基于栅格面积成分数据的土地利用格局解释模型稳健估计

针对最小二乘估计不能应用于栅格尺度以面积成分表征的土地利用格局驱动机理分析的难题,本文提出了一种利用偏最小二乘回归法稳健估计该类土地利用格局解释模型的方法。利用该方法能在解释变量间存在多重共线性的情况下,获得基于栅格面积成分数据的土地利用格局解释模型的稳健估计。本文推导了应用偏最小二乘回归分析的数据处理和建模估计过程,并运用该方法开展了针对黄淮海地区耕地、建设用地分布格局及其驱动因子的建模分析,得到了拟合优度高的估计结果。研究表明,偏最小二乘回归分析方法在开展栅格尺度以面积成分表征的土地利用格局驱动机理分析时具备高效与稳健的特征,适宜在类似研究中推广应用。     

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。     

基于模糊聚类的新疆典型高寒草原土壤pH值空间制图

准确、高效地掌握草原土壤属性的空间分布能够为草地资源境管理提供基础信息和参考依据。相比于传统土壤调查方法，基于模糊逻辑的土壤—环境推理能够提高野外采样效率和预测制图精度，被广泛应用于数字土壤制图。但由于土壤自身的空间变异性及其与环境条件间的非线性，现有推理模型的稳定性较低，尚未在高寒草原区进行应用。选择新疆巴音布鲁克典型亚高山草原地区约4 km²区域为研究区，以高程、坡度、坡向、沿剖面曲率、沿等高线曲率、地形湿度指数6个地形因子为土壤环境因子，采用模糊[WTBX]C[WTBZ]均值聚类（Fuzzy C-means Clustering，FCM）方法对环境因子聚类，得到9个环境因子组合，并在隶属度值高的环境因子组合中心共设置18个典型点。运用土壤—环境推理方法模拟研究区表层土壤pH值空间分布，其变化范围在7.170~8.186之间。选取35个独立样本进行精度检验（均匀采样点16个，横截面采样点9个，垂直带采样点10个），模拟结果与实测值基本吻合，且基于模糊聚类和土壤—环境推理方法的模拟精度高于普通克里格法和反距离权重法。通过基于模糊逻辑和土壤—环境推理的数字土壤制图方法在小尺度区域的运用验证，结果表明基于典型点的采样方案能够快速、有效地对区域土壤属性进行空间模拟，该方法对于类似小尺度的研究区同样有效。     

基于DEM的对称13点局部窗口坡度算法分析

局部曲面拟合法是基于DEM的计算坡度的常用方法之一,采用不同的拟合曲面和局部移动窗口将得到不同精度的计算模型,探索不同的局部窗口类型可以丰富局部曲面拟合法在数字地形分析中的应用。本文考虑不同距离临近点的高程信息,基于3×3局部窗口提出了一种由两种不同倍率、与主轴(x轴、y轴)呈45°夹角的格网点构成的新窗口——对称13点局部窗口,推导了三阶曲面拟合该窗口的坡度计算公式,并利用典型数学曲面对该模型的计算精度进行了分析。研究分析认为,相对于现有的坡度计算模型,三阶曲面拟合对称13点窗口模型能显著地提高坡度计算精度,但对误差的平滑能力较差,适用于高精度DEM。本文的研究扩展了曲面拟合法在数字地形分析中的应用。     

地形因子对反距离加权插值方法(IDW)最优距离指数的影响分析

反距离加权插值方法（Inverse Distance Weighted, IDW）是生成数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）的常用内插手段之一,不同的地形应使用合适的IDW距离指数进行插值。本文选取了平原、丘陵、小起伏山地、中起伏山地和大起伏山地5种地形,设计了2组试验,从地形宏观形态和地形微观形态2个方面研究了地形对IDW插值中最优距离指数（Optimal order of distances,OOD）的影响。首先使用狼群算法（Wolf pack algorithm,WPA）计算不同地形区下IDW插值的OOD,分析不同地形之间OOD的分布差异;其次选取坡度、坡向、曲率3个地形因子,计算各采样点的OOD,分析不同地形因子对采样点OOD的影响。结果表明,从平原地区到大起伏山地地区,随着区域内地形起伏度的增加,OOD减小。采样点的OOD在高值区的占比随坡度增大而减小;OOD随坡向变化差异不大;随着地形曲率的增大,OOD在高值区的占比增加,在低值区的占比减小。在较为平坦的地区,例如平原地区,丘陵地区建议使用OOD在3≤a≤4范围内取值进行IDW插值,而在小起...     

