DEM地形信息提取对比研究_以坡度为例

1、第 33卷第 5期2008年 9月测绘科学Science of Surveying and M app ingVol . 33No . 5Sep. 作者 简 介 :姜 栋 (19792 , 女 , 山 东 青岛人 , 在读硕士 , 地图制图与地理 信息系统专业 , 研究方向 :GI S 与遥感 应用 。 E 2mail:dandili on10171631com 收稿日期 :2007204228基金项目 :北京市教委科技重点项目 (编号 :05531830 ; 北京自然科学基 金资助项目 (基金号 :6032003 ; 北 京市属市管高等学校人才强教计划资 助项目 , PHR (I HLB D

2、 E M 地形信息提取对比研究 以坡度为例姜 栋 , 赵文吉 , 朱红春 , 张有全( 首都师范大学三维信息获取与应用教育部共建实验室 , 北京 100037; 山东科技大学地科学院 , 山东青岛 266510【 摘 要 】 由于 DE M 数据本身多尺度因素 , 加之地形 、 地貌特征具有宏观性与区域分异性的特点 , 直接的信息提取往往很难达到预期的目的 。 利用 DE M 制作坡度图高效 、 省力 , 但其精度有很大的不确定性 , 同时 DE M 制作过 程中的误差传播 、 转移对坡度信息的影响缺少系统的判断依据 。 选取位于陕北黄土高原上的两个不同地区作为实 验样区 , 在不同 DE M

3、 生产的基础上 , 以高精度的 1 10000DE M 为准值 , 通过对 1 5万和 1 1万 DE M 提取定量 地形要素的叠合 、 比较与统计分析 , 探讨具有不同地貌类型的区域 1 5万 DE M 提取地形信息的精度及其统计意 义上的数量百分比关系 。 【 关键词 】 数字高程模型 ; 坡度 ; 精度 【 中图分类号 】 P282 【 文献标识码 】 A 【 文章编号 】 1009-2307(2008 05-0177-03DO I:1013771/j 1issn 11009223071200810510631 引言近年来 , DE M 数据生产和分析方法方面取得了巨大进步 , 但是从不

4、同地形复杂度、 DE M 提取地形信息 , 及 DE M 的制图综合和 5万 地形图的 DE M , 利用此 DE M 复杂度及坡度组成均一化 , 由此提取的坡度无法真实反映实地 地形地貌。 研究 DE M 提取地面坡度的精度 , 探求不同空间尺 度坡度提取结果的精度对比 , 并能够得到由低分辨率到高分辨 率提取结果的转换关系 , 实现误差纠正 , 为广大用户提供基于 DE M 提取地面坡度的应用适宜性与结果可信性的基本判别标 准、 换算标准 , 十分必要 , 且相当紧迫。前人在 DE M 的建立 、 地形信息的提取及地形信息精度 方面的研究取得了显著成果 。 111 地形信息提取及提取精度分

5、析研究方面一些地形因子可以基于 DE M 求取 。前人从不同角度进 行地形因子方面的研究表明 :地形因子的求取可以有多种 算法 、 方法 。坡度和坡向是进行地形特征分析和可视化的基本因子 , 也是研究集水单元的重要因子 。 结合其他因子 , 坡度和坡 向可以在各个领域得到广泛应用 。 Fl orinsky (1998 不仅对 坡度 、 坡向的算法精度作了系统分析 , 而且进行了平面曲 率和剖面曲率方面的分析 。 提取坡度 、坡向的精度依赖于 DE M 数据精度 、计算方法和 DE M 分辨率及地形复杂度 。 前人研究成果表明 :高精度的 DE M 能提取精度相对高的坡度 、 坡度 、 DE M

