DEM结构特征对坡度坡向的影响分析

数字高程模型已严格定义为按规则格网阵列记录的地形高程数据,其固有的结构特征(如格网分辨率、格网方向、高程数据准确度等)直接影响DEM对地形表达和坡度、坡向的计算精度。该文通过理论和数据独立的DEM实验分析方法,研究了DEM结构特征对坡度、坡向的影响,得出如下结论:1)高分辨率的DEM并不一定能给出高精度的坡度、坡向计算结果;2)可通过g=bm/ms×180/π×cos2S来选择合适的DEM分辨率;3)三阶不带权差分算法的坡度、坡向计算结果对DEM方向有较强的依赖性。     

面栅格表达方式引起的DEM地形表达误差

通过对规则格网DEM对地面表达方式的分析,指出基于面栅格理解的DEM的表达方式会产生DEM对实际地形的表达误差,该误差与格网尺寸密切相关。在一个DEM格网内,地形表达误差分为正负两个部分,在上坡方向,误差为负值,下坡方向则为正值;格网尺寸越大,误差的其空间分布越复杂;在地面坡度较大时,距离格网中心点越远,误差越大。通过基于全数字摄影测量得到的黄土高原区陕西省绥德县多种格网尺寸DEM数据系列的比较验证,结果表明,在格网内部的误差分布随格网尺寸密切相关,特别是在地形复杂的地区,误差的绝对值较大,且空间分布越加复杂。根据对该误差的统计特征及中误差与DEM格网尺寸关系分析,可利用格网尺寸估计误差的统计特征及中误差。随着格网尺寸增大,中误差和误差最大值都在增大,均值基本不变;且无论基准DEM格网尺寸大小,在增大格网尺寸的情况下,均有此规律。在实际DEM生产及应用过程中,需要注意区分上述地形表达误差与我国测绘标准中定义的中误差的区别,避免在DEM的实际应用中出现偏差。     

顾及数据特性的格网DEM分辨率计算

水平分辨率是格网DEM的决定性变量之一,直接决定着DEM对地形的逼近程度和地形参数计算、地学模拟的精度。基于地统计学理论和非参数密度估计方法,提出了地形宏观变异和微观变异相结合的DEM适宜分辨率计算方法。即首先按系列支撑对采样数据进行格网划分,形成具有不同尺度的支撑域;然后利用正则化理论,对高程点数据进行正则化变换,通过不同支撑上正则化变量的半变异函数分析,探索不同支撑尺度上的地形宏观变异规律,从而确定地形宏观变异的最佳支撑尺度;第三,在所确定的宏观变异最佳支撑尺度内,借鉴非参数密度估计中直方图的理论方法,从微观角度计算DEM适宜分辨率。最后通过陕北黄土高原的实际采样数据,对本文提出的方法进行了验证。     

基于地形高程的云南省降雨量空间插值方法研究

以云南省1961-2010年多年平均降雨量和云南省数字高程模型为基础数据源,通过对降雨数据的分析,将数字高程模型作为影响降雨强度的主要因素,引入到降雨量空间预测的多元地理统计中,并利用协同克里格算法构建降雨强度与地形高程之间的数学关系模型,对云南省年平均降雨数据进行空间插值模拟。插值结果与距离权重法、一阶局部多项式法、二阶局部多项式法、样条函数法、普通克里格法等其他5种空间数据插值方法进行对比与分析,并通过分析各个交叉检验统计量来验证评估数据的误差,从而选取出最优的空间插值方法。结果显示,普通克里格法和协同克里格法对降雨量空间插值的效果和精度高于反距离法、局部多项式法和样条函数法,而协同克里格法由于考虑了地形高程对降雨量的影响,具有更好的插值效果,因而更适合山地降雨数据的空间插值。     

