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。     

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。     

DEM栅格单元地形异质性的量度指标研究

DEM栅格单元地形异质性可以理解为栅格单元内部地形的复杂程度,在数字地形分析中,其存在可能得出与实际不符的分析结果.然而,目前还没有一种综合量度指标可以衡量DEM栅格单元地形异质性的大小.该文在总结相关研究成果的基础上,分析了DEM栅格单元地形异质性产生的主要原因,并采用高程标准差、地形起伏度、地表粗糙度和平均坡度4个指标度量DEM栅格单元地形异质性的不同方面,最后通过归一化综合处理,得到了DEM栅格单元地形异质性的综合量度指标--DEM栅格单元地形异质性指数(DGTHI),并进行了实验验证与分析.     

数字地形分析

对地形的描述、表达及分析历来是跟地球有关的所有学科之关注焦点。长期以来,人们采用等高线图来表达地形并发展了许多基于等高线的分析方法。自20世纪50年代后期,人们开始用数字化方法来作描述及表达地形。数字高程模型（DEM）一术语在1958年首次提出。数字高程模型已成为国家空间数据基础设施的“4D”产品之一．正在逐步取代传统（描述地形）的地形图。目前我国已经完成了1：100万、1：25万、1：5万等多种比例尺的数字高程模型之建立,1：1万数字高程模型也正在积极的建设中。这些数字高程模型已在制图、土木、水利、交通、水文、农业、规划等地学领域得到广泛应用。可以想象,每个应用所需的地形信息是不一样的。因而,人们发展了许多从数字高程模型提取各种地形信息的理论、技术与方法．从而导致了数字地形分析这一学科的成长。     

栅格数字地形分析中的尺度问题研究方法简

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

DEM与地形分析的并行计算

总结了数字高程模型构建、特征提取等并行算法的研究进展,概述了不同并行算法的主要内容;探讨了DTA并行技术在海量地形数据可视化和高性能地学计算的应用,随着DEM的需求日益增大,高精度、高分辨率DEM产品及其附加服务也逐步产品化。最后,通过分析并行计算发展的关键问题,提出DTA并行技术的研究趋势及研究意义,合适的数据划分和结果融合策略、通用并行算法、容错机制和负载均衡策略的设计是今后研究的重要内容,尤其是如何在多种计算模式共同发展的背景下利用并行计算解决地学难题,从而得到更接近现实世界地理环境的模拟,并扩大数字地形分析的应用范围。     

地形复杂度对坡度坡向的影响

采用三阶不带权差分算法，研究了地形复杂度与坡度坡向的关系，澄清了目前关于坡度坡向误差空间分布的矛盾观点，并分别在凹向椭球和高斯合成曲面数学模型曲面DEM上对其进行验证。通过研究得出：①坡度、坡向误差与坡度值正相关；②坡度坡向误差主要分布在平坦地区；③坡向误差较坡度误差对DEM高程数据误差敏感，较小的DEM误差引起较大的坡向误差。     

一种基于TIN的地形剖面线生成算法

在目前已有基于规则格网(Grid)生成地形剖面线的基础上，提出了一种适用于不规则三角网(TIN)的剖面线生成算法。该算法充分利用TIN中各三角形间存在的拓扑关系，实现了与剖面线相交三角形的快速搜索，大大提高了算法的执行效率。由于地形简化后的TIN仍保留三角形间的拓扑关系，该剖面线生成算法还适用于多分辨率的海量TIN数据。     

土地覆被类型空间格局与地形因子的定量关联及其应用

以全国1∶25万土地覆被数据、全国公里网格DEM数据和县级行政区划数据为基础,首先,在国家尺度上宏观分析地形因子对土地覆被类型空间分布格局的影响,土地覆被类型空间分布宏观格局受海拔高度、坡度、地表起伏度的影响明显,而与坡向的关系并不显著;其次,以县级行政单元为统计分析样本,利用多元线性回归分析方法,在国家和区域两个尺度建立土地覆被类型面积占比与主要地形因子之间的定量模型,在6类土地覆被类型中,除草地以外,其他5类土地覆被类型的面积占比均与地形因子之间呈显著相关关系,显著性由高到低的排列顺序依次为森林、农田、荒漠、聚落和湿地水体;最后,以相关性最好的森林的空间分布为例,说明了将所建立的模型应用于栅格单元上某种土地覆被类型面积占比估算的可能性,虽然估算结果与实际情况存在差异,但总体趋势基本保持一致,特别是土地覆被类型面积占比大的区域。     