基于低空摄影高精度数字高程模型(DEM)的风沙草滩特征及稳定性评价

基于无人机低空摄影测量获取到的高分辨率数字正射影像图/数字高程模型（DOM/DEM），选取榆林榆阳区岔河则乡附近一片较为典型的风沙草滩为研究区，分别对沙丘地形因子（坡度、地形起伏度、地表粗糙度、剖面曲率）、斑块形状指数及植被覆盖度进行提取并构建稳定性评价体系，然后利用GIS空间分析功能对该区域内的沙丘稳定性进行了评价。结果表明：（1）无人机航测以便捷高效的特点，可生成高精度地形数据并实现小尺度沙丘地形特征提取；（2）在人工飞播固沙和风沙缓慢侵蚀的双重作用下，研究区已体现出较为稳定的风沙草滩区特有地貌环境特征；（3）该区域已经拥有一定程度的抵抗力稳定性，但不具备恢复力稳定性。     

陡坡密集点云双重滤波方法研究

用地形三维激光扫描仪监测陡坡表面的细微变化,关键技术之一是对原始点云的精确滤波,即从密集点云中准确滤除非地形点,保留真实地形点。针对地势陡峭、表面复杂、植被多、密度分布极不均匀的陡坡点云,笔者发展了一种双重滤波方法:在对原始点云进行投影面变换的基础上,采用变窗口均值限差法滤除明显的非地形点,完成粗滤波;通过局部区域增长法找出绝大多数地形点,以占优势的地形点为参考,用局部最小二乘曲面拟合法对剩余未分类数据点进行检核,分离出非地形点,完成精滤波。文中选用3个不同类型的陡坡点云实例验证了该方法对于陡坡密集点云具有良好的滤波效果。该算法对野外大场景三维激光扫描点云滤波也有一定的参考价值。     

湿周法估算河道内最小生态需水量——以滦河水系为例

湿周法是以湿周作为衡量栖息地质量的指标来估算河道内流量的最小值。通过建立河道断面湿周与流量的关系曲线,依据该曲线确定变化点的位置,估算最小需水量的推荐值。根据国外对湿周法的研究应用,分别采用对数函数和幂函数关系对湿周—流量关系进行拟合。从理论上分析了湿周法采用斜率为1法和曲率最大法确定变化点的不同,得到不论采用对数函数还是幂函数关系拟合流量—湿周关系,斜率为1法的估算结果都要大于曲率最大法的估算结果。把湿周法应用到滦河流域两个水文站,以曲率最大法确定变化点,估算了两个站点的最小生态需水量。结果表明：①对数函数拟合流量－湿周关系得到的最小生态需水量都要大于幂函数拟合流量－湿周关系的结果;②湿周法估算的生态需水量都能满足河道内最小生态需水的要求,且较小河流对生态需水量的要求相对较大河流更高。     

地形异质性对天山山区气候的影响分析

地形具有高度的空间异质性,同一区域不同地形对该区的气候变化有着显著的影响,分析研究地形异质性对气候的影响具有十分重要的意义。基于天山山区DEM栅格图像资料和61个气象站点1961-2014年的气温和降水资料,运用空间分析、反距离权重插值法、偏最小二乘法和统计分析等方法,对该区域的地形异质性及其对气候的影响进行了相关研究。结果表明：（1）天山山区整体坡度大,其中中部与西南部的地形异质性指标值较高,其它地区的地形异质性值偏低。（2）从气候的空间分布来看,天山中部的气温较低,降水量丰富,其他区域的气温较高,降水量较少。（3）在地形异质性对气候影响方面,坡度对研究区气候的影响贡献最大,而地表粗糙度对研究区气候的影响最弱。     

