数字地形分析的理论、方法与应用

数字高程模型自20世纪50年代首次被提出以来,就以其简洁的数据组织方式、对地形的直观表达、简单高效的地形因子解译方法而显示了其在地学领域应用的巨大潜力。本文在全面检索和分析前人相关研究成果的基础上,首先将数字地形分析 (Digital Terrain Analysis,简称DTA) 的各种分析方法总结为四类,即坡面地形因子分析、特征地形要素分析、地形统计分析以及基于DEM的地学模型分析,并简要总结了每种分析方法的主要内容;其次,探讨了数字地形分析的精度及尺度问题,指出尺度效应、最适宜尺度选择以及尺度转换是DEM地形分析中的基本尺度问题;然后,论文介绍了DTA在地貌、水文、土壤、地质灾害、农业等领域的应用现状;最后,提出了数字地形分析发展方向,指出数字地形分析的概念框架亟待完善、模型构建精度有待提高、地形分析方法需要扩展,尤其是实现DEM模型嵌入的一体化分析方法,以求得到与现实世界地理环境更为接近的模拟。     

基于SINMAP模型的区域滑坡危险性定量评估及模型验证

利用稳定态水文学理论与无限斜坡稳定性模型,构建分布式斜坡稳定性定量评估模型SINMAP,以坡体滑塌十分发育的陕西省略阳县为试验区,利用Grid DEM提取坡度、流向、地形湿度指数和有效汇水面积等流域地形水文数据,将GIS专题图、遥感数据等作为模型输入数据,获得地表斜坡稳定性分级专题图,实现滑坡危险性定量评估;将模型模拟结果与目前国内最具有权威性的中国县(市)地质灾害调查结果进行对比分析,发现两者在稳定性分级标准划分、滑坡点定性评价、滑坡危险性分区等方面都具有很好的相似性和可比性,说明模型的模拟结果能够客观反映研究区地表滑坡危险性,对可能出现的滑坡具有一定的预测精度。因此,该模型的研究有望为定量分析区域滑坡与环境因子的关系、区域滑坡预测等工作奠定基础。     

论DEM地形分析中的尺度问题

DEM及其地形分析具有强烈的尺度依赖特征。本文以黄高原地区的研究为例,结合地学建模和地学模拟的需求,重点讨论DEM地形分析中的尺度问题。文中从DEM建立与应用出发,首先建立了DEM地形分析中的尺度概念体系,剖析了各类尺度之间的关系,其次讨论了尺度所引起的各种地形分析效应问题,最后探讨了DEM地形分析中的尺度转换类型和方法。     

基于DEM的地形单元多样性指数及其算法

在阐述地形信息表达研究进展的基础上,提出基于DEM地形单元多样性指数的概念和算法。地形单元多样性指数综合了高程、坡度、坡位、坡向、汇流量和水域信息等要素。其算法集成地形位置指数和地形湿度指数算法,采用图层叠加分析,设定分类、分级指标,进行重分类组合,划分地形单元类型,利用窗口分析法计算地形单元多样性指数。以四川省为试验区,利用精度为100 m的DEM数据和水域分布数据进行模拟计算,地形单元划分为13种典型类型,统计窗口半径设为900 m,计算出的多样性指数值小于0.5的区域仅占总面积的11%,大于0.75的区域达57%,符合实验区地形特征,并对算法进行了可行性分析和验证。结果表明,该算法提取的地形单元多样性指数可以有效反映地表形态的多样性特征及其变化。该研究结果为进一步探讨基于DEM地表形态信息的概念体系,以及从微观到宏观的地形信息空间分析研究创造了条件。     

