DEM适宜分辨率及尺度变换方法的研究

DEM是通过离散化的方式对地形信息进行数字化表达,而在表达过程中存在高度的尺度依赖性,不同尺度的DEM在地形表达中存在显著的精度差异,故不同地形研究需选取适宜尺度的DEM,尺度转换及尺度相关问题成为了DEM地形分析的关键问题。目前国内外大量学者对DEM尺度问题进行了广泛的研究。对现有研究工作进行归纳总结,分析存在的问题。     

顾及非线性地形因子的地表面积计算

研究地表面积统计数学模型及其影响因素,消除不同分辨率DEM计算所得地表面积的差异,对综合利用多尺度DEM数据精确统计和监测地表面积具有重要意义。本文研究提出了一种顾及复杂地形因子的地表面积统计方法。该方法首先利用泰勒级数逼近原理对微观地形因子进行最小二乘估计,然后利用这些地形因子对DEM和多边形区域边界进行加密,最后利用加密后的DEM和多边形边界构建地表三角网统计地表面积。试验表明,在局部地形因子显著的山区或丘陵地区,使用不同分辨率DEM所统计的地表面积存在较大的差异,而顾及地形因子的地表面积统计方法可明显提高低分辨率DEM地表面积统计精度。     

不同DEM尺度下推方法的精度差异性分析

尺度问题一直是地学研究的重要内容,尺度下推对于比较和整合不同的DEM数据集,校准和验证一系列数字高程模型具有重要意义。本文以尺度下推采样方法为切入点,研究尺度变换后地表形态保真特征,进而对不同DEM尺度下推方法进行精度差异性分析。基于1∶250 000 DEM数据,利用多种方法将其尺度下推到1∶50 000的DEM,并根据高程变异系数和地表形态变异系数对结果进行质量评价,以此丰富地形序列图谱DEM构建过程中地形综合的程度序列,弥补尺度下推过程中地形形态保真的不足,完善尺度变换方法体系。     

规则格网DEM地形表面重构的形态精度研究

规则格网 DEM 是数字地形模拟的主要数据结构,以黄土丘陵地区1:50000规则格网 DEM数据为例,分析研究双线性内插模型和三次卷积内插模型在规则格网 DEM 地形表面重构中的形态精度问题。结果表明,不同内插模型构建的细小格网 DEM,在高程数值精度方面没有显著差异,但对局部地形的形态精度具有显著的影响,且双线性内插模型和三次卷积内插模型都难以实现形态高保真 DEM 地形表面重构;随着 DEM 应用的深入,非常有必要构建一些科学合理、简洁高效的形态高保真 DEM 地形表面重构模型。     

DEM及数字地形分析中尺度问题研究综述

基于DEM尺度的概念与类型、DEM地形分析的尺度效应、DEM地形分析尺度研究的关键问题、DEM地形分析尺度研究的方法等几个方面的论述，分析了当前国内外在该领域的研究进展，并指出了今后应重点研究的方向，包括自然地面与DEM模拟地面之间的尺度匹配、尺度冲突与尺度耦合的关系；空间尺度参数对DEM地形分析影响的过程与机理；DEM格网单元地形分析的异质性效应。在尺度层面上，提出不同地形复杂度条件下的DEM地形分析的确定性与不确定性规律，建立以尺度为自变量的多尺度地形分析模型，建立DEM地形分析的尺度转换模型。     

基于流域边界分析的山脊线提取方法研究

针对以往基于DEM数据提取山脊线存在的平行效应或设置参数过多、自动化程度较低等问题,提出了一种基于流域边界分析的山脊线提取方法.实验结果表明,该方法能得到连续的山脊线,且与DEM的地形走向保持一致,避免了脊线段断续以及平坦地段出现平行效应等问题;相同密度的山脊线能与河网相互有效衔接,形成可概括地形的骨架线网络;不同汇流阈值的河网可获得不同面积大小的流域边界,从而形成详略程度不一的山脊线网络,可为地形综合研究提供了新的思路.     

