基于DEM的沟谷特征点提取与分析

沟谷特征点是反映沟谷地貌空间形态分布的重要点位,也是研究沟谷地貌演化过程与机理的关键要素。因此,对不同沟谷特征点的有效提取,是沟谷形态研究的重要基础。本文采用DEM及其在水文分析中的多种衍生数据,通过流向追踪、邻域特征判断等一系列方法,实现对径流节点、径流源点、汇流源点、潜在裂点与流域出口点的快速、准确提取。同时,对沟谷特征点进行有效分级,本文基于Strahler河流分级法建立了相应的分类标准,对沟谷特征点进行了自动分类。通过使用陕西省宜君典型样区5m分辨率的DEM数据进行实验,发现新算法计算效率高,结果准确,对潜在裂点也进行了有效探测,验证了算法的有效性。最后,对特征点提取的数据影响进行了详细分析。     

复杂网络理论在黄土高原沟谷地貌特征研究中的应用

沟谷侵蚀是塑造黄土地表侵蚀形态的主要动力,沟谷的发育过程深刻地影响着黄土地貌的发育及演化。本文在黄土高原选择6个典型地貌样区,以样区的数字高程模型为基本数据源提取沟谷系统。将沟谷系统中的沟谷节点、沟谷源点和流域出水口点作为网络节点,网络节点之间的空间拓扑关系为边,高程差为权值,构建黄土高原沟谷加权复杂网络模型。对黄土沟谷地貌的节点特征和空间结构进行定量刻画和分析,得到黄土高原不同地貌类型网络特征的空间格局及其变化,并进一步映射地貌的发育过程及演化机理。研究结果表明：① 黄土高原沟谷加权网络的点强度累积概率分布呈指数分布,相关性系数皆达到0.80以上,该网络正处于向无标度网络转化的过渡期;② 样区从南到北,沟谷特征点的点强度值呈现逐渐减小的态势,且点强度的分布具有不对称性,沟谷右侧侵蚀强度较高,点强度分布较多;③ 平均路径长度和网络结构熵值在绥德一带最大,分别为30.94、6.31,并向南北两侧呈减少的趋势,网络密度值的变化与之相反;3个指标分别从网络结构的连通性、稳定性和紧密性反映了不同沟谷地貌类型的侵蚀程度以及地貌系统的演化机理;④ 网络指标与传统地貌指标的相关性系数均超过0.85,其可以科学、准确地表达地貌形态的复杂性及地貌的发育阶段,有望作为沟谷地貌地学特征研究的参数。该方法考虑了沟谷地貌的空间拓扑关系以及系统的整体性,为复杂表面形态的地貌研究提出了一种新的思路和方法。     

黄土高原沟谷地貌发育演化研究进展与展望

黄土沟谷是黄土地貌中最有活力、最具变化、最富特色的对象单元,黄土高原千沟万壑的地貌形态以及触目惊心的侵蚀状态也让区域内沟谷地貌的形成、发育及演化问题成为研究中焦点及前沿性科学问题。近年来,诸多学者采用地学测年法、特征表达法、监测模拟法力图实现对黄土沟谷发育演化进程中“过去-现代-未来”的科学认知。这些研究在相当程度上丰富了黄土沟谷发育过程的认知。本文梳理了黄土高原沟谷地貌演化相关研究的现状,并从黄土高原地貌演化、黄土沟谷发育、基于DEM的沟谷信息提取与表达等研究进行了系统的回顾、梳理与分析。此外,本文提出“黄土沟道剖面群组”概念与方法,试图从新的视角审视黄土沟谷地貌发育演化过程。沟道剖面在黄土沟谷发育演化进程中传递物质能量和累积地形动力,并通过径流节点的串联实现剖面群的连接与组合,形成独特的剖面“群组”模式;该沟道剖面群组是集黄土沟谷地貌特征与过程于一体的综合信息集成体,其三维空间结构是对黄土沟谷地貌发育演化的高度抽象与映射,并可望进一步丰富黄土高原数字地形分析理论与方法体系,为黄土高原黄土地貌成因机理与空间分异格局带来创新的认识。     