数字高程模型地形描述误差的量化模拟--以黄土丘陵沟壑区的实验为例

本研究以陕北黄土高原丘陵沟壑区为试验样区 ,综合运用统计分析及比较分析的原理与方法 ,通过数学模拟、对比分析、误差可视化分析 ,研究不同空间尺度下DEM地形描述误差的数学转换模型。实验结果证明 ,目前适用于欧洲地区的地形描述误差的模拟方程EtD=q·a·(EtD′) b,经过参数的修正 ,在我国黄土高原丘陵沟壑区具有较高的模拟精度。该模型的建立可以实现应用低空间分辨率的DEM数据在栅格水平模拟高空间分辨率DEM所提取的地形描述误差 ,从而 ,在一定精度范围内大大提高Et的计算速度和计算效率。并且 ,对我国其它地貌类型区类似模型的建立 ,都具有重要的参考意义     

运用DEM剖析土地利用类型的分布及时空变化--以北京延庆县为例

以北京延庆县为例，从土地利用类型分布频率的角度，结合地形因子分析区域土地利用类型分布及变化规律。由于坡向影响着日照时数和土壤水分的再分布，而这对农业用地和园地等土地利用类型来说具有研究意义，因此，在前人的综合海拔和坡度两个地形因子的分布指数的基础上，提出坡向分布指数，即分别从海拔、坡度和坡向三个角度，对延庆县1996年和2001年土地利用现状数据进行比较分析，得出其耕地、园地和林地三种土地利用类型的分布及变化规律：耕地主要集中分布于低的地形等级上，园地则趋于高地形等级方向发展，并且阴坡上的分布频率有所增加，林地分布变化不明显。作者认为，人为干扰因素对园地分布格局的变化起到了一定的作用，而对耕地和林地的作用不明显，这为该区未来发展规划提供了参考。     

滑坡危险度区划研究述评

滑坡危险度区划是滑坡研究发展到一定深度所提出的新课题。到目前为止，我国既无统一的滑坡危险度评价理论体系，也无统一的滑坡危险度区划制图方法。因此，该项工作异常薄弱，这是造成预防不及时，措施不力，从而导致广泛、严重滑坡灾害的原因之一。滑坡危险度区划的主要目的是：①建立标准化评价体系；②滑坡信息库；③评价区域滑坡的危险性；④提供标准化危险度区划图件；⑤减灾防灾的决策依据。文章对此问题的研究动态评述基础上。提出了危险度区划的内涵和研究目标。     

沟道偏转地形对滑坡碎屑流运动的影响研究

在沟谷地形中,滑坡碎屑流的运动常受到地形的影响,导致其运动方向发生改变,进而影响到滑坡运动速度和堆积特征。本文利用三维离散元素法,对四川都江堰三溪村高速远程滑坡进行模拟,研究滑坡体不同部位的块体失稳后,在沟道偏转地形主导下的滑坡碎屑流前缘的运动速度、各部位滑体的速度变化过程和堆积特征,并提出沟道偏转地形耗能模型分析了地形偏转造成的动能消耗。研究结果显示:滑坡前缘在地形偏转位置运动方向发生变化,导致运动速度突降;由于滑坡不同部位的滑块相对于地形偏转点具有不同的撞击角度,导致其撞击后产生不同的偏转角度,滑块的偏转角度越大,速度变化越大;由沟道偏转地形导致的滑坡运动速度减小反映了偏转地形对滑坡的动能产生的耗散,动能耗散率与cos2θ(θ为偏转地形在水平面上的偏转角度)成反比;不同部位滑块的堆积长度随偏转角度的增大而减小。本研究分析了沟谷地形偏转对滑坡碎屑流运动速度作用机制及不同部位岩土体堆积范围的影响,可为该类地形条件下滑坡的运动机制研究和防灾减灾工作提供参考。