地形对黄土高原滑坡的影响

高分辨率地形与影像数据的缺乏已成为研究地表现象、特征与过程的重要瓶颈。低成本无人机设备和摄影测量技术的发展,打开了地学领域获取高分辨率数据的大门,大大提高了地质灾害野外调查与灾害编目的精度与效率。本文通过无人机野外调查和遥感室内目视解译,构建了一个包含307个黄土滑坡属性的数据库。在此基础上,通过数字地形分析和数理统计等方法,总结归纳了黄土滑坡样本数据的分布规律,探讨了地形对黄土滑坡分布的影响,阐述了地形相对高差对最长滑动距离、滑坡周长、滑坡面积的影响,提出了基于传统经验公式拟合的滑坡规模快速预测公式。结果表明：① 滑坡规模—频率分布具有明显的规律性,不同最大长度、最大宽度和周长的黄土滑坡数量分布均呈现正偏态分布,而不同面积的滑坡数量分布则服从幂函数分布;② 地形对黄土滑坡发育控制作用明显,不同地形高差、平均坡度、坡形的斜坡单元滑坡发育数量差异较大;③ 地形相对高差与滑坡的最长滑距、周长和面积的拟合曲线很好地符合幂律分布规律,但不同地形区的拟合效果有所差异,黄土丘陵区拟合效果最好,黄土高原全区次之,黄土台塬区最差;④ 本文建立的黄土滑坡规模快速预测模型,为黄土滑坡灾害调查提供了经验公式支撑。     

滑坡危险度评价的地形判别法

选取影响滑坡发育的坡度、坡形、坡向、坡体的相对高度和地形与地层产状的组合关系5个主要地形因素，结合三峡库区重点滑坡段(云阳-巫山)205个滑坡统计资料，利用地形判别法，对典型滑坡危险度进行评价。将各地形判别因子在区域滑坡发育上的贡献率作为评价典型滑坡危险度的评价值，利用层次分析法，建立典型滑坡危险度判别矩阵。将判别矩阵的归一化特征向量作为判别因子的权重，得到典型滑坡的危险度。通过建立典型滑坡危险度评价表，对滑坡进行有效的管理。此研究方法有效地避免了对评价因子赋值的主观性，并提出了对不同危险度等级的滑坡管理措施。     

面向地貌学本源的数字地形分析研究进展与展望

数字地形分析（DTA）是地理信息科学（GIS）研究的热点。但是,当前基于数字高程模型（DEM）的数字地形分析在地貌学研究中存在重形态轻机理、重现象轻过程、重地上轻地下等问题,急需从单一的地貌形态分析,迈向面向成因、过程与机理等地貌学本源问题的研究转变。据此,本文系统梳理了面向地貌学本源的数字地形分析的相关研究现状,并从地貌学本源认识、地貌形态建模、地形因子提取、以及其他地形分析方法等研究进行了系统的回顾、梳理与分析。研究表明,基于DEM的数字地形分析虽具有地貌特征分析的潜力与优势,但是,数字地形分析存在数据表达与分析模式上的先天缺陷,亟待通过基础理论与关键技术的突破,实现理论与方法的创新发展,实现从“坡面”走向“区域”,从“形态”走向“过程”,从“地形”走向“地貌”。而当今地球系统科学的研究发展态势也到了数字地形分析研究从重视地貌形态走向揭示地貌学本源的关键阶段。因此,本文从DEM数据模型增值、地形因子及其地形空间关系、以及宏观地形分析等侧面展望了面向地貌学本源的数字地形分析研究。当今基于DEM的数字地形分析研究,正像当前的GIS是否能够真正支撑地理学发展一样,已经处于一个非常关键的十字路口。面向地貌学本源的数字地形分析研究思路可望成为地理信息科学领域理论与方法创新的一次重要探索与实践。     

一种适用于逻辑回归模型评价浅层滑坡易发性的网格尺度划分方法 ——以2019年福建省三明市群发浅层滑坡为例

滑坡易发性评价是滑坡防治研究的重要内容之一.在逻辑回归模型中,常用网格单元作为滑坡易发性评价单元,具有划分简单,回归效率高的优点.然而,在构建模型时直接将研究区的栅格数据转换为矩阵,每个栅格表示一个评价单元,存在滑坡样本不平衡,滑坡地形参数指标不能反映真实的滑坡地形等问题,造成评价效果统计显著性低.本文以2019年福建...     

基于DEM分形特征的坡度尺度变换模型

利用DEM提取坡度具有明显的尺度依赖性,探求DEM在不同尺度下表现出的规律关系,建立多尺度变换模型,以实现不同尺度间的转换是地形分析研究的热点和难点。本文阐释了DEM表面与地表粗糙度分形维数值的地学意义及内在关系,并利用分形对象的自相似性原理,建立了一种基于DEM分形特征的坡度尺度变换模型。选取四川丘陵地区某小流域为研究区,进行坡度尺度变换实验和误差分析,结果表明该模型能有效实现坡度尺度变换:在非平坦地区(坡度>1°)一般重采样方法变换得到的坡度误差为该方法的1.86倍;从信息熵理论分析,经该方法转换后的坡度信息得到了显著恢复。对于无1︰1万及以上精度地形数据的西南山区,利用该方法获取高精度坡度数据具有重要的理论价值和现实意义。     