基于DEM的黄土地貌逼近度因子构建及特征分析

沟谷源点作为沟沿线上最为活跃的部位,其分别到上游分水线、下游沟谷线的流线空间比对关系,是表征三线空间结构的重要突破口。它在空间上向流域分水线逼近的程度,是量化黄土流域地貌系统发育程度的重要切入点。为探究黄土地貌区流域沟谷源点向流域分水线逼近的程度,揭示黄土流域地貌发育进程及该进程所表现的主要侵蚀方式,本文从水平和垂直2个维度,构建量化三线空间结构关系的核心因子--逼近度(PI),其中包括水平逼近度(HPI)和垂直逼近度(VPI),基于5 m分辨率数字高程模型,在陕北黄土高原遴选了包含16种地貌类型的42个样区,利用数字地形分析方法,探讨其平均值(MHPI, MVPI)的空间分异规律。另外,选择其中南北序列分别代表黄土塬、残塬、梁状丘陵沟壑和峁状丘陵沟壑区的淳化、宜君、甘泉和绥德4个地区,完备包含一至五级别沟谷的典型流域为重点实验样区,探讨陕北黄土高原流域尺度平均逼近度变异指数(MPIV)序列性特征。实验结果表明:①陕北黄土高原平均逼近度(MPI)存在强烈的空间自相关,MHPI在南北序列上先增大后减小,东西方向上逐渐减小,在黄河沿岸峡谷丘陵区MHPI达到最大;MVPI由西南-东北先减小后增加,由西北-东南逐渐减小,在渭北黄土台塬区达到最小;②在流域尺度上,MPIV值的正负与黄土塬区、丘陵沟壑区敏感相关;③4个重点样区MHPI、MVPI与其它地形因子存在南北序列上的一致性。104个外部汇流区平均水平逼近度与平均坡度相关性较好(P=0.43, a<0.001),平均垂直逼近度与面积高程积分强烈相关(P=0.75, a<0.001)。平均逼近度指标综合考量了黄土高原地区最典型的三条具有结构控制意义特征线的空间关系,对黄土地貌的发育程度有明显的指示性意义。     

Blondel和k-核分解混合算法相结合的网络空间点群要素多尺度模型构建

随着人们对网络空间的依赖性不断增强,互联网技术与网络基础设施规模迅速发展。很难直接用数字或表格的形式对网络空间进行全局的规划与管理,并且不容易发现隐藏在网络空间中的一些关键信息。网络空间点群要素的多尺度模型构建对网络空间数据的多尺度分析和可视化具有非常重要的意义。本文以网络空间的特征为依据,在借鉴基于社团划分的网络空间分层算法和基于节点重要性的网络空间分层算法特点的基础上,提出了Blondel算法和k-核分解的混合算法相结合的网络空间点群要素多尺度模型构建算法。本算法通过自动社团划分,用同一社团内的节点合并构建新的网络,有效解决了基于节点重要性的网络空间分层算法自动化程度低的弊端。利用核心节点来代替整个社团结构,显著保留了网络空间中节点的属性。实验表明使用该算法可以使各个层次网络空间点群要素的综合比例降至30%以下,较好的实现了网络空间点群要素的聚类与分层,若将网络空间点群要素的多尺度模型应用于地理空间中,则可实现网络空间地图的多尺度绘制。     

基于特征的海洋锋线过程时空数据模型分析与应用

客观世界存在时空场,大部分地理实体或现象在时空域具有动态变化特性,其空间、时间和属性是过程的统一体,传统的GIS时空数据模型在描述、表达、组织与分析这类数据时面临许多挑战。然而,基于特征的数据模型和以过程为对象的时空数据组织在动态数据的描述与表达的方面具有独特的优势。本文探讨了基于特征的线过程时空数据模型组织的六元组框架体系,实现空间、时间和属性的一体化存储和地理实体的动态分析。在分析线时空过程特性的基础上,归纳总结出3大类12个类别的线过程,进一步提出了基于特征的线过程时空数据模型(Feature-based Line Process Spatio-temporal Data Model)的概念;利用文件层次分块结构对时空线过程数据进行了组织与存储。最后以海洋锋为实例,探讨了该模型在时空数据组织、时空查询、时空过程提取和时空过程可视化等方面的应用。结果表明,该模型能够很好地应用于具有时空过程特性的线数据中,也为时空数据模型的总体设计提供借鉴。     

带约束的体元属性插值方法与可视化表达

在地质体体元剖分、属性插值中如何实现属性模型和空间结构模型的一致性,体现地质知识的表达,是一个难点问题。融合边界表示法和角点网格模型,以B Rep表达地质体空间形态,以角点网格模型离散化地质体,建立地质体三维结构模型及其属性模型。充分考虑到地质原理和相关的地质约束条件,对位于断层面两边同一地层插值时,采用“距离环绕法”求点对距离参与插值计算。在地质体建模时引入“等时地层”的概念,纵向上采用分层插值的方式对属于同一等时地层的地质体属性数据进行求值,横向上采用分区域插值的方法,通过提取沉积相边界来添加控制线约束插值,很好地解决了地质体结构模型对地质体属性模型的插值约束问题。将理论与实践相结合,利用福州三维城市地质数据,将基于角点网格的体元模型和三维属性插值算法实际应用到三维城市地质系统的建模中。      

