我国数字高程模型与数字地形分析研究进展

数字高程模型是最重要的国家基础地理信息数据,基于GIS的数字地形分析的理论、方法与应用,是当今地理学、地貌学界,特别是地理信息科学研究的热点问题。本文从DEM的数据模型、数字地形分析的不确定性、分析方法、尺度效应、高性能计算方法以及地学应用等方面,对我国学者在该领域的研究情况,特别是研究成果进行较全面的梳理与分析。综述显示,我国具有一批从事数字高程模型与数字地形分析的高水平研究力量,研究方向紧跟国际前沿,并取得了丰硕的成果,部分研究内容具有显著创新,年轻一代科学家正加速成长。在黄土高原、青藏高原的区域数字地形分析方面更彰显我国科学家的优势与特色,在国际学术界产生了重要的影响。     

《黄土高原数字地形分析:探索与实践》评述

正DEM(Digital Elevation Model)是数值化存储采样点高程数据的集合,据此进行地形地貌分析的现代化工具。南京师范大学汤国安教授及其研究组长期从事黄土高原数字地形研究,2015年将其系统成果出版专著《黄土高原数字地形分析:探索与实践》,由科学出版社出版。全书内容共分为7章,其中:第1章为概论;第2章介绍研究样区与实验数据;第3至6章分别论述了黄土高原DEM的构建、尺度问题、特征提取和信息图谱;第7章介绍     

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。     

地形与黄土高原的气候

本文通过黄土高原平均气压场、风场、湿度场和降水的分布特征、季节变化以及相互关系的分析,发现中小尺度山系有其特定的气压系统和相应的盛行风场,并对降水有重要影响.文章对黄土高原气候做了一些成因上的解释.     

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。     

南京师范大学数字地形分析研究团队介绍

正南京师范大学数字地形分析研究团队,在汤国安、刘学军教授领导下,多年来一直从事数字高程模型(DEM)及基于DEM的数字地形分析科学研究与教学工作。近年来,主持了包括国家863重点课题及国家自然科学基金重点项目在内的20多项国家级科学研究项目。在DEM尺度效应与不确定性、高保真DEM构建、数字地形分析并行技术与中间件等方面的理论与方法研究中取得突破性进展,获得国家测绘地理信息局、中国地理信息产业协会颁发的地理信息科技进步奖一等奖、二等奖;该团队基于DEM数据对黄土高原地貌形态空间格局展开了深入研究,提出了坡谱分析法、地形特征点簇分析法、地形纹理分析     

黄土高原作物产量及水土流失地形分异模拟

De-farming slope farmland has been an effective measure in recent years for the improvement of the eco-environment and the mitigation of soil and water loss on the Loess Plateau. This paper, taking the Yangou Basin as a case study and using day-by-day mete- orological data of Yan'an station in 2005, simulated and analyzed the quantitative relation between crop yield, soil and water loss and topographic condition with the aid of WIN-YIELD software. Results show that: 1) topographic gradient has important influence on crop yield. The bigger gradient is, the lower the crop yield. Yields of sorghum and corn decrease by 15.44% and 14.32% respectively at 25° in comparison to the case of 0°. In addition, yields of soya, bean and potato decrease slightly by 5.26%, 4.67% and 3.84%, respectively. The in- fluences of topographic height and slope aspect on crop yield are slight. 2) Under the same topographic condition, different crops' runoff and soil loss show obvious disparity. Topographic gradient has important influence on soil and water loss. In general, the changing trend is that the soil and water loss aggregates with the increase of gradient, and the maximal amount occurs around 20°. The influence of topographic height is slight. Topographic aspect has a certain effect, and the fundamental characteristic is that values are higher at the aspect of south than north. 3) Topographic gradients of 5° and 15° are two important thresholds. The characteristic about soil and water loss with the variation of topographic gradients show that: the slope farmland with gradient less than 5° could remain unchanged, and the slope farm- land more than 15° should be de-farmed as early as possible.     

并行数字地形分析的容错算法研究

在高性能地学计算系统中,任务计算失败将会导致严重的后果,因此高性能地学计算必须具有可靠性保障。软件容错模型是提高并行计算容错能力的一种有效方法。针对传统基于检查点/回滚的容错策略存在资源浪费的不足,以并行地形分析为研究对象,基于软件容错模型提出一种基于邻域型算法的容错策略——N-ABFT(Neigh-boring-Algorithm Based Fault-Tolerant)。针对邻域型地形因子,该容错策略为并行程序划分出的各数据块增加冗余的校验行或校验列。最后,结合N-ABFT算法,提出一种容错调度算法,有效地提高了系统容错能力,降低了错误检测开销。     

黄土高原作物产量及水土流失地形分异模拟

退耕坡地是近年来黄土高原整治生态环境和控制水土流失的有效措施。基于WIN_YIELD 软件, 以延安燕沟流域为例,利用2005 年延安站的逐日气象数据和燕沟流域地貌、土壤及土地利用等资料, 模拟分析了不同地形高程、坡度和坡向条件下不同作物产量及水土流失的分异特征。结果表明： 在黄土高原, 地形坡度是影响作物产量、径流和泥沙的重要因素, 地形高程和坡向的影响普遍较微弱; 地形坡度越大, 作物产量越低, 高粱和玉米在坡度为25^o 时的产量模拟值分别较0^o 时下降15.44%和14.32%, 大豆、绿豆和马铃薯的下降幅度依次为5.26%、4.67%和3.84%; 产生径流和泥沙随地形坡度的增大而增大, 在坡度20^o左右存在一个高值区间; 不同作物的水土保持效益由高到低依次为大豆、绿豆(豆类)、马铃薯、玉米和高粱; 坡度小于5^o的坡耕地可以不进行梯田改造, 坡度大于15^o 的坡耕地应及早实现退耕还林还草。     