DEM 点位地形信息量化模型研究

针对DEM 点位, 首先应用微分几何法对其所负载的语法信息量进行测度, 其次根据地形特征点类型及地形结构特征确定其语义信息量, 然后基于信息学理论构建了DEM 点位地形信息综合量化模型。在此基础上, 以黄土丘陵沟壑区作为实验样区, 对DEM 点位地形信息量提取方法及其在地形简化中的初步实例应用进行了探讨和验证。实验结果显示, 所提出的DEM 点位地形信息量化方案可行;基于DEM 地形信息量指数的多尺度DEM 构建方案, 具有机理明确、易于实现的特点, 并通过优先保留地形骨架特征点, 可以有效减少地形失真, 从而满足不同层次的多尺度数字地形建模和表达要求。对DEM 点位地形信息进行有效量化, 为认识DEM 地形信息特征提供了一个新的切入点, 同时为多尺度数字地形建模提供理论依据与方法支持。     

Geomorphology-oriented digital terrain analysis: Progress and perspectives

Digital terrain analysis(DTA) is one of the most important contents in the research of geographical information science(GIS). However, on the basis of the digital elevation model(DEM), many problems exist in the current research of DTA in geomorphological studies. For instance, the current DTA research appears to be focused more on morphology, phenomenon, and modern surface rather than mechanism, process, and underlying terrain. The current DTA research needs to be urgently transformed from the study of landform morphology to one focusing on landform process and mechanism. On this basis, this study summarizes the current research status of geomorphology-oriented DTA and systematically reviews and analyzes the research about the knowledge of geomorphological ontology, terrain modeling, terrain derivative calculation, and terrain analytical methods. With the help of DEM data, DTA research has the advantage of carrying out geomorphological studies from the perspective of surface morphology. However, the study of DTA has inherent defects in terms of data expression and analytic patterns. Thus, breakthroughs in basic theories and key technologies are necessary. Moreover, scholars need to realize that DTA research must be transformed from phenomenon to mechanism, from morphology to process, and from terrain to landform. At present, the research development of earth science has reached the critical stage in which the DTA research should focus more on geomorphological ontology. Consequently, this study proposes several prospects of geomorphology-oriented DTA from the aspects of value-added DEM data model, terrain derivatives and their spatial relations, and macro-terrain analysis. The study of DTA based on DEM is at a critical period along with the issue on whether the current GIS technology can truly support the development of geography. The research idea of geomorphology-oriented DTA is expected to be an important exploration and practice in the field of GIS.     

栅格数字地形分析中的尺度问题研究方法

栅格数字高程模型（DEM）固有的尺度特征给以栅格DEM为基本输入的数字地形分析带来各种尺度问题。对栅格数字地形分析中涉及的尺度进行梳理,以分辨率和分析窗口为重点,对栅格数字地形分析中的多尺度表达、尺度效应、适宜尺度选择、尺度转换等尺度问题及其相互关系进行阐述;分别介绍各类尺度问题的现有定量研究方法,尤其对尺度效应定量刻画和适宜尺度选择方法,根据不同方法计算定量指标所利用的信息类别进行分类归纳;最后讨论了其中有待进一步开展研究的几方面工作。     

Pre-processing algorithms and landslide modelling on remotely sensed DEMs

Terrain analysis applications using remotely sensed Digital Elevation Models (DEMs), nowadays easily available, permit to quantify several river basin morphologic and hydrologic properties (e.g. slope, aspect, curvature, flow path lengths) and indirect hydrogeomorphic indices (e.g. specific upslope area, topographic wetness index) able to characterize the physical processes governing the landscape evolution (e.g. surface saturation, runoff, erosion, deposition). Such DEMs often contain artifacts and the automated hydrogeomorphic characterization of the watershed is influenced by terrain analysis procedures consisting in artificial depression (pit) and flat area treatment approaches combined with flow direction methods.In shallow landslide deterministic models, when applied using topographic dataset at medium scale (e.g. 30 m of resolution), the choice of the most suitable DEM-processing procedure is not trivial and can influence model results. This also affects the selection of most critical areas for further finer resolution studies or for the implementation of countermeasures aiming to landslide risk mitigation.In this paper such issue is investigated using as topographic input the ASTER DEMs and comparing two different combinations of DEM correction and flow routing schemes. The study areas comprise ten catchments in Italy for which hydrogeomorphic processes are significant. Aims of this paper are: 1) to introduce a parameter estimation procedure for the physically-based DEM correction method PEM4PIT (Physical Erosion Model for PIT removal); 2) to investigate the influence of different terrain analysis procedures on results of the slope stability model SHALSTAB (SHAllow Landsliding STABility) using remotely-sensed ASTER DEMs; 3) trying to assess which of terrain analysis methods is more appropriate for describing terrain instability.     