DEM空间尺度对岷江上游流域特征提取的影响

DEM分辨率是描述DEM地形精确程度的一个重要指标,同时也是决定DEM使用范围的一个主要影响因素。此处以岷江上游流域为研究区,Arc GIS为技术支撑,分析DEM空间尺度对流域特征提取的影响。首先,采用7组不同分辨率的DEM数据,通过5类不同特征参数的提取来进行DEM尺度效应的定量分析。其次,借鉴坡度中误差法思想和信息熵理论,综合分析高程、坡度和地面粗糙度来确定该地区DEM研究的分辨率合理范围。结论表明:随着DEM栅格大小的不断增大,高程区间和坡度随之减小;地面粗糙度的减小表现出地形的平坦化;信息熵所包含的内容减少;河网总长度和河网密度也随之变短变稀疏。文中岷江上游流域特征提取研究的DEM最佳空间分辨率区间为30~60 m。     

不同分辨率SRTM-DEM的数字地形分析比较研究

以通化地区为试验区,利用Arc/Info软件,将原始的SRTM数据生成等高线,再插值生成不同分辨率的DEM数据,提取了高程差、坡度、坡向、地形阴影数字地形信息,并根据D8算法,对流域信息进行提取。结果表明:不同分辨率的DEM在描述地形的整体变化上存在的差异很小,但高分辨率的DEM可以更好地反映出地形的细微变化;在水文模拟方面,流域网络的数量及沟壑密度与DEM的分辨率成正相关的关系,但由于高分辨率的DEM信息冗余,在水文模拟方面,提取流域网络的时候会出现生成伪沟谷的现象。     

利用DEM提取山顶点精度研究

山顶点是重要的地形特征点之一,针对现有的基于DEM的山顶点提取算法存在的缺陷,本文首先依据山顶点的地表形态特征,建立了基于最大起伏度阈值的山顶点提取模型;然后,以黄土丘陵1∶5万不同格网属性DEM为基础,分析了DEM格网属性对山顶点提取精度的影响特征;最后,基于1∶100万DEM提取了中国内陆山顶点数量及分布情况。研究结果表明:1基于最大起伏度阈值的山顶点提取模型提取的山顶点符合实际地形意义,具有很好的应用价值。2对于已知综合尺度的地形,存在最佳DEM格网分辨率阈值,当实际DEM格网分辨率不低于该阈值时,提取的山顶点具有很好精度,否则提取的山顶点数量及空间位置均存在不确定性偏差;3在我国的1∶100万DEM中,中国内陆满足海拔高度500 m以上、相对起伏大于200m的山顶点共有40 038个。     

SRTM(1″)DEM在流域水文分析中的适用性研究

高精度的数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据是流域水文分析应用的基础。美国地质调查局新发布了全球高分辨率数字高程数据产品,其空间分辨率为1″(约为30 m)。为评价该数据在流域水文分析中的适用性,以鹤壁汤河流域为实验区,以机载LiDAR DEM数据为参考,统计了SRTM(1″)数据的高程误差,分析了坡度、坡向、地表覆盖等对误差的影响;在基于地形的水文分析中,统计分析了SRTM(1″)数据误差对地形湿度指数、坡度坡长因子以及汇流动力指数等地形指数计算的影响;最后选取流域汇水区面积、最长水流路径长度、形状系数、弯曲度系数等流域特征参数对两种DEM数据提取结果进行了对比。研究表明SRTM(1″)DEM数据具有较高的精度,原始数据均方根误差为5.98 m,在消除平面位移误差后减小为4.32 m。基于地形的水文分析表明SRTM DEM与LiDAR DEM计算结果具有一定的差异,地形湿度指数平均值略高,坡度坡长因子和汇流动力指数平均值偏低,离散度偏小,这与SRTM DEM在微地貌以及高坡度地形区存在失真相关。两种DEM数据提取流域特征参数差异较小。上述研究表明SRTM DEM(1″)数据在流域水文分析中具有较大的应用潜力。     

