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。     

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。     

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。     

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。     

蒙古高原地形与植被指数的特征尺度及多尺度耦合关系

基于GTOP30 DEM数据及MODIS NDVI数据,应用小波变换和小波多尺度相关分析方法对蒙古高原地形因子、NDVI因子的尺度特征及两因子间的多尺度相关关系进行研究。结果表明:1 DEM在北部地区的变异程度较南部强烈,在西部地区的变异程度较东部强烈。DEM的空间分布呈现出一个约为20 km的特征尺度。2NDVI空间分布格局的态势与DEM态势基本相同,且呈现出2个特征尺度,较小的特征尺度出现在2~4km左右,较大的特征尺度出现在20 km左右。3 DEM与NDVI在20 km尺度上存在耦合关系,即随着地形地貌在20 km尺度上发生较大变化,植被生长状况的空间分布也随之发生变化。地形因子趋向于在宏观尺度上制约NDVI的空间分布。论文最后总结了小波分析方法在地学空间数据中具有特征尺度识别和多尺度耦合相关分析的能力,同时也指出了该方法在连续尺度分析、特点位置多尺度相关分析以及二维小波分析方面的不足。     

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。     

基于DEM的中国地形起伏度适宜计算尺度研究

基于SRTM和ASTER DEM数据,在全国范围内选取13个实验区,在渐变尺度下计算平均起伏度变化曲线的"突变点",据此确定中国地形起伏度的适宜计算尺度;结合山地界定标准计算各实验区山地面积,并采用人工解译的山地范围对计算结果进行检验。研究结果表明:1)地形起伏度适宜计算尺度与所采用的DEM数据有关,DEM分辨率越小,地形起伏度适宜计算尺度越大;2)针对同一分辨率DEM数据,中国境内的地形起伏度适宜计算尺度随地貌特征变化而变化,但总体变化幅度不大;3)针对SRTM和ASTER DEM两种常用数据源,分别选择4.72km2和3.20km2作为地形起伏度适宜计算尺度是合理的,山地界定精度达90%以上。     

顾及数据特性的格网DEM分辨率计算

水平分辨率是格网DEM的决定性变量之一,直接决定着DEM对地形的逼近程度和地形参数计算、地学模拟的精度。基于地统计学理论和非参数密度估计方法,提出了地形宏观变异和微观变异相结合的DEM适宜分辨率计算方法。即首先按系列支撑对采样数据进行格网划分,形成具有不同尺度的支撑域;然后利用正则化理论,对高程点数据进行正则化变换,通过不同支撑上正则化变量的半变异函数分析,探索不同支撑尺度上的地形宏观变异规律,从而确定地形宏观变异的最佳支撑尺度;第三,在所确定的宏观变异最佳支撑尺度内,借鉴非参数密度估计中直方图的理论方法,从微观角度计算DEM适宜分辨率。最后通过陕北黄土高原的实际采样数据,对本文提出的方法进行了验证。     

基于直方图匹配的地面坡谱尺度下推模型研究——以陕北韭园沟样区为例

建立坡谱的尺度下推模型,有利于揭示地面坡谱的尺度依赖性.以5 m、25 m两种分辨率DEM为实验数据,应用遥感数字图像处理中直方图匹配的原理,对两种分辨率DEM获得的坡谱进行尺度下推.实验采用按不同Douglas压缩阈值(不同简化程度)得到的5 m、25 m两种分辨率的DEM数据,获得不同压缩阈值的DEM坡谱下推模型系数与地形因子之间的关系,最终建立两种分辨率DEM数据的坡谱尺度下推模型.将这种方法在陕北黄土丘陵沟壑区韭园沟样区进行验正,同时将模拟结果与原始5 m分辨率DEM数据所得的坡谱进行比较,试验结果表明,该模型能够比较理想的将25 m分辨率DEM的坡谱直接转换为5 m分辨率DEM的坡谱,方法简单易行,精度良好.     