多分析尺度下综合判别的地形元素分类方法

地形元素（如山脊、沟谷等）是地表形态类型基本单元,通过地形元素的不同空间组合可形成更高级别的地貌类型。现有的地形元素提取方法大多依靠地形属性计算,难以克服地形元素的空间相关性表达与局部地形属性计算存在不对应的矛盾,Jasiewicz和Stepinski提出的Geomorphons方法——基于高程相对差异信息进行地形元素分类,可避免这一问题,但Geomorphons方法本质上是在单一分析尺度上选择地形特征点用于判别,易受局部地形起伏的影响而造成误分类。针对这一问题,设计出一种多分析尺度下综合判别的地形元素分类方法。应用结果表明：相比Geomorphons方法,利用该方法得到的地形元素的分类结果更为合理。     

基于随机森林的山西省柳林县黄土滑坡空间敏感性评价

基于随机森林模型,以GF-6影像和ALOS DEM数据为基本信息源,结合高程,地形起伏度及地形湿度等11项因子,对山西省柳林县进行滑坡敏感性空间区划。模型精度评价表明：随机森林模型精度为0.75,支持向量机模型精度为0.7,表明随机森林更适合柳林县的滑坡敏感性评价。指标重要性分析结果表明：高程、坡度、距道路距离以及距河流距离,是影响柳林县滑坡发育的主要因素。敏感性空间区划结果表明：高度敏感区约占柳林县总面积的28%,主要分布在三川河流域的南北边界及邻近区域内,其中贾家垣乡分布面积最广。从时间成本、训练难度、稳定度以及精确度考虑,随机森林模型更适合滑坡敏感性评价这类非线性计算问题。     

Analysis of LiDAR-derived topographic information for characterizing and differentiating landslide morphology and activity

This study used airborne laser altimetry (LiDAR) to examine the surface morphology of two canyon-rim landslides in southern Idaho. The high resolution topographic data were used to calculate surface roughness, slope, semivariance, and fractal dimension. These data were combined with historical movement data (Global Positioning Systems (GPS) and laser theodolite) and field observations for the currently active landslide, and the results suggest that topographic elements are related to the material types and the type of local motion of the landslide. Weak, unconsolidated materials comprising the toe of the slide, which were heavily fractured and locally thrust upward, had relatively high surface roughness, high fractal dimension, and high vertical and lateral movement. The body of the slide, which predominantly moved laterally and consists mainly of undisturbed, older canyon floor materials, had relatively lower surface roughness than the toe. The upper block, consisting of a down-dropped section of the canyon rim that has remained largely intact, had a low surface roughness on its upper surface and high surface roughness along fractures and on its west face (unrelated to landslide motion). The upper block also had a higher semivariance than the toe and body. The topographic data for a neighboring, older and larger landslide complex, which failed in 1937, are similarly used to understand surface morphology, as well as to compare to the morphology of the active landslide and to understand scale-dependent processes. The morphometric analyses demonstrate that the active landslide has a similar failure mechanism and is topographically more variable than the 1937 landslide, especially at scales > 20 m. Weathering and the larger scale processes of the 1937 slide are hypothesized to cause the lower semivariance values of the 1937 slide. At smaller scales (< 10 m) the topographic components of the two landslides have similar roughness and semivariance. Results demonstrate that high resolution topographic data have the potential to differentiate morphological components within a landslide and provide insight into the material type and activity of the slide. The analyses and results in this study would not have been possible with coarser scale digital elevation models (10-m DEM). This methodology is directly applicable to analyzing other geomorphic surfaces at appropriate scales, including glacial deposits and stream beds.