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。     

黄土沟谷特征点簇及其空间结构模型研究

对黄土沟谷形态结构和发育演化起核心控制与标定作用的,是一系列具有自组织结构的特征点集。针对该特征点集,提出黄土沟谷特征点簇的概念,对其组织要素和基本特征进行了分析;研究创建一种采用非结构化、且能够有效表达拓扑结构与空间信息的黄土沟谷特征点簇空间结构模型;对基于DEM数据获取的一个典型黄土小流域沟谷特征点,运用创建的点簇模型建立了具体的黄土沟谷特征点簇;最后,以点簇中的特征点追溯查找为例,验证了所创建的黄土沟谷特征点簇的应用价值。     

基于DEM的山地总辐射模型及实现

总辐射状况是决定山地气候的主导性因子。山区地形条件复杂,总辐射分布差异显著,为了便于研究山区总辐射的地域分布规律,该文建立了一种基于DEM模拟山区总辐射的方法,通过提取数字坡度模型、数字高度模型以及地形遮蔽度模型等信息,并采用多层面复合分析的方法,建立了山区直接辐射、散射辐射以及总辐射的数字模型。实验证明,太阳总辐射及其分量在山区中有很强的地域分布规律。该方法采用的DEM精度高,能够精细地反映太阳辐射的地区分布差异,为山地气候资源调查与利用、生态环境建设乃至精细农业的实施提供重要依据。     

基于DEM的坡度坡向误差空间分布特征研究

研究DEM误差和坡度坡向误差的关系,澄清目前关于坡度坡向误差空间分布的矛盾观点,明确指出基于DEM提取的坡度坡向误差主要分布在平坦地区,并通过实验对结论进行验证,所得结论对实际工作有一定的指导意义.     

地理空间分析与制图的数据整合策略和方法

地理信息系统(GIS)的地学分析与计算机地图制图(CAC)是地理空间数据应用不可分割的两个方面。但GIS与CAC在地理空间数据的需求上存在冲突,导致两者间数据无法充分共享,直接造成数据的重复采集和浪费。本文从数据、软件系统和地图符号库的综合实施方案出发,初步探讨了地理空间数据整合的策略与方法。研究结果表明,基于辅助线的传统整合方法极大地增加了地理数据建库与更新的难度,而将人工智能技术、专家系统与主制图型或者主分析型数据方案结合起来,才有助于实现GIS与CAC在数据及系统功能上的真正融合。     

我国区域地貌数字地形分析研究进展

区域地貌研究是区域地理研究不可分割的重要组成部分。传统的基于DEM的数字地形分析方法,虽能较好提取各种地形定量因子,但由于分析算法的局限,很难实现对一个特定区域地貌的宏观形态特征与成因机理进行定量的分析。为此,近年来我国学者在该领域进行了系统的探索与创新实践,基于国家基础地形数据库多尺度、高精度的DEM数据,开展了基于DEM的区域地貌形态特征、地貌发育演化特征的研究。通过宏观形态指标分析法、地形特征要素分析法、地形信息图谱分析法等一系列方法,实现了对区域的地貌形态特征提取与分类、分区制图,取得了一批有重要国际影响的研究成果。在全国尺度以及黄土高原、青藏高原、西南喀斯特地区和月表月貌的区域数字地形分析方面,更彰显出研究的特色和优势。     

DEM提取黄土高原地面坡度的不确定性

选择陕北黄土高原6个典型地貌类型区为试验样区,采用野外实测及高精度的1:1万比例尺DEM为基准数据,研究栅格分辨率及地形粗糙度对DEM所提取地面平均坡度精度的影响。结果显示,对于1:1万比例尺DEM,5 m是保证该地区地形描述精度的理想分辨率尺度;多要素逐步回归模拟的方法进一步揭示了DEM所提取的地面平均坡度误差E与栅格分辨率X以及地形起伏的代表性因子-沟壑密度S之间存在的量化关系为E = (0.0015S2+0.031S-0.0325)X-0.0045S2-0.155S+0.1625,该结果也为确定适用的DEM分辨率提供了理论依据。     

面向地貌学本源的DEM增值理论框架与构建方法

数字高程模型（DEM）在表达地貌形态、认知地表过程、揭示地学机理等研究中发挥着基础性的作用,是重要的地理空间数据模型,广泛地应用于地学分析与建模中。但是,传统DEM具有属性单一的天然缺陷,难以支撑面向地学过程与机理挖掘的地球系统科学研究。亟待在传统DEM的基础上实现其数据模型的增值,服务于新地貌学研究范式和新对地观测技术背景下的数字地形建模与分析。立足于以上问题,本文构建了DEM增值的理论框架,主要包括DEM增值的概念、内涵、内容、类别、不同增值类别之间的相互关系,以及此理论框架的研究意义和应用范畴。提出了DEM增值的构建方法,包含：① 强调地上地下一体化、时间空间相耦合的DEM空间维度和时间维度增值方法;② 重视地下、地表和地上物质构成,形态属性耦合的物质属性和形态属性增值方法;③ 顾及自然过程、人工作用的地物对象、地貌形态的地物要素和形体要素增值方法。最后,分别以数字阶地模型、数字坡地模型和数字流域模型为例,阐释DEM在面向地貌学本源问题时的不同增值方法及应用场景。期望通过对DEM进行维度、属性和要素3个层面的增值,实现现代对地观测技术背景下数字高程模型表达方法的突破,并支撑知识驱动的数字地貌问题分析。     

立体化教学模式的GIS国家级精品课程建设

GIS课程是一门集理论、方法、技术与应用于一体的综合性课程,需要学生掌握多个学科的基础知识与应用技能,知识更新快,教学难度大,传统的单一课堂教学方法已不能适应当前GIS课程的需要。主要探讨南京师范大学GIS国家级精品课程建设的立体化教学模式的基本思路、方法与应用。     

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.