面向城市DEM构建的地形要素分类及表达

地形要素是对地形在地表的空间分布特征具有控制作用的点、线或面状要素,其合理划分可为城市地形建模提供数据基础。本文在解析城市地形特征和分析现有地形图分类在城市DEM建模中不足的基础上,基于面向对象思想,以城市地形被城市道路网分割为基本原则,构建了城市地形要素分类及表达方法,并以南京市某区1:500地形图为实验数据,进行了相关验证实验与分析。实验结果表明,本文提出的地形要素分类和表达方法能够整体控制并有效表达集几何和语义信息为一体的复杂城市地形,在全局和局部地形上均有较好的建模效果。本文提出的城市地形要素分类及表达方法不但可为地形要素的分析和应用提供基础,也可为城市地形构建模拟、建设规划和分析决策等提供技术支撑。     

基于HASM算法的DEM建模与应用试验

以曲面论为理论基础建立的高精度曲面模型(High Accuracy Surface Modelling,HASM)其插值精度较传统方法提高了多倍,为CAD和GIS系统提供了更有效的曲面模拟工具。但由于HASM需要对研究区域用相同的网格分辨率模拟,且对研究区域内每个网格点建立偏微分方程,因此,计算量和存储量问题严重制约其推广使用。适应法网格精化技术,可以根据模拟区域的地形复杂度或者精度要求调整网格分辨率,即在地形平坦区域用粗网格模拟,在复杂区域用细网格模拟。基于此理论,我们建立了适应算法的HASM。对甘肃省董志塬进行的DEM模拟表明,HASM适应算法能在保证模拟精度的同时,极大地减少了计算时间和降低存储量,从而有效解决了HASM推广使用的计算量和存储量瓶颈问题。     

CryoSat DEM与多种南极DEM的对比分析

南极洲被巨厚冰雪覆盖,地质构造以南极横断山脉为界,总体分为东南极地盾和西南极活动带。数字高程模型（DEM）是研究南极冰盖变化的基础数据之一。通过多期次数字高程模型相比较获得高程的变化信息,是分析南极冰盖厚度变化和物质平衡的重要手段。然而不同类型DEM之间存的平面误差和垂直误差影响分析结果的精度。首先利用配准消除DEM间的水平误差,然后计算并按坡度提取CryoSat DEM与其他DEM的平均高程差和标准差,最后分析高程差的时空变化特征。通过分析发现,DEM之间存在不同的平面误差。其中TanDEM_X DEM与CryoSat DEM的高程平面偏差最小,而ICESat DEM与CryoSat DEM的高程平面偏差最大。在垂直方向上,0°~1°的坡度范围内,CryoSat DEM与TanDEM_X DEM的平均高程差在3.5~5.5 m之间,标准差小于18.0 m;CryoSat DEM和Bamber 1km DEM的平均高程差在-2.5~+1.0 m之间,标准差小于24.2 m;CryoSat DEM与ICESat DEM的平均高程差在-25.0~-1.0 m之间,标准差小于47.2 m;CryoSat DEM与RAMPv2 DEM的平均高程差在1.3~3.2 m之间,标准差小于45.6 m。通过研究发现南极冰盖内部高程增加,但西南极冰盖和东南极冰盖高程均在降低,且西南极降低明显,同时南极边缘地区高程降低明显。本研究为全球变化研究和南极物质平衡研究提供了重要参考。      

DEM与区域土壤侵蚀地形因子研究

地形是影响地表径流和土壤侵蚀的重要因素,坡度等指标是流域水文和土壤侵蚀预报的重要变量.DEM在区域土壤侵蚀中应用研究主要包括:如何实现对侵蚀区地形的表达,使之能准确、科学和有效地表达地形形态和侵蚀沟道网络结构;在多种尺度上,用什么指标实现表征地形对土壤侵蚀发生过程的影响;用什么方法提取或者处理地形因子,如何建立地形因子与土壤侵蚀关系.引入新的DEM理念和算法,应用高精度地形测量数据和数字地形图,改进DEM质量,考虑尺度效应并将已有地形因子研究与区域土壤侵蚀模型研究结合,是今后的主要研究方向.     