基于高光谱的民勤土壤盐分定量分析

土壤盐渍化是重要的生态环境问题,严重影响着干旱、半干旱区的农牧业及经济发展。高光谱遥感技术能够提供地物的连续光谱信息,易于分析细微差别,在定量研究土壤盐分含量方面具有较大优势。民勤县位于甘肃省石羊河流域下游,水力资源匮乏,盐渍化问题十分严峻。本研究基于实验室光谱数据,通过建立模型定量分析土壤盐分含量。首先对原始数据进行连续统去除（cn）预处理,然后分别建立了土壤盐分含量的高光谱指数模型（NDSI）、偏最小二乘回归模型（PLS）、间隔偏最小二乘法模型（iPLS）和反向间隔偏最小二乘法模型（BiPLS）,考察各种模型对土壤盐分的预测能力。对比分析发现,使用全部波段信息建模的PLS模型优于仅使用两个波段信息的NDSI模型,而iPLS和BiPLS模型通过选择特征波段进行建模,结果均好于全谱PLS模型。其中,BiPLS模型波段选择的能力优于iPLS模型,得出的模型结果最好,预测相对偏差RPD达到2.02,决定系数R²和模拟值与预测值线性回归的斜率分别为0.76和0.92,模型可以近似地预测土壤盐分含量。结果说明特征波段选择方法能够从大量数据中提取有效信息,简化模型,并获取比NDSI模型和全谱PLS模型更优的预测结果。这些研究对于使用高光谱数据定量分析土壤盐渍化有一定的意义。     

Computation of the third‐order partial derivatives from a digital elevation model

Loci of extreme curvature of the topographic surface may be defined by the derivation function (T) depending on the first‐, second‐, and third‐order partial derivatives of elevation. The loci may partially describe ridge and thalweg lines. The first‐ and second‐order partial derivatives are commonly calculated from a digital elevation model (DEM) by fitting the second‐order polynomial to a 3×3 window. This approach cannot be used to compute the third‐order partial derivatives and T. We deduced formulae to estimate the first‐, second‐, and third‐order partial derivatives from a DEM fitting the third‐order polynomial to a 5×5 window. The polynomial is approximated to elevation values of the window. This leads to a local denoising that may enhance calculations. Under the same grid size of a DEM and root mean square error (RMSE) of elevation, calculation of the second‐order partial derivatives by the method developed results in significantly lower RMSE of the derivatives than that using the second‐order polynomial and the 3×3 window. An RMSE expression for the derivation function is deduced. The method proposed can be applied to derive any local topographic variable, such as slope gradient, aspect, curvatures, and T. Treatment of a DEM by the method developed demonstrated that T mapping may not substitute regional logistic algorithms to detect ridge/thalweg networks. However, the third‐order partial derivatives of elevation can be used in digital terrain analysis, particularly, in landform classifications.     

TOPMODEL中地形指数ln 的新算法

TOPMODEL中地形指数ln (α/tanβ)被用来近似表征流域径流源面积和地下水水位的空间分布特征,目前广泛使用的计算地形指数的方法为多流向算法 (FD8算法)。本文首先介绍了多流向算法的基本原理,并基于此对流动累积分配中的有效等高线长度精确计算提出了几何锥面内切圆算法,同时改进了传统的地形指数中单位等高线汇流面积α的计算方法,增强了多流向算法对DEM中异常栅格的处理能力。改进后的地形指数新算法在两个不同流域和不同分辨率DEM上与传统多流向算法进行了对比分析。结果表明新算法在原理上更符合地形指数物理意义,实际应用中其计算结果更准确。这种地形指数新算法的提出对于流域水文过程机理分析及陆面过程定量化研究具有一定的现实意义。     

DEM地形简化指标的分析研究

该文对基于局部误差、曲率和法向量的5个地形简化指标进行分析评价,用离散的高斯合成曲面来模拟真实DEM,以解析得到的高斯曲率作为地形简化指标“真值”,通过对各个指标“保特征性”可信度的分析,获得对这5个指标的整体评价：1)基于法向量的地形简化指标更能反映地形特征;2)各指标的“保特征性”随简化比的减小呈线性上升;3)各指标的优劣排序对地表形状和分辨率不敏感;4)各指标“保特征性”可信度在同一分辨率下较为稳定。并用实例验证结论的正确性。     

基于数字高程模型的水系提取算法

介绍基于地表径流漫流模型从数字高程模型 (DEM )提取水系的一系列算法。这套算法完成下述功能 :洼地的识别和填充、平地的抬升、水流方向的确定、上游集水面积的确定和河流栅格网络的生成以及水系的生成和水流线等级的确定。     

Uncertainty modeling and analysis of surface area calculation based on a regular grid digital elevation model (DEM)

In the field of digital terrain analysis (DTA), the principle and method of uncertainty in surface area calculation (SAC) have not been deeply developed and need to be further studied. This paper considers the uncertainty of data sources from the digital elevation model (DEM) and SAC in DTA to perform the following investigations: (a) truncation error (TE) modeling and analysis, (b) modeling and analysis of SAC propagation error (PE) by using Monte-Carlo simulation techniques and spatial autocorrelation error to simulate DEM uncertainty. The simulation experiments show that (a) without the introduction of the DEM error, higher DEM resolution and lower terrain complexity lead to smaller TE and absolute error (AE); (b) with the introduction of the DEM error, the DEM resolution and terrain complexity influence the AE and standard deviation (SD) of the SAC, but the trends by which the two values change may be not consistent; and (c) the spatial distribution of the introduced random error determines the size and degree of the deviation between the calculated result and the true value of the surface area. This study provides insights regarding the principle and method of uncertainty in SACs in geographic information science (GIScience) and provides guidance to quantify SAC uncertainty.     