基于多重分形的Karst流域地貌信息挖掘

本文利用多重分形理论揭示出了DEM不同尺度下的地貌多重分形谱的变化规律。基于多重分形理论研究表明:多重分形理论构建的高程多重分形谱模型能挖掘出更全面、更精细Karst流域地貌形态信息,其中高程多重分形谱模型中的宽度定量表征出了Karst流域地貌的起伏程度,多重分形谱最大、最小子集维数的差值定量表征了地貌形态的差异性,而且根据多重分形谱的参数随DEM分辨率变化关系并结合广义熵理论,确定了Karst地貌形态研究的数据的空间分辨率最优范围在(0-15]之间。     

基于填挖方分析的DEM精度评价模型

针对DEM高程中误差评价指标的不足,提出了一种基于填挖方分析的DEM精度评价模型以及计算方法,将DEM填挖方误差E_c定义为待评价DEM与参考DEM在同一区域的三维体积差异和与该区域面积之商。探究了DEM填挖方误差和DEM分辨率R以及地形平均坡度S之间的关系,得到DEM填挖方误差的定量估算模型为E_c=0.004 8·R·S。实验表明,模型估算精度达95.85%以上。该模型为在不同地形条件下,确定满足限差要求的DEM分辨率提供了依据。     

基于Coons曲面的规则格网DEM表面模型

内插是数字高程模型的核心问题。目前的内插模型主要是由离散的格网数据构建的连续曲面,直接以点推面,可能存在较大的地形误差。本文建立的Coons曲面DEM表面模型,首先利用离散的格网数据构造与格网边界相对应的地形剖面曲线的拟合曲线,再基于拟合曲线构建DEM表面模型。实验表明：Coons曲面DEM表面模型是一种高精度的DEM表面模型,其地形模拟误差比直接基于格网数据建立的双线性内插、样条函数内插和移动曲面拟合法的误差都小,实际地形模拟误差与双线性模型相比减少15％-28％,且精度随着构建边界拟合曲线所用格网点的增多而逐渐提高。     

机载LiDAR点云密度对DEM精度的影响

机载激光雷达技术(LiDAR)作为一项先进的遥感技术,是植被覆盖区DEM获取的重要手段之一,而不同地形坡度条件及点云密度对DEM产品质量有重要影响。本文以辽宁省某市的机载LiDAR数据为基础,选取5种不同地形坡度的点云数据,通过随机、等间距及基于曲率3种不同的点云抽稀方法,按照点云保留率为80%、60%、40%、20%和10%共5个不同梯度的抽稀倍数对原始点云进行抽稀简化处理,生成与之对应的DEM并对其进行精度评价,以此研究地形坡度、点云抽稀方法、抽稀倍数对DEM精度的影响。结果表明,DEM精度与地形坡度呈负相关关系,即RMSE随地形坡度升高不断增加;基于曲率的抽稀方法在地形坡度＞30°时,相较于其他两种方法RMSE较小,具有明显优势;40%的点云保留率是平衡DEM精度与数据存储效率的一个节点,当点云保留率<40%时,DEM的高程RMSE会迅速增大。该研究对于利用机载LiDAR进行大范围DEM生产具有一定的指导和借鉴意义。     

Watershed Delineation in Flat Terrain of Thar Desert Region in North West India – A Semi Automated Approach Using DEM

Thar desert spreads in western part of Rajasthan, northern part of Gujarat, and some parts of Punjab and Haryana. The terrain is dominated by slightly sloping plains, broken by some dunes and low barren hills. The area is characterized by low average annual rainfall which is erratic in distribution and intensity. Drought will remain a major hindrance for agricultural production in Thar desert. Due to water stress condition, many watershed based development activities has been adopted by government and non-government organizations for the growth and sustainable development of this region. The need of this hour is preparation of a national level watershed atlas of 1:50,000 scale because majority of thematic maps are being produced presently on same or 1:10,000 scale. The manual delineation of watershed boundary in flat terrain based on topographic map will be time consuming and less accurate in the absence of prominent contour lines. Automated approach for watershed delineation using Digital Elevation Model (DEM) along a suitable algorithm has the advantage because the output is not only less time consuming but also independent from human decisions. Hence, a case study has been carried out in Churu sub-basin part of Indus basin which is located in Thar desert region. Depression less DEM with different spatial resolutions was used as input in hydrology tool of ArcGIS spatial analyst function for characterization of watersheds. The Churu sub-basin has been divided into various numbers of watersheds with an average size of 600 km². These watershed boundaries have been validated with respect to high resolution satellite imageries (IRS P6 LISS IV), Survey of India toposheets, ancillary data and limited field checks.     

