不同空间分辨率DEM提取地形因子的不确定性研究——以福建省泉州市环湾规划区为例

文章以福建省泉州市环湾规划区1∶1万比例尺DEM数据为信息源,研究不同DEM分辨率对坡度、坡向信息的不确定性影响。通过对不同空间分辨率DEM坡度、坡向数据进行比较分析,获得不同空间分辨率DEM对地形因子的影响情况。结果表明,DEM的数值越大,分辨率越低,对地形的概括作用越明显,地形越趋近于平坦化。     

DEM分辨率与平均坡度的关系分析

由DEM提取坡度时,DEM分辨率的变化会造成局部栅格提取的坡度数值的变化,其变化规律对于深刻理解平均坡度,随DEM分辨率的变化而变化的规律具有现实意义。在黄土高原的研究中,选择了8个典型地貌类型的样区,获得了以1:10 000比例尺地形图为数据源的DEM(分辨率为5 m)。从DEM分辨率对栅格坡度影响规律的分析中,得到如下结论:(1)随着DEM分辨率粗略化,所提取的坡度平均值有可能升高;(2)在所有样区,随DEM分辨率粗略化,负误差的栅格均是正误差的栅格数量的1.13倍以上,保持负误差的栅格是保持正误差的栅格数量的1.81-4.04倍,同时坡度的负误差均值是正误差均值变化幅度的3.1倍以上;(3)结合结论(2)和本文提出的指标,可准确地解释8个样区中坡度平均值随DEM分辨率变化而变化的规律;(4)DEM的分辨率对正负误差的栅格数量没有明显影响,正误差(或负误差)栅格均集中于个别坡度的分级区间,而DEM分辨率对此集中的区间没有明显影响;(5)坡度总体误差可根据本研究所提出的经验公式由DEM分辨率和分辨率为5 m的DEM所提取坡度的平均值计算出来。     

太阳辐射模拟的DEM尺度影响因素分析

利用DEM分析方法为起伏地形下太阳辐射模拟提供了条件。然而DEM的尺度效应对太阳辐射模拟产生很大的影响。本文以黄土丘陵和秦岭高山为实验样区,以一系列不同分辨率的DEM,模拟日、月及年总天文辐射,比较其误差大小及地形分析的差异。实验结果显示,随着DEM栅格分辨率的降低,天文辐射逐渐增大;当栅格分辨率大于地面相对高差时,模拟的天文辐射基本稳定,坡向、坡度等地形因子对辐射的再分配作用已不显著。黄土丘陵区,当DEM分辨率接近1000m时,天文辐射年总量的相对误差为22%,超过该区域一个冬季的天文辐射量。秦岭山区地表起伏大,误差较黄土丘陵地区小,最大相对误差为17.8%。总之,地表起伏越小,DEM栅格分辨率对太阳辐射模拟的影响越大。     

基于DEM的5节点二阶差分坡度算法模型与实验分析

 坡度作为最基本的地形因子,是构建地学分析模型的基础数据,基于格网DEM的坡度计算模型的精度分析一直是地学分析的重要研究内容。本文通过分析计算坡度的 差分模型误差来源及特征,提出了一种新的模型——5节点二阶差分模型。其基本思想是顾及多距离邻近点高程信息,采用5×5分析窗口,建立单倍格网和两倍格网的差分计算线性组合模型。并通过数学分析的理论推导证明该模型可以显著提高计算精度。实验选取典型数学曲面并对其采用不同的分辨率(1m和5m)进行离散化精度验证。计算结果表明,与现有的差分模型相比,5节点二阶差分模型可以显著提高坡度的精度,对应于两种分辨率的DEM,该模型计算坡度的精度可以分别提高7×10⁴倍、3×10³倍以上,表明该模型对于高分辨率DEM数据更为适用。本研究不仅丰富了数字地形分析的方法体系,为相关地学模型分析提供更精确的坡度数据,而且为将来改进地形曲率因子等计算模型提供了一定的参 考和借鉴。     