基于球面DQG的数字高程建模算法与可视化表达

为有效解决经纬度格网与四元三角网(Quaternary Triangular Mesh,QTM)在全球地形建模方面存在的不足,根据球面DQG(Degenerate Quadtree Grid)的几何结构特点,选择双线性多项式内插方法进行格网点高程内插,给出基于球面DQG的DEM建模算法与效率分析,并应用美国地质调查局提供的GTOPO30全球地形数据进行相关实验。结果表明:全球DEM建模时,DQG所需的格网数是经纬度格网或QTM的2/3左右,且可视化操作(图形放大、缩小及漫游等)时画面平滑、流畅,没有抖动。     

DEM提取黄土高原地面坡度的不确定性

选择陕北黄土高原6个典型地貌类型区为试验样区,采用野外实测及高精度的1:1万比例尺DEM为基准数据,研究栅格分辨率及地形粗糙度对DEM所提取地面平均坡度精度的影响。结果显示,对于1:1万比例尺DEM,5 m是保证该地区地形描述精度的理想分辨率尺度;多要素逐步回归模拟的方法进一步揭示了DEM所提取的地面平均坡度误差E与栅格分辨率X以及地形起伏的代表性因子-沟壑密度S之间存在的量化关系为E = (0.0015S2+0.031S-0.0325)X-0.0045S2-0.155S+0.1625,该结果也为确定适用的DEM分辨率提供了理论依据。     

一种基于超曲面样条函数的三维空间插值方法

将二维曲面样条函数插值法进一步引申,提出一种基于超曲面样条函数进行三维空间插值的新方法,介绍超曲面样条函数的构造方法,给出利用该方法进行三维空间插值的数值实现过程。最后以插值形成三维空间规则数据场为例,证明利用超曲面样条函数法进行三维空间插值的可行性和准确性。     

数字高程模型地形描述误差的量化模拟--以黄土丘陵沟壑区的实验为例

本研究以陕北黄土高原丘陵沟壑区为试验样区 ,综合运用统计分析及比较分析的原理与方法 ,通过数学模拟、对比分析、误差可视化分析 ,研究不同空间尺度下DEM地形描述误差的数学转换模型。实验结果证明 ,目前适用于欧洲地区的地形描述误差的模拟方程EtD=q·a·(EtD′) b,经过参数的修正 ,在我国黄土高原丘陵沟壑区具有较高的模拟精度。该模型的建立可以实现应用低空间分辨率的DEM数据在栅格水平模拟高空间分辨率DEM所提取的地形描述误差 ,从而 ,在一定精度范围内大大提高Et的计算速度和计算效率。并且 ,对我国其它地貌类型区类似模型的建立 ,都具有重要的参考意义     

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。     

DEM采样间隔对地形描述精度的影响研究

数字高程模型(DEM)的精度包括采样点数据精度和地形描述精度两方面,前人对DEM精度的研究多集中在DEM采样点精度,而忽视了地形描述精度。该文提出基于窗口曲面拟合计算拟合曲面系列参数与"实际地形"曲面参数的标准差来衡量地形描述精度的方法,研究发现DEM地形描述精度随采样间隔的增大呈降低趋势;并利用坡度频率曲线和坡度累计频率曲线研究对DEM精度敏感的坡度因子与DEM采样间隔的关系,认为随DEM采样间隔增大,坡度衰减(变缓)的速率加快。     

DEM数据可视化在地震应急中的应用

数字高程模型(Digital Elevation Model简称DEM)是通过一组有序数值阵列对地面海拔高度数字描述的实体地面模型,是数字地形模型(Digital Terrain Model,简称DTM)的一个子集。并可通过对DTM数字处理得到其他各种地形特征值。DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子,如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布,其中DEM是单一的数字地貌模型,通过对DEM数据处理可派生出坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性。基于ARCGIS技术平台,对DEM数据进行处理建模,可以得到地形真实情景再现,为震后应急指挥人员、工作人员了解震区的地貌、地形提供直接的数据支撑。     