基于本体论的海洋流场语义分析与表达研究

随着海洋观测技术的不断发展,人类获取的海洋数据也快速增长,由于海洋流场是整个海洋系统物质流和能量流输送的主要渠道,基于这些观测数据进行海洋流场迁移变化规律分析及可视化表达研究,对所有涉海领域均具有非常重要的意义。然而,由于海洋时空大数据集合的多源性和异构性等原因,至今尚未有令人满意的海洋流场数据集成共享和动态可视化分析工具,从而导致这些异源异构数据难以实现统一标准下的集成组织与语义共享。为了实现海洋流场语义层次上的统一描述,本文在分析了海洋流场多维特征、拓扑特征、模糊特征等基础上,基于本体论的语义构建思想,提出并构建了基于四元组O=（C,P,R,I）的本体组织基础结构,其中C表示概念集合、P表示属性集合、R表示概念间的关系集合、I表示实例集合,通过对概念、属性、关系结构的进一步定义,共同组合构成了海洋流场整体本体结构。为了给出清晰的本体语义建模过程,以海流现象局部本体构建为例,在对成因性、空间性、时间性、运动性等本体属性分析的基础上,进行了海流概念、本体属性、语义关系的描述和定义,从而为海洋流场组织提供一个规范性框架。进而借助OWL语言本体建模的优势,以地转流为例进行了其形式化表达和本体类构建。研究结果表明,基于本体的海洋流场语义分析方法能有效地解决传统海洋现象描述中的异构问题,可为海洋信息共享与集成研究提供参考。     

稀疏格网样点的国家尺度土壤属性制图方法与应用

 国家尺度土壤属性数据是地球生物化学循环及水循环等领域研究的重要数据,目前,该尺度土壤属性数据的获取方法主要有两类:土壤属性-空间数据连接法和空间插值。为了确定哪一类方法更适合稀疏样点的国家尺度土壤属性制图,本文以中国吉林省的土壤有机质含量制图为例,采用8~32km格网样点和1∶100万土壤图,对这两类方法进行对比分析。独立样本验证结果表明,土壤属性-空间数据连接法的平均误差(ME)大于距离反比加权(IDW)插值,而平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)都小于IDW插值。IDW插值获得的土壤属性图虽然能大致反映土壤属性空间分布的基本规律,但出现了类似"牛眼睛"的空间结构,且存在无样点区估计值不准确等问题;土壤属性-空间数据连接法尽管忽略了同种土壤类型内部的差异,保留了不同土壤类型边界处的属性值突变,但获得的土壤属性图更能反映土壤属性分布的基本规律,也具有比较详细的土壤属性空间结构。因此,在基于稀疏样点的国家尺度土壤属性制图中,土壤属性-空间数据连接法的制图效果要优于IDW空间插值法。     

顾及语义尺度的时空对象属性特征动态表达

全空间地理信息系统的建设和智慧城市等GIS应用的发展,需对各类地理实体或地理现象抽象成的时空对象采集多类型的属性数据,这些属性数据一般具有多尺度、多维度、动态性的特点,带给时空对象属性特征的表达和管理一定的挑战。本文针对当前时空对象属性特征表达方法中存在的组织结构不清晰、存储冗余、语义异构等表达问题,提出了一套顾及语义尺度和动态特性的属性特征的表达和操作方法。该方法基于概念分类理论实现时空对象属性信息的分类组织,在属性特征表达中引入独立于时空对象空间特征的时间标记,结合属性表达的原始集族和更新集族来记录和管理不同时间节点下的时空对象属性特征;进而面向具有不同语义尺度表达需求的属性特征,设置知识参考表达集合,并在属性特征表达中增加语义尺度标识,对其语义尺度及不同语义尺度间的转换关系进行描述。最后,基于独立时间标记、知识参照表达集合及语义尺度标识,给出属性信息表达在时间尺度转换和语义尺度转化的操作方法,并举例给出了该属性特征动态表达和操作方法的一种实现。本文提出的方法有助于减少时空对象数据模型的存储冗余,提高其属性信息的操作效率,初步实现了时空对象属性特征的多时间尺度和多语义尺度的认知方式,为时空对象属性特征的精细化管理提供了新思路。     

空间点集自动概括方法的优化设计

在考虑空间点集整体结构的前提下,从系统的观点和人类视觉的角度出发,把空间点集划分成三个子集:边界点子集、聚集中心子集和内部点子集。对于边界点子集采用并改进Delaunay三角网方法确定边界点以及边界点的取舍;对于聚集中心,采用模糊聚类分析方法确定中心点子集的组成。最后在确定边界点子集和聚集中心子集的前提下,设计内部点子集自动化简的最优化方法。     

Hierarchy structure characteristics analysis for the China Loess watersheds based on gully node calibration