DEM分辨率对地形纹理特征提取的影响

地形纹理是区分不同地貌形态的重要依据,DEM是地形纹理分析的重要数据。然而,DEM分辨率使地形纹理特征提取存在着不确定性问题。本文以具有显著地貌多样性与差异性的陕西省为例,选择6个不同地貌类型区为研究区,以25 m分辨率DEM数据作为信息源,构建了多尺度的地面坡度、光照模拟和粗糙度数据序列。在此基础上,引入空间灰度共生矩阵（GLCM）对地形表面纹理特征进行量化分析,以揭示数据分辨率对地形纹理特征提取的影响。研究表明：对于单一样区,在DEM及其3个派生数据中,原始高程数据和粗糙度数据的纹理参数特征值,对分辨率的变化较为敏感。对于不同的地貌类型区,二阶角矩和对比度这2个纹理参数具有最大的变异系数,表明它们对于区分不同地貌类型的能力最强;二阶角矩具有较大的尺度依赖性,随着分辨率的降低,其区分能力急剧降低,而对比度对于地貌的区分能力,则随着分辨率的降低而增强,并保持在一个较大的范围内。DEM数据的对比度对于不同地貌的区分能力,在所选4个参数中最为稳定,而粗糙度数据的二阶角矩区分不同地貌的能力,随着数据分辨率的变化而最不稳定。以上结果对于根据不同的研究对象选择适宜的DEM分辨率及地形纹理参数具有一定的指导意义。     

定南县岭北矿区植被覆盖与地形因子关系分析

以岭北稀土矿区植被退化的环境为研究背景,数据选择1990、1999、2008、2013四年30 m分辨率LandsatTM数据,利用像元二分模型估算研究区植被覆盖度;利用DEM数据获取研究区的坡度及坡向地形因子,并对不同地形因子进行定量评价。分析定南县岭北矿区植被覆盖度与不同地形因子条件的相关性,及不同地形因子条件下植被覆盖的分布特点。研究结果表明:植被覆盖度受高程、坡度影响较大,其中在高程400 m到500 m,坡度6°~15°区域内植被覆盖度较其他区域高,坡向影响主要表现在阳坡阴坡上,阴坡植被覆盖度普遍比阳坡高。研究结果能够快速、客观地反映稀土矿区植被的状况,为南方稀土矿区环境的治理和监测提供有效科学依据。     

DEM提取坡度信息的不确定性分析

以陕西省671幅1∶50000比例尺,25m分辨率的DEM数据为信息源,分析DEM分辨率对提取坡度信息的不确定性影响。研究表明:平均坡度随DEM分辨率的减小呈显著递减型二次曲线变化,但当DEM分辨率减小到一定程度时,平均坡度将趋于稳定;并且,随DEM分辨率变化,坡度的不确定性呈现明显的空间结构性分布,DEM栅格单元内部地形的复杂性和变异性越大,坡度提取不确定性越大,如沟坡地坡度提取误差明显大于沟间地。因此,实际应用中要充分考虑研究区域DEM地形描述的尺度效应和不确定性问题,选择合适尺度的DEM提取坡度信息,保证提取结果的科学有效。     

DEM分辨率对黄土侵蚀沟形态特征表达的不确定性分析

黄土侵蚀沟的地形表达是开展黄土沟谷侵蚀研究的基础工作,利用数字高程模型(DEM)定量描述侵蚀沟特征有助于研究侵蚀沟的形态变化和发育过程。基于DEM数据计算多种指标对黄土侵蚀沟特征进行描述是目前侵蚀沟研究中最为常用的方法。但是,受到格网DEM数据结构的限制,其计算结果会存在一定的不确定性。在侵蚀沟地形表达时,对形态特征的表达会受到DEM数据分辨率的影响,进而造成表达结果的不确定性。尤其在黄土高原地区,地形特征更为破碎,地形要素更为复杂,其表达结果受DEM分辨率的影响更为明显。本文以黄土高原典型样区为例,基于点云数据建立不同分辨率的DEM数据集,通过不同地形因子对侵蚀沟特征进行表达,分析DEM分辨率在黄土侵蚀沟形态特征表达时的不确定性。结果显示,分辨率的降低对主沟支沟比和纵比降等侵蚀沟形态特征因子产生了较大影响,且指标与分辨率多呈现线性变化关系。但是,随着侵蚀沟的横向扩张,DEM分辨率对其特征表达的影响逐渐被削弱。此外,在使用固定分析窗口进行侵蚀沟特征计算时,由于分辨率的降低,格网尺寸增大,其实际分析半径随之增大,使得计算范围内地表形态变化增加,导致沟谷切割深度随着分辨率的降低反而增加。同时,侵蚀沟主沟道区域受分辨率影响较小,沟头区域指标与分辨率的关系较弱。     