黄土高原坡地单株植物下的微地形研究

坡地孤立植物下的微地形反映了植被、土壤、侵蚀和沉积过程之间复杂的相互作用。本文通过对黄土高原三种植物微地形结构的研究，分析了坡度和植物种类对微地形形成的影响。结果表明：坡度越大，沉积物堆积高度越大，微地形越明显；不同植物之间的微地形有明显差异。本研究中，地表植被覆盖为草类的刺槐林保持土壤的作用最大，可以为黄土高原植被覆盖度低地区的植被恢复和水土保持规划提供科学依据。     

数字地形分析在滑坡研究中的应用综述

高效的数字地形分析（Digital Terrain Analysis,DTA）是滑坡预测与评估研究的重要手段。文章综述了DTA在滑坡研究中的应用现状,基本内容包括地形因子分析、地形形态分析、地形单元划分以及DEM与滑坡模型的结合分析。地形因子分析的应用多而广,主要思路是在地形因子与滑坡发育的关系研究基础上分析其滑坡敏感性,进而构建滑坡预测和评估模型;地形形态分析是滑坡识别的重要手段,加强地貌形态和滑坡发育的关系研究有助于对潜在滑坡地形的识别;地形单元划分能为滑坡研究提供统计和分析单元;DEM与滑坡专业模型的结合方式多样,程度各异。同时,从尺度选择与转换的角度探讨了DTA滑坡研究的尺度问题,分析了DTA的局限性,指出DEM不能提供完备无误的地形信息,DTA不能完全取代常规的地形分析。最后,基于以上论述对未来的研究趋势提出了展望。     

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。     

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。     

黄土高原县域贫困空间格局及地形影响因素研究

借鉴空间贫困研究的基本理论,以2017年的社会经济数据为基础,对国务院扶贫办认定的贫困县进行标识,探讨黄土高原县域贫困格局及其受地形环境的影响。结果表明:(1)黄土高原贫困县沿太行山、吕梁山、六盘山三座山脉和毛乌素沙漠一带聚集分布,呈现"三山一带"的空间分布格局。(2)贫困县的空间分布格局与人口、GDP、人均GDP的空间分布格局大相径庭,在人均GDP较高的鄂尔多斯地区也出现了贫困县的集中分布,说明仅靠社会经济因素不能很好地解释贫困县的空间分布。(3)地形环境对贫困县的空间分布有显著的影响。地形环境越恶劣的地方,贫困县分布越多。68%的贫困县分布在15°～25°高坡度范围内,76%的贫困县位于50～105 m的较大地形起伏度范围内。     

黄土高原历史时期森林变迁研究进展

历史时期黄土高原森林演变是黄土高原环境变迁研究的重要组成部分。近一个世纪以来,包括历史学、历史地理学、地质学、生物学、地理学在内的诸多学科在全新世黄土高原森林变迁研究中取得了长足发展和丰硕成果。基于国内外有关全新世黄土高原森林变迁研究的代表性论著,从定性研究和定量研究两个视角,简要回顾了全新世黄土高原森林变迁研究的经过及主要进展,总结这一学术问题的研究材料和研究方法,分析研究分歧产生的原因,对该学术问题未来发展的重点与方向进行展望。     

数字地形分析应用适配性知识的案例表达与推理方法

数字地形分析(Digital Terrain Analysis, DTA)在应用时依赖于建模知识,尤其是关于所建的应用模型是否与研究区特点、数据等条件相适配的知识(称为“应用适配性知识”);由于这类知识难以形式化表达,现有的数字地形分析工具对此类知识缺乏利用,从而导致普通用户在应用数字地形分析时建模困难。针对该问题,设计了一套数字地形分析领域应用适配性知识的案例表达与相应的推理方法。以美国32个河网提取案例为例,通过交叉验证,初步表明案例及其推理应用方法适合于数字地形分析领域应用适配性知识的形式化表达与应用,该方法通过与建模环境的集成,可大幅降低数字地形分析应用建模难度。     

砂质海滩地形动力分类研究进展

海滩状态是一个地形与水动力相互作用的三维地形动力问题.国外对海滩状态的地形动力分类已开展了大量卓有成效的研究工作,既包括波控、小潮、开阔海岸海滩状态的研究,也包括波控、不同潮差海岸海滩类型的研究和岬间海岸海滩类型的研究.文中回顾并概括了自20世纪70年代至今国外在砂质海滩地形动力分类方面代表性的研究工作,这些对于我国的...     

黄土高原干旱指数分析

采用田间持水量差额与土壤最大有效含水量的比值作为干旱指数,描述了黄土高原的干旱规律。在此基础上,根据年干旱月数,把黄土高原地区划分为５种干旱型,并提出了各干旱型的农业生产防旱和抗旱措施。     

黄土高原黄土稳定同位素与古季风研究进展

黄土高原黄土-古土壤完好地记录了过去环境信息,进入90年代以来,在利用碳、氧同位素作为气候替代指标研究古植被、降雨量、古环境温度及古季风演化方面取得了长足的进展,文章就这方面的主要研究成果作了综合分析与评述。