顾及地形特征的DEM脆弱水印完整性认证算法

针对目前DEM完整性认证的需求,以及相关认证方法的欠缺,基于脆弱水印技术提出了一种充分顾及DEM地形特征的完整性认证算法.本文对DEM数据进行特征分析,进而提出与其相适应的脆弱水印技术的特殊要求.为了减少水印嵌入对载体数据的影响,在脆弱水印嵌入过程中,首先,提取DEM数据特征线,并依此将数据分为特征区域和非特征区域2部分;然后,根据特征区域的栅格数和水印序列段生成脆弱水印,并以LSB位平面替换的方法,将水印信息嵌入到非特征区域部分.在完整性认证过程中,同样提取DEM数据的特征区域,将重新生成的水印信息与提取的水印信息进行对比,从而判断数据的完整性.算法实验结果表明,其能有效认证DEM数据的完整性,对数据影响较小,且算法安全性和适用性较强.     

空间数据的增值--以数字地形分析为例

地理数据库的日益普及和空间数据的广泛传播使得过去由于数据的限制难以推广普及的地理信息技术有了一个崭新的发展空间。然而,目前大多数的实际应用仍停留在“数据”的层面,基本忽略了对数据本身内容的挖掘或“信息”提取,因而难以实现较高的数据应用效益和空间数据增值。本文以数字地形模型和数字地形分析为例,讨论空间数据的增值应用,通过利用地形分析技术从单纯的数字高程数据提取实际应用中急需的地形参数和地形特征信息,籍此说明空间数据增值应用的概念和内容。     

基于DEM榆社盆地社城小流域的地貌分析

数字高程模型(DEM)是地理信息系统进行地形分析的基础数据,而地貌学研究的重要内容之一是地形分析,主要包括高程剖面分析,坡度、坡向分析以及沟壑密度、切割深度、起伏度、流域分析等。本研究以榆社地区社城小流域为例,以1:50000扫描地形图为基础资料,建立DEM模型。基于DEM进行坡度、坡向、起伏度分析,得到相应的统计数据;经过水文分析得到无洼地DEM、水流长度、汇流累积量、河网等数据。由此分析研究区地貌类型特征、地貌成因、河流的发育情况等,为研究区农业生产规划、灾害预测和防治等提供相关资料。     

DEM分辨率与平均坡度的关系分析

由DEM提取坡度时,DEM分辨率的变化会造成局部栅格提取的坡度数值的变化,其变化规律对于深刻理解平均坡度,随DEM分辨率的变化而变化的规律具有现实意义。在黄土高原的研究中,选择了8个典型地貌类型的样区,获得了以1:10 000比例尺地形图为数据源的DEM(分辨率为5 m)。从DEM分辨率对栅格坡度影响规律的分析中,得到如下结论:(1)随着DEM分辨率粗略化,所提取的坡度平均值有可能升高;(2)在所有样区,随DEM分辨率粗略化,负误差的栅格均是正误差的栅格数量的1.13倍以上,保持负误差的栅格是保持正误差的栅格数量的1.81-4.04倍,同时坡度的负误差均值是正误差均值变化幅度的3.1倍以上;(3)结合结论(2)和本文提出的指标,可准确地解释8个样区中坡度平均值随DEM分辨率变化而变化的规律;(4)DEM的分辨率对正负误差的栅格数量没有明显影响,正误差(或负误差)栅格均集中于个别坡度的分级区间,而DEM分辨率对此集中的区间没有明显影响;(5)坡度总体误差可根据本研究所提出的经验公式由DEM分辨率和分辨率为5 m的DEM所提取坡度的平均值计算出来。     