6、 分辨率的增大 ; 。 , 坡度的减小在 DE M , 1 50000比例尺 DE M 所 、 地面曲率及沟壑密度均比 1 10000DE M 小 , 通过对不同比例尺 DE M 提取地面坡度精度的研究还建立了黄土丘陵区 1 50000与 1:10000DE M 的坡度转换对比 1, 13。 112 D E M 建立与 D E M 精度分析研究方面DE M 的建立 , 一般利用同比例尺地形图数字化获取高 程与平面数据 , 然后选择合适的内插方法构建 TI N , 再内插TI N 得到不同栅格分辨率的规则格网 DE M 2。前人在 DE M 建立方面的研究表明 :数字化获取的数据与野外实测数据

7、有较大的误差 , 地形图数字化过程中产生的误差影响 DE M 的精度 , 不同的数据模型 、不同的内插算法 、不同的空间 采样方法及不同的栅格分辨率均对 DE M 及其应用精度有不 同程度的影响 2。 Suhut (1972 很有深度地揭示了在 DE M 建立过程中不同内插技术和数字化过程中可能产生的误差 。 王光霞等人近来在 DE M 精度评估方法的研究与实践方面做 出了创新性的成果 3, 4。2 研究区概况本次研究在实验样区的选择上 , 遵循科学性 、 典型性 、 数据的可获取性和完整性以及实用性的原则 , 选取位于陕 北的黄土高原上的两个不同区域作为实验样区 , 它们分别 属于典型的黄土

8、丘陵沟壑区和黄土丘陵地形区 。样区一位于陕西省无定河中游左岸 , 属于典型的黄土 丘陵沟壑区代表流域 。样区内土壤侵蚀极为剧烈 , 土地类 型复杂 , 自分水岭至沟底可分为梁峁坡 、沟谷坡和沟谷底 三部分 。 梁峁坡坡面较完整 , 顶部较平坦 , 坡度多在 5°以 下 , 坡长 10m 220m; 梁峁坡上部 , 坡度多在 20°以下 , 坡 长 20m 230m; 梁峁坡中下部地形比较复杂 , 坡度在 20°230°之间 , 坡长 15m 220m 。样区二位于咸阳地区西北角 , 泾河上游右岸 , 地形属 黄土高原沟壑区 , 是陕北高原的一部分 。样区

9、自然特点是 :塬高 、 沟深 、 坡陡 , 水土流失以塬面周边的重力侵蚀为主 。 按其地形分为 :塬面 、沟坡 、沟谷 、河谷 (川道 四种类 型 。 其中塬面宽阔平坦 , 一般在 5°以下 , 是农业生产基地 ; 沟坡多为旧式台田 , 部分为耕地或牧草地 , 坡度为 10°230° 河谷均呈 “ V ” 字型 , 坡度为 40°270°, 陡峭破碎 , 侵 蚀剧烈 ; 河谷分布在泾 、黑 、南三河沿岸 , 坡度平缓 , 水 测绘科学 第 33卷 土流失轻微 , 灌溉条件较好 。3 不同 D E M 尺度下地形坡度提取311 数据获取与预处理本

10、次研究所需的基于 1 50000地形图的 DE M 数据来源于目前已完成的覆盖全国的 DE M 数据库 ; 基于 1 10000地形图的 DE M 数据是按照国家标准和操作规范 , 通过扫描矢量化 1 10000地形图等高线 , 利用线性内插法建立起来的高精度 DE M 。 线性内插法是被广泛使用的一种方法 , 之所以选择它是因为 : 该方法计算公式简单 , 易于实现 ; 对于大比例尺的数据进行内插 , 相比其他方法计算量相对较小 ; 精度能满足本研究的要求 。这两种 DE M 的建立过程中原始地形图图廓点都经过精密的几何坐标纠正 , 保证了其图廓点的准确套合 , 并受到大地坐标的控制 。这些

