各种与地形因素相关空间模拟技术的基础。19地形属性包括地形曲面参数地形形态特征地形统计特征复合地形属性20地形曲面参数（parameters）具有明确的数学表达式和物理定义，可在DEM上直接量算，如坡度、坡向、曲率等。地形形态特征（features）地表形态和特征的定性表达，可在DEM上直接提取；定义明确，边界条件有一定的模糊性，难以用数学表达式表达。21地形统计特征（statistics）地表区域统计学上的特征。复合地形属性（compoundattributes）在地形曲面参数和地形形态特征基础上，利用应用学科（如水文学、地貌学和土壤学）的应用模型建立的环境变量。22数字地形分析方法提取坡面地形因子坡度、坡向、平面曲率、坡面曲率、地形起伏度、粗糙度、切割深度提取特征地形要素水文分析：提取水系、山脊线、谷底线等。可视域分析：通视性和可视域。地形统计特征分析232.DEM建立2.1DEM数据源2.2DEM采集方法与生成2.3基于GIS的DEM及TIN的建立242.1DEM数据源2.1.1航空或航天遥感影像航空摄影测量一直是地形图测绘和更新最有效也是最主要的手段，其获取的影像是高精度大范围DEM生成最有价值的数据源。利用该数据源可快速获取或更新大面积DEM数据，满足对数据现势性的要求。25最初的航天遥感因为精度原因，其遥感数据在生产实践上并没有太多的应用价值，但随着精度的不断提高，航天遥感影像是快速获取高精度、高分辨率DEM最有希望的数据源。262.1.2地形图地形图是DEM另一主要数据源。从既有地形图上采集DEM主要涉及两个问题：一为地图符号的数字化（即矢量化过程）；另一个是数字化数据能否满足现势性要求。对于经济发达地区，由于土地开发利用使得地形地貌变化剧烈且迅速，既有地形图不宜作为DEM的数据源；对于其他经济落后地区如山区，因地形变化小，既有地形图仍然是DEM物美价廉的数据源。272.1.3地面本身（地面实测记录）用全球定位系统GPS、全站仪或经纬仪配合袖珍计算机在野外进行观测获取地面点数据，经适当变换处理后建成数字高程模型。一般用于小范围详细比例尺的数字地形测图和土石方计算。该方法工作量大，效率不高，费用高昂，不适合大规模数据采集。282.1.4其他数据源用气压测高、地质勘探和重力测量等方法，可得到地面稀疏分布的高程数据，以此建立的数字高程模型主要用于大范围且高程精度要求较低的科学研究。292.2DEM采集方法与生成主要要求简单了解各DEM采集方法的特性以及DEM生成的简单流程。30获取方法DEM精度速度成本更新程度应用范围地面测量非常高cm耗时很高很困难小范围区域，特别工程项目摄影测量比较高cm-m比较快比较高周期性大的工程项目，国家范围内的数据收集立体遥感低很快低很容易国家范围乃至全球范围内的数据收集GPS比较高cm-m很快比较高容易小范围，特别的项目地形图手扶跟踪数字化比较低图上精度0.2-0.4mm比较耗时低周期性国家范围内以及军事上的数据采集，中小比例尺地形图的数据获取地形图屏幕矢量化比较低图上精度0.1-0.3mm非常快比较低周期性激光扫描干涉雷达非常高cm很快非常高容易高分辨率、各种范围DEM的采集方法及各自特性比较表31影像图矢量化实测322.3基于GIS的DEM及TIN的建立由采样点建立表面在视图中添加4426个采样点专题feapt-clip1；33利用【Surface】菜单中的【InterpolateGrid】命令设定输出专题的范围、栅格单元大小及栅格行、列数。34在接下来出现的InterpolateSurface对话框中选择内插方法。35生成新的栅格主题SurfacefromFeapt-clip1.shp如图所示。36由点、线数据生成TIN转为GRID添加并激活点层面feapt-clip1（4426个点）和线层面terlk-clip1（313条线）。37利用【Surface】菜单下的【CreateTINfromfeatures】来定义每个专题的数据使用方式。