黄土高原丘坡信息DEM提取算法的应用

选择代表黄土地貌类型(丘陵沟壑区、梁峁区、高原丘陵过渡区)的75个样区(每个样区约4km²),以1∶1万水平分辨率为5m的DEM为研究对象,研究不同算法对提取地面坡度精度的影响。采用6种不同算法分别提取坡度。运用方差分析,对比分析,排序分析等方法,通过比较不同算法所提取坡度矩阵的平均值、最大值、标准差,以及坡度中误差等指标,认为在黄土丘陵沟壑区3类地貌类型区域如果整体考虑坡度的以上指标时选用三阶反距离平方权差分算法较为合理。在黄土高原沟壑区与丘陵沟壑区交错过渡地带也可以选用算法4提取坡度。同时,根据水土保持工作实际生产部门需要,提出并实现了对坡度信息评价时须分级别进行的思路。研究认为,在黄土丘陵沟壑区域相同的地貌类型区,算法对所获得的相同的坡度级别面积影响是不同的,并且规律不相同。在前述三种地貌类型区域,如果需要获得坡度分级面积信息,使用三阶反距离平方权差分算法和三阶反距离权差分最为理想。由于简单差分算法小于其他算法提取坡度所涉及的区域单元大小,不适宜在本区域使用。     

ArcGIS环境下DEM的坡长计算与误差分析

坡长是水土保持、土壤侵蚀和环境评价等研究中的基本因子。在GIS环境下,坡长的提取是基于格网DEM进行的,其结果受到DEM精度、DEM结构、流向提取算法和栅格距离计算方式的影响。在确定分辨率和精度的DEM下,坡长计算误差主要来自流向提取算法和栅格距离计算方式。本文对这两种DEM坡长计算误差源进行了详细的分析,指出集成到ArcGIS软件中的坡长计算模型D8存在较大缺陷,尽管栅格距离计算方式对坡长影响最大误差为8.9%,并可通过统计方式实现整体坡长的修正,但D8算法的单流向特性使得水流方向变得确定和不连续,进而导致坡面单元坡长产生较大误差,因此,利用D8算法进行数值模拟计算需要考虑其精度问题。同时应提高坡长计算的准确性,需要发展更为完善的流向计算方法和坡长计算模型。     

基于DEM与DLG的福建省地貌形态自动分类

以福建省1:10万的DLG(Digital Line Graphic,数字线划图)和DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)为基础,在ArcGIS软件支持下,依据坡度和面积组合指标,将福建省地貌形态单元分为平缓地和山丘地;提取地形图中水系与等高线的高程点交集,构建了福建省地方相对基准面,并以流域水文分析方法提取了山丘地地貌形态实体单元;把平缓地和山丘地貌形态实体单元分别与地方侵蚀基准面叠加,参照"中国1:100万地貌制图规范",将福建省地貌形态类型分为平地、台地、低丘、高丘、低山、中山。研究结果表明:该方法符合福建传统地貌分类体系,能够较好快速实现平缓地与山丘地、平地(平原)与台(阶)地的自动划分,有效地提取山丘地貌形态实体单元的界线。     

基于DEM小流域复杂网络的黄土高原地貌自动识别研究

地貌识别,对于人类建设,地质构造研究,环境治理等相关领域都有着重要意义。传统的基于像素单元或面向对象的地貌识别方法存在局限性。由于流域小单元具有表面形态的完整性,在地貌演化中具有明确的地理意义,基于流域小单元的地貌识别成为了该领域的一个新热点。然而,基于传统地形因子的地貌识别方法使用的因子往往较为单一或者在地学描述上存在重复性,目前尚无针对流域小单元进行空间结构描述和拓扑关系特征量化的地貌识别研究。基于此,本文基于DEM进行水文分析并通过坡谱方法解决了小流域稳定面积难以确定的问题,在黄土高原样区提取了181个稳定小流域。根据复杂网络理论和地貌学原理提出了流域加权复杂网络的概念和相应的8个定量指标用于流域空间结构的模拟和量化描述。最后采用了基于决策树的XGBoost机器学习算法进行地貌识别,实验对于黄土高原主要地貌类型的识别显现出较好的效果,Kappa系数为86.00%,总体精度达到了88.33%。对于地貌形态特征明显的地貌,复杂网络方法其顾及空间结构和拓扑特征的特性导致了其较高的识别性能,精度和召回率都在90%～100%之间。通过与前人的研究进行对比,其识别结果亦呈现出较高的精度,这些...     