面向多分辨率DEM的河网相似性测度与分析

河网是地形结构的核心要素,能够有效地反映DEM对地表形态的刻画能力。实现不同分辨率条件下DEM河网相似性测度对DEM地形综合、DEM质量评估及DEM不确定性分析等研究具有重要意义。基于此,本文以黄土高原典型样区为研究区,基于5 m高精度DEM建立的多分辨率DEM数据集,构建了地形特征自适应的DEM河网自动提取方法,建立了综合拓扑关系、方位关系、距离关系及属性特征四维信息的河网相似性度量模型,并分析了河网相似性变化特征及其与地形参数的相关性。实验结果显示,河网自动提取方法的制图精度和用户精度均在90%以上,总体精度优于Passalacqua等提出的GeoNet方法,能够有效实现不同分辨率下河网较高精度提取;河网相似性度能综合反映河网空间分布特征的差异性,河网相似度与分辨率变化率之间的幂函数关系R²达0.978,且河网相似度与高程、坡度中误差分别表现为幂函数和对数函数关系,后者对数关系显著性优于前者幂函数关系。研究表明,在以河网作为DEM构建重要数据源的背景下,本文的研究成果可为DEM质量及其应用适宜性的定量评价提供基础。     

黄土高原地形因子间关联性的神经网络分析

不同的地形因子从不同侧面反映地面的起伏特征或空间变异,各因子之间所存在的相互关联、相互制约、相互影响的特征,在很大程度上揭示了地形发育与空间变异的内在本质。本文以黄土高原丘陵沟壑区的1∶10000和1∶50000两种比例尺的15个实验样区为样本,应用BP神经网络模型,探讨不同比例尺的地形定量因子与地面坡度之间的关联特征及其变化规律。实验结果表明:①利用神经网络分析方法可以有效定量评价地形因子间的关联性;②该研究方法有助于地学分析中DEM尺度的选择,地形因子的确定及其相关关系的量化。     

规则格网DEM局地坡面凸凹性精度分析

DEM地表形态精度分析理论与方法的建立,对DEM数据的生产和广泛应用具有重要意义。本文从局地坡面形态的凸凹性角度,剖析规则格网DEM格网点位置、格网分辨率对DEM局地坡面凸凹性的影响,以期进一步完善和发展DEM质量分析的理论与方法。论文首先阐述了DEM局地坡面凸凹性的基本概念,研究建立了规则格网DEM的局地坡面凸凹性量化分析方法,并以黄土丘陵5、10、15、25、……、155 m DEM为例,采用比较分析方法研究了局地坡面凸凹性随DEM格网点位置和格网分辨率的变化特征。研究表明:对于本研究中的1:5万DEM,10 m(跃变率≤0.3%)是其最佳的格网分辨率阈值,当DEM实际格网分辨率高于该阈值时,实际DEM与最佳格网分辨率DEM具有近乎相同的局地坡面凸凹性,主要在正地形与负地形的过渡区域会发生不同程度的坡面凸凹性变化;当DEM实际格网分辨率低于该阈值时,实际DEM的局地坡面凸凹性,会随着DEM格网点布设位置和DEM格网分辨率发生较大的不确定性变化。     

Uncertainty of slope length derived from digital elevation models of the Loess Plateau,China

Although many studies have investigated slope gradient uncertainty derived from Digital Elevation Models（DEMs）, the research concerning slope length uncertainty is far from mature. This discrepancy affects the availability and accuracy of soil erosion as well as hydrological modeling. This study investigates the formation and distribution of existing errors and uncertainties in slope length derivation based on 5-m resolution DEMs of the Loess Plateau in the middle of China. The slope length accuracy in three different landform areas is examined to analyse algorithm effects. The experiments indicate that the accuracy of the flat test area is lower than that of the rougher areas. The value from the specific contributing area（SCA） method is greater than the cumulative slope length（CSL）, and the differences between these two methods arise from the shape of the upslope area. The variation of mean slope length derived from various DEM resolutions and landforms. The slope length accuracy decreases with increasing grid size and terrain complexity at the six test sites. A regression model is built to express the relationship of mean slope length with DEM resolution less than 85 m and terrain complexity represented by gully density. The results support the understanding of the slope length accuracy, thereby aiding in the effective evaluation of the modeling effect of surface process.     

