gis-数字地形分析

数字地形分析及特征提取基本地形因子计算

坡度、坡向、曲率、粗糙度

面积、体积

地表日照度地形特征提取

沟脊值提取

水文分析

可视性分析主要内容地形因子的分类地形因子微观因子宏观因子坡度坡向坡度变率坡向变率平面变率剖面变率剖长剖型因子地形粗糙度地形起伏度高程变异系数地表切割深度地形因子姿态因子坡度坡向坡形因子宏观上的坡形因子坡面变率因子坡面曲率因子坡长因子径流坡长整体坡长坡位因子正地形坡位（沟涧地）负地形坡位（沟坡地、沟底地）坡面复杂度因子地形起伏度地表粗糙度地表切割深度高程变异系数地形因子的分类提取地形因子的基本方法先将地形的形态特征或各个坡面因子进行定量化描述，完成求导的数学模型，在此基础上建立其以DEM为基本信息源进行提取的技术路线，并通过软件形成一套易于计算机操作的方法因子提取方法应遵循地貌形态学与地貌成因学的基本理论DEM数据在表象上首先反映的是地面的海拔高程信息，更深层次的地形信息需要通过对高程的空间分布特征的提取，或更高层次地形要素的解算获得。更复杂的还需通过统计分析、数模构建获得微观因子通常以DEM格网数据的空间矢量模型为基础。通过空间向量的差分运算完成；宏观因子一般通过移动分析窗口的方法完成。信息源的尺度特征会影响坡面因子的提取精度。坡度（Slope）：过地表一点的切平面与水平面的夹角。坡向（Aspect）：地表面上一点的切平面的法线在水平面的投影与该点的正北方向的夹角。联系与区别：都是点位参数，只有理论意义，不具备地理意义。坡度坡向描述描述地表面在该点的倾斜程度。描述该点高程值改变量的最大变化方向。作用影响地表物质流动与能量转换的规模与强度，制约生产力空间布局。决定地表面局部地面接收阳光和重新分配太阳辐射量的重要地形因子，直接造成局部地区气候特征差异，影响各项农业生产指标。SlopeAspectxZY基本地形因子计算——坡度、坡向坡度指标地形表现<3°平坦平原、盆地中央部分、宽浅谷地底部、台面3°~5°山前地带、山前倾斜平原、冲积、洪积扇、浅丘、岗地、台地、谷地等5°~15°山麓地带、盆地周围、丘陵15°~25°一般在200到1500米的山地中25°~30°大于1000米山地坡面上部（接近山顶部分）30°~45°大于1500米山体坡面上部>45°地理意义的垂直面坡度地理意义坡向地理坡向俗称0°±22.5°北N阴坡45°±22.5°东北NE半阴坡315°±22.5°西北NW90°±22.5°东E270°±22.5°西W135°±22.5°东南SE半阳坡225°±22.5°西南SW180°±22.5°南S阳坡不存在不存在平地注：适用于南半球，北半球则正好相反N=0°NE=45°E=90°SE=135°S=180°SW=225°W=270°NW=315°坡向地理意义e5e2e6e1ee3e8e4e7坡度：Slope为坡度，Aspect为坡向，Slopewe为X方向上的坡度，Slopesn为Y方向上的坡度。Slopewe、Slopesn的计算如下：坡向：方法1：方法2：基于规则格网的坡度、坡向计算坡度：坡向：SlopeAspect基于不规则三角网的坡度、坡向计算坡度、坡向应用1．坡度选择。坡度和坡向对果树生长发育有一定影响。同一坡向不同坡度，对温、热、水分都有不同程度的差异。如南坡，10度坡太阳直接辐射量为平地的116％，20度坡为130％。表土的含水量，5度坡为52．38％，20度坡为34．78％，随坡度增大而降低。土壤冻结深度，5度坡在20厘米以上，15度坡则为5厘米，但坡下低洼地冷空气沉积，坡顶则寒冷，不易栽培。选择葡萄栽培的适宜坡度5度～20度的斜坡地为好，15度坡最为合适。2．坡向选择。坡向不同，光照、湿度、热量、风量也不同。一般南坡、东南坡、西南坡，所获得太阳光热量大。北坡、东北坡，西北坡，则较冷凉。南坡与北坡近地面20厘米处气温平均相差0．4℃，80厘米深土层，南坡比北坡地温高4℃～5℃。葡萄喜光、喜温，以选择南坡为宜。但南坡温、湿度变化较大，水分蒸发量大，融雪、解冻比北坡早，因此必须加强水土保持工程。由于山地地势非常复杂，南、北方气候差异悬殊，但在中纬度的低山区，北坡水分蒸发量少，土壤墒情好，植被密生，土质较肥沃，土层较深厚，也能栽培葡萄树。葡萄种植的地形条件1、纬度和海拔：世界上大部分葡萄园分布在北纬20-52度之间及南纬30-45度之间，绝大部分在北半球。海拔高度一般在400-600米。中国葡萄多在北纬30-43度之间海拔的变化较大，约200-1000米，河北怀来葡萄分布高度达1100米，山西清徐达1200米，西藏山南地区达1500米以上。纬度和海拔是在大范围内影响温度和热量的重要因素。