面向地形特征的DEM与影像纹理差异分析

纹理分析方法在宏观地形特征分析方面具有较大的优势与潜力,但当前缺少对DEM与影像数据纹理特征差异的系统分析研究.本文采用灰度共生矩阵为纹理量化模型,选取了8个不同地貌单元的样本数据,对DEM和遥感影像2类数据的纹理进行了特征值对比分析,纹理特征稳定性分析,纹理特征组间差异性分析.实验结果表明,在所测试的二阶角矩,对比度,方差,熵4个纹理指标中,DEM和影像的对比度特征值间具有显著的相关性;通过不同地貌样区纹理特征值对比分析发现,DEM数据在地形起伏较大区域纹理特征更为明显,遥感影像数据则受地表覆盖物影响较大;从地形特征的稳定性角度分析,DEM数据在丘陵和山地分析有优势,影像数据则在平原和台地分析表现更好;从地形特征差异性角度分析,DEM数据要优于影像数据.进一步采用光照模拟和坡度数据以增加DEM纹理信息,研究结果表明,DEM派生的2类数据在地形量化差异性方面改进明显,并大大优于影像数据.     

面向城市平原地区暴雨积涝汇水区分级划分的方法研究

汇水区划分是分布式水文模型计算的基础。针对现有方法使用DEM在平原城市地区划分的汇水区不符合实际地形情况,本文提出了一种面向城市平原地区分级划分汇水区的技术方法。该方法从城市用地分类角度出发将城市分为中心城区和郊区,依据城市排水主干水系进行汇水区一级划分,将影响中心城区和郊区的不同径流因子分别融入DEM中,利用细化的DEM进行二级汇水区划分;在此基础上,根据实际汇流情况,结合Voronoi图,对中心城区进行三级划分,最后通过GIS技术进行修正。该方法既结合了传统DEM生成子流域的算法,又融入了城市区域地物地貌特点,能更好地满足城市地区的需要。选择上海市嘉定区西北部地区为实验样区,利用该方法进行汇水区划分比较表明,其对于城市平原地区具有很好的适用性。     

关于城市基础空间数据地理信息分类编码的探讨

在“数字城市”建设如火如茶的今天,城市基础地理信息分类编码的制定成为激烈探讨的话题。文中以作为“数字杭州”建设的一部分——在杭州市基础空间地理信息系统建设过程中,杭州市基础地理信息分类编码方案的制定为例,探讨了城市基础地理信息分类编码体系建立的重要性、编制原则、编制特色与应用等技术问题。     

桂林-阳朔地区DEM地形特征与岩性相关性分析及分类研究

地形地貌是岩性解译的重要信息,地形因子作为描述DEM数字曲面几何特征的定量指标参数,可用来定量化表达不同岩性所在地区地形地貌特征。本文以桂林-阳朔地区为研究区,研究地形因子数学、地质意义,建立岩性与地形因子组合间的定量关联,进而实现岩石类型划分。本文基于ASTERGDEM提取坡度、起伏度等12个地形因子,在分析各个地形因子地质意义基础上,通过聚类分析及方差分析的多元统计分析方法,研究各岩性地形因子特性及其关联性,建立研究区岩性之间的定量差异;此外,利用因子分析方法研究岩性分类过程中的主导因素,确定适宜岩性分类方法以实现定量化岩性分类。实验结果表明：不同岩性、不同地形地貌的地形因子（组合）之间具有显著差异,基于因子分析得到的宏观地形复杂度指数（MTI）以及微观曲率指数（MCI）对岩石类型的分类精度达77.36%。研究表明,地形复杂度等地形因子可用于岩性分类,采用因子分析方法可获取反映地形地貌宏观、微观特征的定量指标,且岩性分类效果良好。     