不同尺度DEM的河流裂点提取及其效应分析

以不同尺度DEM数据提取裂点及其效应存在较大差异。本文以1：1万DEM为基础数据,通过小波分析生成多尺度DEM数据。以庐山地区16条河流为例,实现了多尺度DEM数据的河流裂点提取,探讨了河流裂点的变化规律,并构建了裂点个数的尺度预测模型。实验结果表明：(1)采用河道纵剖面与点坡降相结合的方法可快速准确地判断裂点;(2)在庐山地区,1:1万DEM数据可准确判断高差不小于5 m的裂点,对于高差小于5 m的裂点由于DEM表达精度和数据误差,而无法准确判定;(3)DEM尺度对裂点提取影响显著,裂点个数随着DEM分辨率降低逐渐减少,符合幂函数递减规律;(4)通过与ASTER GDEM和SRTM DEM对比验证,本文所构建的裂点个数与DEM尺度的拟合模型具有一定的预测精度。     

ArcGIS环境下DEM的坡长计算与误差分析

坡长是水土保持、土壤侵蚀和环境评价等研究中的基本因子。在GIS环境下,坡长的提取是基于格网DEM进行的,其结果受到DEM精度、DEM结构、流向提取算法和栅格距离计算方式的影响。在确定分辨率和精度的DEM下,坡长计算误差主要来自流向提取算法和栅格距离计算方式。本文对这两种DEM坡长计算误差源进行了详细的分析,指出集成到ArcGIS软件中的坡长计算模型D8存在较大缺陷,尽管栅格距离计算方式对坡长影响最大误差为8.9%,并可通过统计方式实现整体坡长的修正,但D8算法的单流向特性使得水流方向变得确定和不连续,进而导致坡面单元坡长产生较大误差,因此,利用D8算法进行数值模拟计算需要考虑其精度问题。同时应提高坡长计算的准确性,需要发展更为完善的流向计算方法和坡长计算模型。     

DEM栅格单元异质性对地形湿度指数提取的影响分析

 地形湿度指数可定量模拟流域内土壤水分的干湿状况,是静态土壤含水量的最常用指标,具有明确的物理意义。但是,由于DEM本身的结构特点,其提取的地形湿度指数具有尺度依赖性。本文主要探讨因DEM水平分辨率不同而导致的DEM栅格单元异质性,对地形湿度指数提取的影响。以厦门市地貌类型比较复杂的西源溪流域为实验区,使用1 ∶1万等高线生成的2.5m和20m分辨率DEM数据,分别提取地形湿度指数并计算栅格单元地形异质性指数,分析DEM栅格单元异质性指数与地形湿度指数之间的关系。研究表明,基于高程标准差、地势起伏度、景观破碎度和多样性的栅格单元异质性指数与地形湿度指数偏差之间均存在显著的负相关性,这4个异质性指数对地形湿度指数差值的对数回归模拟效果良好且显著有效。这对低分辨率DEM提取地形湿度指数的误差纠正,以及描述区域土壤含水量等地形湿度指数的应用研究具有积极意义。     

基于开源数据和条件生成对抗网络的地形重建方法

如何使用少量的地形特征复原地形地貌一直为地学领域的难题。本文使用开源数据集提取地形特征要素,使用地形特征要素作为约束条件构建了用于生成DEM的条件生成对抗网络(Conditional Generative Adversarial Networks, CGAN),设计了基于开源DEM、开源DEM与遥感影像组合、以及5m高精度DEM提取地形特征要素生成DEM的对比实验,并对结果进行视觉效果、相关性分析以及地形因子的对比与评价。结果表明:(1)在视觉效果上,3种不同方式生成的DEM在视觉效果上均十分逼近原始5 m DEM,都远好于传统插值方法生成DEM,基于开源12.5m DEM提取要素和1m遥感影像的重建效果最接近于原始5 m DEM;(2)在相关性上,三种不同方式生成的DEM与原始5m DEM相关性均能达到0.75以上,组合开源数据提取要素重建DEM与原始5 m DEM相关性可达到0.85以上;(3)在地形因子方面,基于开源12.5 m DEM和1 m遥感影像提取要素重建DEM的坡度和坡向的分布趋势与原始5 m DEM最为一致。本文为高精度DEM建模提供了新的思路,在高精度DEM难以获取...