基于直方图匹配的地面坡谱尺度下推模型研究——以陕北韭园沟样区为例

建立坡谱的尺度下推模型,有利于揭示地面坡谱的尺度依赖性.以5 m、25 m两种分辨率DEM为实验数据,应用遥感数字图像处理中直方图匹配的原理,对两种分辨率DEM获得的坡谱进行尺度下推.实验采用按不同Douglas压缩阈值(不同简化程度)得到的5 m、25 m两种分辨率的DEM数据,获得不同压缩阈值的DEM坡谱下推模型系数与地形因子之间的关系,最终建立两种分辨率DEM数据的坡谱尺度下推模型.将这种方法在陕北黄土丘陵沟壑区韭园沟样区进行验正,同时将模拟结果与原始5 m分辨率DEM数据所得的坡谱进行比较,试验结果表明,该模型能够比较理想的将25 m分辨率DEM的坡谱直接转换为5 m分辨率DEM的坡谱,方法简单易行,精度良好.     

联合GPS和SARAL卫星测高数据构建南极Dome A区域DEM

南极冰盖数字高程模型(digital elevation model,DEM)对南极环境变化和地形研究具有重要作用,利用GPS实测数据和卫星测高数据建立DEM是构建南极冰盖表面DEM的重要方法。考虑到实测GPS数据的精度较高,而卫星测高的空间分辨率占优,本文探讨综合利用这两种数据构建南极Dome A区域DEM。法国国家空间研究中心和印度空间研究组织共同研制的SARAL卫星是Envisat的后续卫星,搭载的Alti Ka雷达高度计首次采用了Ka波段,可以极大减小电离层的影响,提高测距精度和卫星数据的空间分辨率。本文首先利用中国南极第29次科学考察在Dome A区域的实测GPS数据对SARAL数据进行精度评定,然后利用实测GPS数据对SARAL测高数据进行高程修正,联合GPS数据获取得到了Dome A区域300 m分辨率的DEM。结果表明SARAL的高程精度为0.615 m,而联合GPS数据能改善DEM精度,提高到0.261 m。     

顾及地形特征语义约束的高保真地形建模方法探索

地形建模过程中常缺乏对地形整体特征的表达,这导致了当前地形模型中地形局部特征并不符合地形对象属性这一失真现象的出现。该文提出了"地形语义"概念来实现对地形局部特征的描述,通过语义的形式化表达实现了对其区域内高程的约束,同时设计了语义DEM(S-DEM)概念模型,基于与现有格网DEM兼容的数据结构,实现了顾及语义的内插方法,并通过建立三维原型系统实现了S-DEM的三维表达。与传统方法相比,S-DEM模型保证了地形区域特征与地形属性的一致性,确保了地形局部特征与垂直面的表达。研究结果表明,地形语义在本质上是地形对象特征的体现,同时在数据结构上依赖于地形的面向对象表达。     

DEM空间插值方法对土壤侵蚀模拟的影响研究——以USPED分析干热河谷典型冲沟为例

为探索不同空间插值方法得到的DEM如何影响土壤侵蚀模拟效果,本文选择金沙江干热河谷区典型冲沟为研究对象,利用野外测量高程数据,采用反距离加权(IDW)、析取克里格(DK)、局部多项式(LPI)和张力样条函数(ST)4种方法构建高精度DEM。基于USPED模型模拟冲沟的土壤侵蚀,对比不同空间插值方法的精度、土壤侵蚀的空间分布,采用相对差系数对比不同插值在土壤侵蚀研究中的相似性。结果表明：DEM空间插值的精度排序为ST相似文献   

等高线内插DEM算法的质量评价

以北方农牧交错带典型丘陵、山地及丘间盆地混合地带为研究区,利用国家测绘局提供的1∶5万地形图,比较ANUDEM方法与生成DEM常用的内插算法TIN、NNI、Kriging和IDW之间的精度。DEM质量评价采用数值精度指标验证,并辅以地形属性可视化分析、等高线分析和不同算法插值结果差异分析等,结果表明不同算法内插高程误差较大的区域主要分布在地形结构线附近;且ANUDEM方法生成的DEM精度较高,在其上提取的等高线与原始等高线吻合度高,能较好地反映研究区的真实地形。     