DEM空间分辨率对毒气扩散模型模拟结果的影响分析

突发性毒气泄漏事故的频繁发生对市民的安全造成了极大威胁,有必要对常见毒气泄漏事故发生后的成灾模型进行探讨,以便从理论上指导应急部门实施应急救援行动。本文在研究和分析典型毒气泄漏扩散模型的基础之上,引入地形因子对原有毒气泄漏扩散模型进行改进,使之适应三维地形下的危化品气体扩散模拟,并将模型与GIS集成可视化,分析比较了模型修正前后气体扩散浓度的分布情况。在此基础上,进一步分析了DEM空间分辨率对毒气扩散浓度的分布影响,发现DEM空间分辨率对毒气浓度分布区域有一定影响,并分析了其影响原因。结果表明,加入地形因子的高斯烟羽模型比之前没有考虑地形因子的高斯模型计算要更加精确,更贴近现实状况;同时,DEM分辨率对改进后的高斯烟羽模型的模拟影响较大,选择适当分辨率的DEM能帮助应急部门在短时间内模拟出真实可靠的浓度分布区域,对毒气泄漏事故的应急有一定的实际参考价值和指导意义。     

顾及路网与轨迹多模特征的道路等级分类研究

道路等级不仅反映在路网结构的静态骨架信息上,也蕴含在轨迹数据呈现的动态语义信息上。为解决(OpenStreetMap)OSM路网部分路段及路网生成产品等级缺失问题,本文提出一种顾及路网与轨迹多模特征的道路等级分类方法。首先通过轨迹数据的清洗、地图匹配和基于路名的路网合并实现轨迹点与命名道路的联结;然后以命名道路为分析单元,综合考虑路网及轨迹数据,在系统分析路网结构的道路几何特征、道路分布特征、道路拓扑特征及道路单双向信息基础上,进一步挖掘与融合轨迹数据蕴含的道路宽度、道路车流量、道路速度等静动态特征,形成关于道路等级的描述特征集,作为识别道路等级的基础与依据;最后以随机森林(RF)为基本分类器进行特征选择及模型训练实现道路等级识别。为验证本文方法,选取武汉市汉正街区域及二环区域,基于OSM路网数据及众源轨迹数据开展试验。该方法取得了较好的分类结果,小范围汉正街区域的验证集准确率为91.2%,大范围二环区域的验证集准确率达到80.8%。与单类特征相比,集成路网与轨迹特征极大提高了道路等级分类准确率;与原始路段形式进行道路等级分类相比,以路名重构道路形式进行道路等级分类效果更好。     

DEM分辨率对地形纹理特征提取的影响

地形纹理是区分不同地貌形态的重要依据,DEM是地形纹理分析的重要数据。然而,DEM分辨率使地形纹理特征提取存在着不确定性问题。本文以具有显著地貌多样性与差异性的陕西省为例,选择6个不同地貌类型区为研究区,以25 m分辨率DEM数据作为信息源,构建了多尺度的地面坡度、光照模拟和粗糙度数据序列。在此基础上,引入空间灰度共生矩阵（GLCM）对地形表面纹理特征进行量化分析,以揭示数据分辨率对地形纹理特征提取的影响。研究表明：对于单一样区,在DEM及其3个派生数据中,原始高程数据和粗糙度数据的纹理参数特征值,对分辨率的变化较为敏感。对于不同的地貌类型区,二阶角矩和对比度这2个纹理参数具有最大的变异系数,表明它们对于区分不同地貌类型的能力最强;二阶角矩具有较大的尺度依赖性,随着分辨率的降低,其区分能力急剧降低,而对比度对于地貌的区分能力,则随着分辨率的降低而增强,并保持在一个较大的范围内。DEM数据的对比度对于不同地貌的区分能力,在所选4个参数中最为稳定,而粗糙度数据的二阶角矩区分不同地貌的能力,随着数据分辨率的变化而最不稳定。以上结果对于根据不同的研究对象选择适宜的DEM分辨率及地形纹理参数具有一定的指导意义。