基于无人机摄影测量的地形变化检测方法与小流域输沙模型研究

流域输沙过程是地貌学和地表动力学的重要研究内容,但传统的输沙过程监测方法仅能得到某个区域的总输沙率,无法推算其空间分布。论文以黄土高原绥德县窑家湾小流域为例,利用无人机摄影测量技术得到其2006年和2019年2期数字高程模型(DEM)并计算地形变化量;然后,根据质量守恒原理和多流向算法建立泥沙在空间上的输送模型,进而计算小流域输沙率的空间分布。实验结果表明,该模型能有效模拟泥沙在空间上的输送情况,输沙率出现质量不守恒的区域面积占比小于4%,且不守恒区域多为人类活动影响区。同时,论文讨论了DEM的选择和不同地形变化检测水平对模型结果的影响。当使用第一期DEM进行泥沙搬运路径推算时,质量不守恒区域的面积显著降低。使用误差空间分布图进行地形变化检测得到的输沙率结果鲁棒性更强。使用中误差进行地形检测得到的结果在不同置信度下变化较大。基于无人机地形变化检测的空间输沙模型能方便、快捷地提供详尽的输沙率空间分布,为地表过程研究带来了新的机遇。     

起伏地形下黄河流域太阳直接辐射分布式模拟

基于数字高程模型(DEM)数据和气象站观测资料建立了起伏地形下太阳直接辐射分布式计算模型,模型充分考虑了地形因子(坡向、坡度、地形相互遮蔽)对起伏地形下太阳直接辐射空间分布的影响;以1km×1km分辨率的DEM数据作为地形的综合反映,计算了起伏地形下黄河流域1km×1km分辨率太阳直接辐射的空间分布;深入分析了起伏地形下太阳直接辐射受地理、地形因子影响的变化规律。结果表明:受地形起伏和坡向、坡度等局地地形因子的影响,山区年太阳直接辐射量的空间差异比较明显,向阳山坡(偏南坡)的年直接辐射量明显高于背阴山坡(偏北坡)     

DEM流径算法的相似性分析

流径算法是分布式水文模型、土壤侵蚀模拟等研究中的关键技术环节,决定着汇水面积、地形指数等许多重要的地形、水文参数的计算。本文以黄土高原两个典型样区的不同分辨率DEM为研究对象,对常用的五种流径算法(D8、Rho8、Dinf、MFD和DEMON)通过相对差系数、累积频率图、XY散点分布图等进行了定量的对比分析。结果表明:算法的差异主要集中在坡面区域,汇流区域各类算法的差别较小;算法差异在不同DEM尺度下都有所体现,但高分辨率下的差异会更明显;在地形复杂区域,多流向算法要优于单流向算法。研究也进一步指出汇水面积、地形指数等水文参数对流径算法具有强烈的依赖性。     

The smoothness of HASM

To smooth noises inherent in uniformly sampled dataset, the smoothness of high accuracy surface modeling (HASM) was explored, and a smoothing method of HASM (HASM-SM) was developed based on a penalized least squares method. The optimal smoothing parameter of HASM-SM was automatically obtained by means of the generalized cross-validation (GCV) method. For an efficient smoothing computation, discrete cosine transform was employed to solve the system of HASM-SM and to estimate the minimum GCV score, simultaneously. Two examples including a numerical test and a real-world example were employed to compare the smoothing ability of HASM-SM with that of GCV thin plate smoothing spline (TPS) and kriging. The numerical test indicated that the minimum GCV HASM-SM is averagely more accurate than TPS and kriging for noisy surface smoothing. The real-world example of smoothing a lidar-derived Digital Elevation Model (DEM) showed that HASM-SM has an obvious smoothing effect, which is on a par with TPS. In conclusion, HASM-SM provides an efficient tool for filtering noises in grid-based surfaces like remote sensing–derived images and DEMs.