中国区域SRTM DEM与ASTER GDEM误差空间分布特征

SRTM DEM和ASTER GDEM数据作为目前全球最完整的高精度地形数据,自发布以来,就一直是全球范围内应用最为广泛的DEM数据,其精度评价问题也是历来研究的焦点。但目前研究多集中在中小区域或典型地形区,且多以DEM高程数据精度分析为主,缺乏误差空间分布规律的探究。该文以中国大陆为研究区域,以GLA14点数据为参考高程,研究两类DEM的误差统计特征和空间分布特征。研究表明:SRTM DEM和ASTER GDEM在我国的精度稍优于标称精度,但整体上存在约1m的系统性误差;SRTM DEM误差在平坦区域呈菱形分布,而在地势复杂区域,误差与地形具有较强的相关性;ASTER GDEM误差呈明显的条带状分布且误差正负值间隔分布,条带方向为东北-西南方向,与SRTM DEM相比,ASTER GDEM受地形影响较小。研究结论对两类DEM的应用、融合等研究有着一定的参考价值。     

高山地区多源地面高程数据误差分析

地面高程数据作为诸多科研领域都需要的一种数据源,其重要性不言而喻,但就目前国内外能够免费获取到的数字高程数据来说,在数据误差方面仍存在很大不足,特别是在高山地区,误差更为明显。以中国1∶50 000比例尺DEM为参考数据,结合坡度,坡向,剖面,地形起伏度等地学因子,对目前国内外常用的3种数字高程模型(SRTM,ASTER GDEM,ICESatGLAS14)在高山地区的误差情况进行较为详细地对比分析。结果表明:坡度和地形起伏度对于3种高程数据的精度都有不同程度的影响,其中,SRTM数据受到影响最为严重,ASTER的绝对精度较差,但在地形起伏较大区域,其精度要高于SRTM,ICESat GLAS14整体情况表现良好。     

山区地形开阔度的分布式模型

 地形开阔度是影响山地辐射平衡及其分量的重要地形因子,是山区散射辐射、地形反射辐射等计算的重要参数。在复杂的地形条件下,地形开阔度的计算很难用数学公式描述。 利用数字高程模型（DEM）,全面考虑了坡地自身遮蔽和周围地形相互遮蔽的影响,提出了山区地形开阔度的分布式模型和算法。以1 km×1 km分辨率的DEM数据作为地形的综合反映,计算了起伏地形下中国地形开阔度的空间分布。同时,利用100 m和1 km两个分辨率的DEM数据,从不同DEM分辨率和不同地貌类型两个方面探讨了地形开阔度的空间尺度效应,阐明了区域地形开阔度随地形地貌和空间分辨率的变化规律。所提供的山地开阔度的数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

基于小波多尺度分析的DEM数据综合及尺度转换

DEM综合是其描述的地形表面细节逐渐舍去、轮廓不断呈现的连续过程。该文运用小波变换和方根模型模拟这一过程,将小波高频系数作为DEM综合的对象,以方根模型作为阈值设定的理论依据,对小波分解各层按不同等级进行取舍实现DEM综合。以1∶1万地形图建立的DEM进行试验,派生一系列不同复杂度的DEM,并用等高线分布特征、坡度和剖面曲率、地形叠加等进行对比分析。结果表明,随着DEM综合程度增大,生成的DEM逐步舍去地形表面细节,同时较好保持了原DEM山体轮廓、山脊和谷地的走向等地貌形态特征。最后,运用回归分析方法建立了派生DEM与相应空间分辨率之间的关系,为DEM尺度效应的应用提供方法和数据支持。