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。     

基于DEM的任意方向坡度计算方法

坡度是数字地形分析中重要的地形因子,在水文分析、土壤侵蚀模拟、地貌类型划分等地学分析及工程上均有广泛的应用。由于地形的各向异性,坡度在各个方向上并不相同。目前,基于DEM所提取的坡度,均是位于最陡方向上的坡度,而任意给定方向坡度计算是地学分析和工程应用中较为常见的问题。在对目前DEM坡度提取算法研究的基础上,通过数学分析,给出了格网DEM上任意方向格网点的坡度计算模型和计算流程,并给出了相应的计算实例,从而将坡度计算模型从特定方向推向任意方向,使DEM坡度计算更具普适性。     

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.     

2006年云南盐津5．1级双震的监测与研究

利用2006年云南省盐津两次5.1级地震现场流动台网的近场地震监测资料,结合云南区域地震台网地震波资料进行精确定位,给出了盐津地震主、余震的震源参数,并分析讨论了这两次地震的震源过程.结果显示,这两次地震处于同一构造区,发震构造为NE向断裂,主破裂走向约N53°E,倾向NW,倾角约80°,断层性质为走滑型.断层破裂长度约9 km,宽度约3 km,破裂面深度3～9 km,断层走向与宏观等震线长轴方向基本一致.震源参数研究表明,盐津震区地震矩为109～1016 N·m,震源破裂半径为90～300 m,应力降为0.000 2～32 MPa.高应力降地震事件主要发生在5～10 km深度范围内,表明该深度区是盐津地震的主要活动区.定位结果还显示,第1次地震的破裂面在深度7～9 km之间为余震空白区,认为该空白区是盐津地震主破裂面上的障碍体,第2次地震将障碍体贯穿.地震破裂面障碍体的存在是盐津震区发生两次地震的主要成因,说明地震空白区图像对地震预测具有十分重要的意义.     

2007年宁洱6.4级地震研究

根据云南宁洱地区地质构造、 历史强震资料、 云南监测中心区域台及现场流动台数字化观测台网测定的2007年宁洱6.4级地震序列资料及1970年以来宁洱地区6级地震序列等, 深入分析研究了宁洱地区中强地震活动规律、 宁洱6.4级地震的余震时空展布以及参数变化等特征, 并利用2007年宁洱6.4级地震地震现场数字化观测流动台测定的余震波资料研究了该序列地震波动力学特征。 研究结果认为, 宁洱6级地震活动在空间上具有较高的原地重复性, 在时间上具有强弱交替活动的韵律; 2007年6月3日宁洱6.4级地震的余震展布方向与穿过震区NW向宁洱断裂的走向大致一致, 宁洱6.4级地震可能是由无量山断裂活动构造加剧所引起;根据2007年6月3日宁洱6.4级地震序列及历次宁洱6级地震序列时序发展特征分析研究得出, 宁洱6.4级地震序列能量主要集中在震后3天内释放, 4.9级以上余震发生在主震当天, 地震序列早期参数和3.0级以上余震的垂直方向P波最大振幅与S波最大振幅非线性关系等显示, 宁洱6.4级地震序列具有较明显的主-余震型特征。     

2002年腾冲火山区微震观测

20 0 2年 6月 13日至 9月 13日腾冲火山区流动数字化地震台网记录了腾冲火山区及周边地区的 2 92次地震事件。对资料的初步分析表明 ,在本次观测期间 ,腾冲火山区南部地区火山地震活动仍然频繁 ,以微震为主。选用发生在火山区的 33个地震震源参数计算得出的拐角频率为 4 37～11 87Hz、应力降为 0 0 0 5～ 0 2 77MPa ,显示该区域尚属低应力分布区。S波湮灭图像的再次出现 ,充分表明在腾冲县城西南至热海的马鞍山火山、老龟坡火山一带有岩浆囊熔融体存在的可能 ,深度不超过 10km。文中还展示了台网记录到的S波湮灭、微破裂高频地震、波形特征类似火山颤动 (包络型事件 )的图像     

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。     

栅格DEM微地形分类的卷积神经网络法

针对传统规则化知识的栅格数字高程模型(digital elevation model,DEM)微地形分类方法自动化程度低、分类不完全等缺陷,构建了一种适用于栅格DEM微地形自动分类的卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)模型.借助该模型具有自动深入学习样本数据和挖掘隐含分类信息...     

基于语义认知的地形建模

针对当前地形建模注重渐变地形与地形几何特征(点、线)的表达,缺乏从整体形态上对地形的描述,该文提出将语义信息引入地形建模的方法。从地形建模的认知过程出发,引入"地形语义"描述地形的整体特征,剖析了地形语义的特点,实现了地形语义的形式化表达,设计了语义参与的建模流程,建立原型系统进行了实验。实验表明,地形语义信息作为数据源参与的地形建模能够保留一个地形区域的语义特征,提高了DEM的保真度,该方法进一步拓宽了地形建模数据源,为地形建模及其应用提供了新的思路与方法。