黄土高原数字地形分析研究进展

黄土高原数字地形分析以我国黄土高原为研究对象,基于该区域不同尺度DEM数据提取各类坡面地形因子及特征地形要素,并通过对各种地形因子和特征要素的自身特点、空间分异规律及各因子与要素之间的相互关系建立地学统计模型,从更深层次探讨黄土地貌演化及其空间分异规律,深化对黄土高原的认识。该文总结了黄土高原数字地形分析的基本理论与分析方法,从该区域的DEM数据模型、地形特征要素、地形信息图谱、地形纹理、沟壑信息图谱和地貌发育演化机理等方面对黄土高原数字地形分析的研究成果进行较全面地梳理与分析。可以看出,黄土高原数字地形分析已成为数字地形分析领域独具特色的研究方向,其中很多方法均已成为地貌计量学的重要研究手段。     

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。     

DEM采样间隔对地形描述精度的影响研究

数字高程模型(DEM)的精度包括采样点数据精度和地形描述精度两方面,前人对DEM精度的研究多集中在DEM采样点精度,而忽视了地形描述精度。该文提出基于窗口曲面拟合计算拟合曲面系列参数与"实际地形"曲面参数的标准差来衡量地形描述精度的方法,研究发现DEM地形描述精度随采样间隔的增大呈降低趋势;并利用坡度频率曲线和坡度累计频率曲线研究对DEM精度敏感的坡度因子与DEM采样间隔的关系,认为随DEM采样间隔增大,坡度衰减(变缓)的速率加快。     

DEM resolution dependencies of terrain attributes across a landscape

This paper documents resolution dependencies in terrain analysis and describes how they vary across landform location. Six terrain attributes were evaluated as a function of DEM resolution—slope, plan curvature, profile curvature, north–south slope orientation, east–west slope orientation, and topographic wetness index. The research highlights the effect of varying spatial resolution through a spatial sampling/resampling scheme while maintaining sets of indexed sample points at various resolutions. Tested sample points therefore coincide exactly between two directly compared resolutions in terms of their location and elevation value. An unsupervised landform classification procedure based on statistical clustering algorithms was employed to define landform classes in a reproducible manner. Correlation and regression analyses identified sensitive and consistent responses for each attribute as resolution was changed, although the tested terrain attributes responded in characteristically different ways. These responses displayed distinguishable patterns among various landform classes, a conclusion that was further verified by a series of two‐sample, two‐tailed t‐tests.     

基于DEM的单位汇水面积尺度转换(英文)

Specific Catchment Area (SCA) is defined as the upstream catchment area of a unit contour. As one of the key terrain parameters, it is widely used in the modeling of hydrology, soil erosion and ecological environment. However, SCA value changes significantly at different DEM resolutions, which inevitably affect terrain analysis results. SCA can be described as the ratio of Catchment Area (CA) and DEM grid length. In this paper, the scale effect of CA is firstly investigated. With Jiuyuangou Gully, a watershed about 70 km2 in northern Shaanxi Province of China, as the test area, it is found that the impacts of DEM scale on CA are different in spatial distribution. CA value in upslope location becomes bigger with the decrease of the DEM resolution. When the location is close to downstream areas the impact of DEM scale on CA is gradually weakening. The scale effect of CA can be concluded as a mathematic trend of exponential decline. Then, a downscaling model of SCA is put forward by introducing the scale factor and the location factor. The scaling model can realize the conversion of SCA value from a coarse DEM resolution to a finer one at pixel level. Experiment results show that the downscaled SCA was well revised, and consistent with SCA at the target resolution with respect to the statistical indexes, histogram and spatial distribution. With the advantages of no empirical parameters, the scaling model could be considered as a simple and objective model for SCA scaling in a rugged drainage area.     

数字地形模型数据产品特点 与评估分析

数字高程模型是支撑地理过程模型研究的重要基础数据。DEM数据获取、加工及压缩精度直接影响地学相关模型及地理过程的模拟效果和研究质量。在分析比较当今国际地学界应用DEM数据源的基础上，我们采用绝对差值法和三维剖面法对国家基础地理信息中心生产的基于1：50,000扫描地形图DEM产品(NFGIS_DEM)、GTOPO30_DEM数据及基于SRTM数据生产的DEM数据集进行了精度检验及评估。同时分析了影响由SRTM数据所生产的全球范围DEM数据集精度与数据质量。研究结果表明30-90m分辨率的SRTM_DEM产品在精度和数据质量控制方面远优于GTOPO30_DEM数据，与NFGIS_DEM数据质量相当。大范围乃至全球范围的30m分辨率SRTM_DEM产品，将极大促进基于DEM数据的地理过程模型的研究，尤其会大幅提升对DEM空间分辨率较敏感的地学相关研究能力。     

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.     

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。