A land surface region can be decomposed into a series of watershed units with a hierarchical organizational structure. For loess landform, the watershed is a basic spatial–structural unit that can express natural landforms, surface morphology characteristics, spatial organization and developmental evolution. In this research we adopted the concept of node calibration in the watershed structure unit, selected six complete watersheds on China Loess Plateau as the research areas to study the quantitative characteristics of the hierarchical structure in terms of watershed geomorphology based on digital elevation model(DEM) data, and then built a watershed hierarchical structure model that relies on gully structure feature points. We calculated the quantitative indices, such as elevation, flow accumulation and hypsometric integral and found there are remarkably closer linear correlation between flow accumulation and elevation with increasing gully order, and the same variation tendency of hypsometric integral also presented. The results showed that the characteristics of spatial structure become more stable, and the intensity of spatial aggregation gradually enhances with increasing gully order. In summary, from the view of gully node calibration, the China Loess watershed structure shows more significantly complex, and the developmental situation variation of the loess landforms also exhibited a fairly stable status with gully order increasing. So, the loess watershed structure and its changes constructed the complex system of the loess landform, and it has the great significance for studying the spatial pattern and evolution law of the watershed geomorphology.     

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。     

车载激光扫描数据路坎点云提取方法

车载激光扫描系统能够快速准确地获取街道环境的点云数据,但由于扫描点云的点密度高、数据量大、空间分布不均匀、地物相互遮挡及城市街道环境复杂等特点,难以直接从原始点云数据中提取出路坎点云。本文首先通过分析路坎点云的空间分布特征和局部几何特征,构建包含相对高程、法向量方向、多尺度高程差及多尺度高程方差的点云特征向量;然后,采用SVM提取城市街道环境车载激光扫描数据中的路坎点云,并对提取结果进行聚类去噪,优化路坎点云。最后,通过Street Mapper 360系统和Lynx Mobile Mapper V100 系统采集的4份不同城市街道环境车载激光扫描数据对本文方法进行验证,其中路坎点云提取结果的完整度均超过了94.99%、准确度均超过91.88%、精度亦均达到了90.55%以上。实验结果表明,本文方法能够精确地提取复杂城市街道环境中规则或不规则的路坎点云,且具有较强的稳健性,适用于各类复杂的城市街道环境。     

黄土高原丘陵沟壑区切沟侵蚀与地形关系分析——以纸坊沟流域为例

沟蚀是土壤侵蚀研究的主要内容之一,地形地貌是沟蚀的一个重要影响因子。本文以安塞纸坊沟流域作为研究区域,选择土地利用方式、土壤类型、坡度坡长因子、平面曲率、坡向和地形湿度指数6个因子,通过因子内切沟所占比重/整个研究区切沟所占比重计算各个因子的权重值,通过空间叠加分析土壤侵蚀敏感性,并通过重分类的方法把土壤侵蚀敏感性分为基本无侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度侵蚀、剧烈侵蚀5个等级,来研究切沟侵蚀与地形的关系。结果表明：切沟多发生在坡度坡长较大、地表湿度较高的林草地区域和更容易发生侵蚀的黄绵土区域,并且多分布在阴坡的凹面;对比分析切沟侵蚀和土壤侵蚀敏感性,切沟大多分布在中等侵蚀敏感性以上的区域,约占总切沟的90%;实验权重值对验证区冲沟的响应精度为82.43%（中度侵蚀及其以后阶段）,与实际值90.53%相差不大,说明此种方法对黄土丘陵沟壑区具有一定适用性,对黄土丘陵沟壑区水土保持工作有重要意义。     

基于等高线空间关系的鞍部点提取方法

鞍部点是反映地表形态起伏变化的重要地形特征点之一,准确地提取鞍部点有利于地形的空间关系和结构特征分析。现有的鞍部点提取方法通常是直接基于规则格网DEM数据,无法顾及鞍部点与周围地形的空间拓扑关系和复杂地形对其的影响,不仅产生大量的伪鞍部点,而且忽略一些关键地区的鞍部点。本文根据鞍部点的地形形态特征,设计了一种基于等高线数据的鞍部点提取算法。该算法利用等高线闭合的特征,将等高线按照一定规则转成等高面数据,再利用等高面之间的相邻拓扑关系实现递归查找并自动提取鞍部点。实验结果显示:①鞍部点的数量和位置与等高距的大小显著相关,在一定尺度范围内,等高距越小,提取出鞍部点越多,位置精度也逐渐提高;②与基于规则格网DEM数据提取方法相比,该方法能更有效的过滤大量伪鞍部点,提高了鞍部点的提取精度,同时也降低了鞍部点提取算法的复杂度;与基于等高线的增量缓冲方法(Incremental Buffering Algorithm)相比,本文的方法能有效提高鞍部点提取的完整性,更适用于本文DEM的尺度即5 m DEM数据。