2、坡向和坡度：在大地形条件相似情况下，不同坡向的小气候有明显差异。通常以南向（包括正南向、西北向和东南向）的坡地受光热较多，平日气温较高。坡地的增温效应与其坡度密切相关。一般坡地向南每倾斜1度，相当于推进1纬度。受热最多的坡地角度约为20-35度（在北纬40-50度范围）。葡萄因较耐干旱和土壤瘠薄，可以在相对不大范围内发育根系，所以比其它果树更适宜在坡地上栽培，然而坡度越大水土流失越严重，因此，在种植葡萄时应优先考虑坡度在20-25度以下的土地。

3、水面的影响：海洋、湖泊、江河、水库等大的水域，由于吸收的太阳辐射能量多，热容量较大，白天和夏季的温度比陆地低，而夜间和冬季的温度比内陆高。因此，临近水域沿岸的气候比较温和，无霜期较长。临近大水面的葡萄园由于深水反射出大量的蓝紫光和紫外线，浆果着色和品质好，所以选择葡萄园时尽量靠近大的湖泊、河流与海洋的地方。

坡度、坡向应用坡度是评价耕地质量的主要指标，也是衡量土地利用是否合理的一个关键因子。借助地理信息系统、3D技术，准确分析耕地坡度信息，对土地调查具有重要意义。第二次全国土地调查耕地坡度分类图制作流程读入源数据按县级行政区拼接是否剪切？分块DEMDEM生成坡度坡度图重新分类参数：坡度分级表坡度分级栅格图转换为矢量格式坡度分级矢量图矢量数据编辑,去除细碎多边形,边界光滑二调：精度参数坡度分级图土地利用图斑数据耕地坡度分级图图幅整饰中间成果成果

定义：地形曲面在各个界面方向上的形状，凹凸变化的反映，是平面点位的函数。反映了地形结构和形态。影响着土壤有机物含量的分布，在地表过程模拟、水文、土壤等领域有着重要的应用价值和意义。基本地形因子计算——曲率定义：反映地表起伏变化和侵蚀程度的指标。一般定义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比。粗糙度是能够反映地形的起伏变化和侵蚀程度的宏观地形因子，是衡量地表侵蚀程度的重要量化指标。基本地形因子计算——粗糙度S为曲率，AreaS为格点面元趋势面面积，AreaH为格点面元面积。粗糙度计算定义：实现步骤：实际应用时，当分析窗口为3*3时，可采用以下公式近似计算。1、根据DEM提取坡度因子S；2、粗糙度：R=1/cos(S)

基本规则格网的粗糙度计算由于基于不规则格网的地表面积计算较为简单，可以将格网DEM的每个格网分解为三角形，从而简化规则格网地表面积计算。计算三角形的表面积使用海伦公式：Di表示第i（1≤i≤3）对三角形两顶点之间的表面距离，S表示三角形的表面积，P表示三角形周长的一半。整个DEM的表面积则是每个三角形表面积的累加。基本地形因子计算——地表面积投影面积指的是任意多边形在水平面上的面积，主要有两类计算方法：1、直接采用海伦公式进行计算，只要将表面积计算公式中的距离改为平面上两点的距离即可；2、根据梯形法则，如果一个多边形由顺序排列的N个点（Xi，Yi，i=1，…，N）组成并且第N点与第1点相同，则水平投影面积计算公式为：如果多边形顶点按顺时针方向排列，则计算的面积值为负；反之，为正。基本地形因子计算——投影面积基于数字地面模型的体积计算实质上是计算地形表面和给定参考面之差，在实际应用中，这种差值计算往往被归类于土方计算，应用在工程施工、水利工程规划等方面。对DEM进行挖或填后，土方量可由原始DEM体积V0减去新的DEM体积V1，乘以相应的物质密度求得。

V=V0–V1当V>0时，表示挖方；当V<0时，表示填方；当V=0时，表示既不挖方也不填方。基本地形因子计算——体积基于规则格网的体积计算可以将格网单元视为平面，计算多个立方体的体积总和。

基本规则格网的体积计算由于每一个空间三角形与其在指定计算高程平面上的投影都形成一个三棱柱和一个三棱锥，所以基于不规则三角网的体积计算最终归结为若干三棱柱和三棱锥的体积运算：对每个三棱柱计算其填、挖方量并加以累积，就可以得到最终结果。基本不规则三角网的体积计算土方计算结果