38生成的TIN数据如下图所示。39利用【Theme】菜单下的【Converttogrid】生成新的Grid层面。40ArcGIS应用过程414243工程中的挖填方实验----由等高线生成不规则三角网（TIN）等高线数据与边界范围443D属性设置454647483.数字地形分析3.1基本因子分析3.2地形特征分析3.3流域分析3.4可视性分析493.1基本因子分析地形指标是基本的自然地理要素，也是对人类生产和生活影响最大的自然要素。地形指标提取对水土流失、土地利用、土地资源评价和城市规划等研究起重要的作用。50地形指标根据研究区域尺度的不同有许多因子。以下我们主要介绍坡度、坡向、剖面曲率、平面曲率和地形起伏度等的计算。51坡度的提取添加Dem数据并激活它。52利用【Surface】菜单中的【DeriveSlope】命令可生成新的坡度主题slopeofCalc2。535455坡向的提取添加并激活DEM数据；利用【Surface】菜单中的【DeriveAspect】命令生成坡向主题AspectofCalc2。565758剖面曲率的提取剖面曲率：地面上任一点位地表坡度的变化率，或者称为高程变化的二次导数。剖面曲率的提取实际上是对DEM层两次计算坡度，即对坡度层再求坡度。激活slopeofCalc2，利用【DeriveSlope】命令可生成新的专题slopeofslopeofCalc2即剖面曲率专题。59剖面曲率专题图剖面曲率是对地面坡度沿最大坡降方向地面高程变化率的度量。60平面曲率的提取平面曲率：地面上任一点位地表坡向的变化率，是反映等高线弯曲程度的指标，可反映出地表所有的山脊线和山谷线。平面曲率是对DEM数据层进行坡向的提取，然后再对这个坡向提取坡度。激活坡向数据AspectofCalc2。利用【DeriveSlope】命令可生成平面曲率层面ofAspectofCalc2。61平面曲率图62地形起伏度的提取地形起伏度：在一个特定的区域内，最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值，是描述一个区域地形宏观性的指标。求地形起伏度，首先求出一定范围内海拔高度的最大值和最小值，然后对其求差值。求一定范围内的最大值和最小值，可利用邻域统计（NeighborhoodStatistics）功能实现。63激活DEM数据，从【Analysis】菜单中选择【NeighborhoodStatistics】功能，在对话框中进行相应设置，如左下图；统计得到的结果如右下图所示，将结果改名为A。64按照上面同样方法，可得到DEM数据的最小值专题并将其名称改为B。65利用【Analysis】菜单中的【Calculator】功能计算A-B的值，即可得到一个新数据层，如下图所示。其中每一个栅格的值是以这个栅格为中心确定的邻域地形起伏值。66地形粗糙度的提取地形粗糙度：地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比，能反映地形的起伏变化和侵蚀程度。在区域性研究中，地表粗糙度是衡量地表侵蚀程度的重要量化指标，在研究水土保持及环境监测时研究地表粗糙度具有很重要的意义。67地形粗糙度提取步骤根据DEM提取坡度因子S；根据公式R=1/cos(S)计算地表粗糙度。686970地表切割深度的提取地表切割深度：地面某点的邻域范围的平均高程与该邻域范围内的最小高程的差值。地表切割深度直观反映地表被侵蚀切割的情况，是研究水土流失及地表侵蚀发育状况时的重要参考指标。提取方法类似于起伏度的提取。713.2地形特征分析3.2.1地形特征点提取3.2.2山脊线与山谷线提取723.2.1地形特征点提取（1）地形特征点类型（2）基于凹凸性特征点的判断（3）基于高程关系地形特征点的判断（4）地形特征点提取实例73（1）地形特征点类型