11、处理保证了最后两种 DE M 的配准套合 。研究所采用的 1 10000DE M 数据成于 1 10000比例尺地形图 , 数据的水平栅格分辨率为 5m ×5m, 这样的高精度数据能够比较真实的反映不同地貌类型区的地形特征 , 利于精确提取地形信息和比较区域之间的差异和分布规律 。 1 50000DE M 数据的水平栅格分辨率为 25m ×25m 。两个实验样区的 DE M 数据概貌如图 14所示 :312坡度提取算法研究地面坡度 (Sl ope 可以表述为 :地面某点的坡度是过 该点的切平面与水平地面的夹角 , 是高度的变化的最大值 比率 , 表示了地表面在该点的倾斜程度

12、 。地面坡度实质是 一个微分的概念 , 地面每一点都有坡度 , 它是点上的概念 , 而不是一个面上的概念 。 如图 5所示 (Shary, 1991 。图 5地表单元坡度 、 坡向示意图目前常用的是二阶差分和 三 阶 反 距 离 平 方 权差分 5。窗口在 DE M 数据矩阵中连续移动后完成整个区域的计 算 工 作 。在 3×3的DE M 栅格窗 口 中 , 如 果 中心栅格是 No Data 数据 , 则此栅格的坡度值也是 No Da 2ta 数据 ; 如果相邻的任何栅格是 No Data 数据 , 它们被赋予 中心栅格的值再计算坡度值 6, 12。313对两个实验样区 DE M

13、:图 6 样区图从图 6幅图中数据的对比分析可以看出 , 以不同比例 尺的底图为基础所生成的 DE M 因制图综合和空间分辨率两 种主要因素造成基于 1 50000地形图空间分辨率为 25m 的 DE M 对地形复杂度和地面坡度的均一化趋势 。871 第 5期 姜 栋等 DE M 地形信息提取对比研究对以上两个样区的坡度图进行以 3°分级的查询 。实验首先对 1:50000的坡度图进行 0°3°、 3°6°、 6°9° 42°45°、 45°90°的分级查询 。 然后对每一级查询出的信

14、息图与 1:50000的坡度图进行套合 。将套合后的图再按 0°3°、 3°6°、 6°9° 42°45°、 45°90°进行重分级 。 百分比统计结果如图表所示 :314 结果分析对比实验结果显示 , 样区一在低坡度分级内坡度查询结果失真较小 , 随着坡度的增加失真程度也开始增加 , 但从15°218°分级之后 , 失真程度又有所降低 , 从 30°233°分级之后主要集中在 45°以上的高坡度 ; 样区二分级查询结果较样区一失真程度小 , 基

15、本上分布在查询坡度内 , 从 30°233°分级之后与样区一 一样 , 都是集中在 45°以上的高坡度中 。4 结论与展望在同一地貌类型内 , 地形起伏的特征表现了相当程度的空间自相关性 , 这是坡度对比之所以存在的根本原因 。从两个实验样区的坡度转换对比 , 可以看出不同的地貌类型条件下对应的坡度转换既有共同点 , 又有不同的特征 。这主要由以下三方面因素所致 。1 建立 DE M 的地形图底图比例尺不同 7, 11 。图 112 DE M 空间分辨率不 同 。,M况 。 横轴表示 DE M 空间分辨 率 , 曲线表示实际地形 , 折线表示 5m 分辨率对地面坡

16、度的描述 , 虚线表示 25m 分辨 率对地面坡度的描述 。 可以清楚看出 25m 分辨率 DE M 显示 的平缓地表实际上包括了大量的起伏 。3 地形复杂度 。在一定意义上说 , 前两个因素对两个样区的作用是相 同的 , 但得到的各个样区的坡度转换对比还是有差异的 。 这主要是地形地貌特征的不同造成的 。样区一属于黄土丘 陵沟壑区 , 间或有梁峁分布 。 地形较为破碎 , 坡度变化比 较大 。 样区二多破碎塬 , 塬上黄土高原经过现代沟谷分割 后存留下来的高原面 , 是侵蚀轻微而平坦的黄土平台 , 是 高原面保留较完整的部分 。塬面平均坡度多在 5°以内 , 地 面倾斜度大 。 塬