由于地面的起伏，地面各点所接受的太阳辐照度是不相同的，其计算方法为：el为太阳高度角，αz为太阳方位角，α为当前点的坡角，β为当前点的坡向。基本规则格网的地表日照度计算太阳高度角=90度太阳高度角=45度基本地形因子计算——地表日照度

地形特征提取地形特征点：山峰、谷底、鞍部点等地形特征线：山脊线、山谷线等水系特征提取分水线：类似山脊线合水线：类似山谷线基于格网DEM的特征提取基于图像处理基于地形曲面几何分析基于地形曲面流水物理模拟分析

2）和3）分析方法的综合地形特征提取沟脊值提取方法：1、提取特征点；2、将提取的特征点按照某种方式连成线。基本规则格网的地表沟脊提取

水文分析与计算是对所研究的水文变量或过程，作出尽可能正确的概率描述，对防止水旱灾害和开发、利用、保护水资源的工程或非工程措施的规划、设计、施工以及管理运用有着重要的意义，也是DEM数据应用的一个重要方面，主要用于研究与地表水流有关的各种自然现象比如：洪水水位及泛滥情况或者可以划定受污染源影响的地区、以及预测当改变某一地区的地貌时对整个地区造成的后果等。在城市和区域规划、农业及森林等许多领域对地球表面形状的理解很重要。这些领域需要知道水流怎样经过某一地区，以及这个地区的地貌的改变会以什么样的方式影响水流的流动。地形特征提取——水文分析水系Watershed流域(Basin,Catchment,

Contributingarea)WatershedBoundaries

(DrainageDivides)流域边界汇流点PourPoints(Outlets)

DEM水平和垂向的分辨率、DEM生成过程的内插、以及内插精度和网格单元内高程信息取平均等原因造成DEM中存在凹陷洼地和平地。

洼地：区域地形的集水区域,洼地底点(谷底点)的高程通常小于其相邻近点(至少八邻域点)的高程。原始DEM数据处理后数据水文分析——数据预处理洼地填平算法——Moran和Vezina算法

首先用一个极大高程水面数据将原始地面的DEM数据表面淹没，然后移除DEM上多余的水，最后得到的高程数据就是填洼处理的高程数据。Ａ、对DEM数据初始化，除了边界外，用一极大临界水面高程数据将原始地面上DEM数据表面淹没。Ｂ、通过迭代方法将W值逐步减小，最后W会收敛于Wf,Wf代表的高程点数据既是填洼后的数据。平地垫高算法——Martz和Garbrecht算法

用高程增量叠加算法处理平地。对平地范围内的单元格增加一微小增量，每个单元格的增量大小是不一样的，就可以消除平地。数据预处理方法在经过填充洼地后的DEM（FilledDem），流水可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。在经过填充洼地后的DEM是流向分析的基础预处理结果D8算法：A、如果最大落差值小于0，则赋以负值以表明此格网方向未定；B、如果最大落差值大于或等于0，且最大值只有一个，则将对应此最大值的方向值作为中心格网处的方向值；C、如果最大落差等于0，且有一个以上的0值，则以这些0值所对应的方向值相加。在极端情况下，如果8个邻域高程值都与中心格网高程值相同，则中心格网方向值赋以255；D、如果最大落差值大于0，且有一个以上的最大值，则任选一个方向作为水流方向。被处理栅格单元同相邻8个栅格单元之间坡降的算法为：

Slope=Dz/Di式中:Slope为两个栅格之间的坡降；Dz为两个栅格单元之间的高程差；Di为两个栅格单元中心之间的距离。326412816K1842水文分析——水流方向78726971584974675649465069534437384864585522312468614721161974533412111222244822244811248412812812482214441111416326412816K1842原始DEM矩阵水流方向矩阵水流方向提取结果水流方向提取结果

区域地形每点的流水累积量，它可以用区域地形表面的流水模拟方法获得。规则格网表示的数字地面高程模型每点处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流到低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数字矩阵计算每点处所流过的水量数值，便可以得到该区域汇流累积量。水文分析——汇流累积量22244822244811248412812812482214441111416326412816K1842水流方向矩阵汇流累积量矩阵汇流累积量提取结果000000011220037540000200100012400247352326412816K1842水流方向矩阵汇流累积量矩阵汇流累积量提取结果汇流累积量提取结果河网的提取采用的是地表径流漫流模型，通过模拟地表径流的流动来产生水系。A、在无洼地的DEM上计算出每一个栅格的水流方向矩阵；B、根据自然水流由高处流到低处的自然规律利用水流方向矩阵计算出汇流累积量；C、当汇流累积量达到一定值得时候，就会产生地表水流，所有汇流累积量大于临界值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络就是河网。

在实现的过程中要确定汇流能力阈值，不低于该阈值的单元格标记为水系组成部分，该方法简单，直接产生连续的流线段。水文分析——提取栅格河网单阈值>20单阈值>100提取栅格河网结果河流的分级一般依据河流的流量