Effect of Contour Intervals and Grid Cell Size on the Accuracy of DEMs and Slope Derivatives

Digital Elevation Models (DEMs) are indispensable tools in many environmental and natural resource applications. DEMs are frequently derived from contour lines. The accuracy of such DEMs depends on different factors. This research investigates the effect of sampling density used to derive contours, vertical interval between contours (spacing), grid cell size of the DEM (resolution), terrain complexity, and spatial filtering on the accuracy of the DEM and the slope derivative. The study indicated different alternatives to achieve an acceptable accuracy depending on the contour interval, the DEM resolution and the complexity of the terrain. The effect of these factors on the accuracy of the DEM and the slope derivative was quantified using models that determine the level of accuracy (RMSE). The implementation of the models will guide users to select the best combination to improve the results in areas with similar topography. For areas with variable terrain complexity, the suggestion is to generate DEMs and slope at a suitable resolution for each terrain separately and then to merge the results to produce one final layer for the whole area. This will provide accurate estimates of elevation and slope, and subsequently improve the analyses that rely on these digital derivatives.     

Multiresolution Terrian Model in GIS

DEM, which becomes a major component of geographic information processing in earth and engineering sciences, has been studied in the GIS literature for a long time. We use DEM to represent the terrain in GIS. The more data are available, the better representations of a terrain can be built. But not all tasks in the framework of a given application necessarily require the same accuracy, and even a single task may need different levels of accuracy in different areas of the domain. Multiresolution models, such as LOD, offer the possibility of representing and analyzing a terrain at a range of different levels of detail. In this paper, some key issues in multiresolution DEM model are studied. Three main models are focused on Hierarchical TIN(HTIN), multiresolution terrain model based Delaunay and Hierarchical Dynamic Simplification. The advantages and disadvantages of these methods are analyzed. The technology of tile to tile edge match is studied to maintain the consistency between adjacent edges and tile edges in HTIN model. And the Hypergraph based Objected oriented Model(HOOM) is presented to divide and code spatial area and describe the terrain feature in adding and deleting points based on Delaunay rule retriangulating. The conclusions have been drawn in the end.     

Terrain characterization using SRTM data

Earth’s surface possesses relief because the geomorphic processes operate at different rates, and geologic structure plays a dominant role in the evolution of landforms (Thornbury, 1954). The spatial pattern of relief yields the topographic mosaic of a terrain and is normally extracted from the topographical maps which are available at various scales. As cartographic abstractions are scale dependent, topographical maps are rarely good inputs for terrain analysis. Currently, the shuttle radar topography mission (SRTM) provides one of the most complete, highest resolution digital elevation model (DEM) of the Earth. It is an ideal data-set for precise terrain analysis and topographic characterization in terms of the nature of altimetric distribution, relief aspects, patterns of lineaments and surface slope, topographic profiles and their visualisation, correlation between geology and topography, hypsometric attributes and finally, the hierarchy of terrain sub-units. The present paper extracts the above geomorphic features and terrain character of part of the Chotonagpur plateau and the Dulung River basin therein using SRTM data.     

基于栅格DEM的地形特征提取与分析

以陕北延安地区燕儿沟流域为实验样区,运用比较分析法和数理统计法进行基于栅格DEM的地形特征提取和分析,以及DEM分辨率对地形特征的影响,并计算和比较了地形特征的空间统计分布。研究表明:一个相对真实的DEM能够通过修改生成DEM的基本材料,以及对DEM进行再加工而获得。由于DEM分辨率的不同,由此得到的地形特征值(如坡度、地形指数、河网密度等)在统计特性上也会随之变化。随着DEM分辨率的降低,坡度减小,地形坦化,地形指数均值变大,流域总面积变大,子流域数量减少,河流总长度减小,河网密度降低。