17、地周围沟道密布 , 塬高沟深 , 在切沟和冲 沟的陡壁多为 70°290°。本研究从国家基础空间数据库中得到目标区域的基于 1 50000地形图 25m 空间分辨率的 DE M, 利用 GI S 软件提取 DE M 的地面坡度并遵循水土保持工作普遍采用的临界坡度 分级标准对提取的坡度进行分级 , 得到 1 50000DE M 的各 个级别在该区域的百分比 ; 然后利用坡度转换对比对每一 级别 进 行 转 换 , 即 按 照 坡 度 转 换 对 比 中 各 列 对 应 的 1 10000DE M 的各坡度级别的百分比进行转换与计算 , 然 后将转换后得到的坡度按 1 1000

18、0的坡度分级级别分别相 加 , 最终得到地面坡度各个级别在整个区域分布的百分比 , 比较真实地反映实际地面坡度的分布情况 。参考文献1汤国安 , 等 . 对 DE M 地形定量因子挖掘中若干问题 的探讨 J .测绘科学 , 2003, 28(1 .2李志林 , 朱 庆 . 数字高程模型 . 武汉 :武汉测绘科 技大学出版社 , 2000.3王光霞 , 张寅宝 , 李 江 . DE M 精度评估方法的研究 与实践 J .测绘科学 , 2006, 31(3 .4王光霞 , 朱长青 , 史文中 , 等 . 数字高程模型地形 描述精度的研究 J .测绘学报 , 2004, (2 .5汤国安 , 陈楠

19、, 刘咏梅 . 黄土丘陵沟壑区 1 1万及 1 5万比例尺 DE M 地形信息容量对比 J .水土保 持通报 , 2001, 21(2 .6鲁学军 , . M.北 京 :, .7.北京 :高等教 , .8误差检测与改正方法初探 J .测绘科 , 1998, (4 .9朱庆 , 李志林 , 龚健雅 . 论我国“ 1 1万数字高程模型 的更新与建库 ” J .武汉测绘科技大学学报 , 1999, 24(2 .10杨族桥 , 郭庆胜 , 牛冀平 . DE M 多尺度表达与地形 结构线提取研究 J .测绘学报 , 2005, 34(5 . 11傅乐元 . 数字地形模型极其地形分析法 J .遥感 信息

20、, 1996, 20(2 .12MARTZ, La wrence W , G ARBRECHT, Jurgen . An outlet breaching algorith m f or the treat m ent of cl osed de 2 p ressi ons in a raster DE M J .Computers &Geosci 2 ences, 1999, 25:8352844.13NACK AERTS, Kris, G OVERS, Gerard . Accuracy as 2 sess ment of p r obabilistic visibilities

21、J .I N T. J . GE O 2 G RAPH I C AL I N F OR MATI O N S C I E NCE, 1999, 13(7 . 14L iu, Hongxing , JEZEK, Kenneth C . . I nvestigating DE M Err or Patterns by D irecti onal Vari ogra m s and Fou 2 rier Analysis J .Geographical Analysis, 1999, 31 (3 .15DAM I R L. Esti m ating relative lidar accuracy i

22、nf or mati on fr om overlapp ing flight lines J .I SPRS Journal of Pho 2 t ogra mmetry and Re mote Sensing, 2002, 56(4 .Co m par ison of l andfor m i n for ma ti on extracted fro m D E M s -A ca se study of slopeAbstract:W ith regi onal variati on and macr oscope of landf or m s, it is much more dif

23、ficult t o extract inf or mati on fr om multiscale DE M data . A s a result the inf or mati on, which was extracted directly fr om DE M s, could hardly satisfy our ai m s . U sing DE M t o drive sl ope could save ti m e and labor, but its p recisi on is very uncertain . There was a lack of syste mat

24、ic standard for judging the err or p r opa 2 gati on and transf or mati on, which has come al ong the p r oducti on . This research chose t w o different regi ons (l oess p lateau of North Shaanxi Pr ovince as test areas . Based on different DE M p r oducti on p r ocess and t ook the 1:10000scale DE M as tr