第七章 坡面地形因子提取

第七章坡面地形因子提取第一页，共五十二页，编辑于2023年，星期四7.1概论地理数据是直接或间接关联着相对于地球的某个地点的数据，是表示地理位置、分布特点的自然现象和社会现象的诸要素文件。地理数据包括自然地理数据和社会经济数据。自然地理数据在计算机中通常按矢量数据结构或格网数据结构存贮，构成地理信息系统的主体。社会经济数据在计算机中按统计图表形式存贮，是地理信息系统分析的基础数据。地形数据是地理数据之一。

第二页，共五十二页，编辑于2023年，星期四数据类型被分为三类，即空间数据和属性数据，它们有如下的属性：空间数据描述了对象的空间位置，包括它们的形状以及相互的空间关系。通常情况下，点、线或面间的空间关系在统一的坐标系统下描述，从而反映现实世界的情况。空间数据可以是栅格数据（像素），也可以是矢量数据（多边形/区域，线，点）（同样地形数据也具有这些特点）。第三页，共五十二页，编辑于2023年，星期四GIS的空间和属性数据第四页，共五十二页，编辑于2023年，星期四DEM数据的应用分为两大类：

直接应用：DEM作为测图自动化的重要组成部分和GIS数据库的基础。间接应用：如坡度、坡向、三维透视。由DEM产生这些派生的数据过程称为地形分析。第五页，共五十二页，编辑于2023年，星期四地形分析是地形环境认知的一种重要手段，传统的地形分析是基于二维平面地图进行的。从基于纸质地图的地形分析发展到基于数字地图的地形分析，计算机取代了大量的人工计算和绘制，地形分析的手段、功能发生了一次飞跃；可视化技术和虚拟现实技术的发展，使得建立三维实时、交互的仿真地形环境成为可能，同时也需要实现三维地形环境中的地形分析。特别是DEM的出现和大量应用，使得从地形属性中提取各类地形参数和特征因子更加的简便和准确。用来描述地形特征和空间分布的地形参数很多，不同的应用目的，不同的学科和领域对此的理解和分类也不同。本课程将综合相关知识，着重介绍基本因子分析、地形特征提取、水文分析和可视域分析。第六页，共五十二页，编辑于2023年，星期四7.2基本地形因子分析本质上讲，DEM是地形的一个数学模型，可以看成是一个或多个函数的集合。实际上许多地形因子就是从这些函数进行一阶或二阶推导出来的，也有的通过某种组合或复合运算得到。地形因子是为定量表达地貌形态特征而设定的具有一定意义的数学参数或指标。第七页，共五十二页，编辑于2023年，星期四7.2.1坡面因子（1）坡面因子的分类按照坡面因子所描述的空间区域范围按照提取坡面因子差分计算的阶数按照坡面的形态特征第八页，共五十二页，编辑于2023年，星期四按照坡面因子所描述的空间区域范围，可以将坡面因子划分为微观坡面因子与宏观坡面因子两种基本类型。

第九页，共五十二页，编辑于2023年，星期四按照提取坡面因子差分计算的阶数第十页，共五十二页，编辑于2023年，星期四按照坡面的形态特征

第十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期四7.2.2坡面因子提取的算法基础（1）DEM格网数据的空间矢量表达在DEM中，具有空间矢量特征的坡面因子的自动提取，通常采用的是空间矢量分析原理的差分计算的方法完成。如图，P点的坡面因子提取是基于由相邻八个格网点确定的地表微分单元的标准矢量数据。第十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期四（2）坡面因子提取常用的分析窗口窗口分析（邻域分析）是在DEM数据中提取坡面信息的主要分析方法。其原理是：对栅格数据系统中的一个、多个栅格点或全部数据，开辟一个有固定分析半径的窗口，并在该窗口内进行诸如极值、均值、标准差等一系列统计运算，或进行差分及与其他层面信息的复合分析。第十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期四7.2.3坡面因子分析（1）坡度定义：坡度是指表面的倾斜或者陡峭程度。严格地讲，地表面任一点的坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角。坡度表示了地表面在该点的倾斜程度，在数值上等于过该点的地表微分单元的法矢量与z轴的夹角（如图所示）。第十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期四坡度的表示方法第十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期四坡度的分类（1）平均坡度：根据图斑的范围，找到在这一范围内所有的坡度值，然后利用这些坡度值计算一个均值作为该图斑的坡度值。（2）最大值坡度：根据图斑的范围，找到在这一范围内所有的坡度值，然后利用这些坡度值计算一个最大值作为该图斑的坡度值。（3）最小值坡度：根据图斑的范围，找到在这一范围内所有的坡度值，然后利用这些坡度值计算一个最小值作为该图斑的坡度值。（4）概率坡度：根据图斑的范围，找到在这一范围内所有的坡度值，并对这些坡度值按照耕地的坡度分级方法进行分级，然后，统计每一个坡度等级的个数，将坡度等级最多的等级作为该图斑的坡度等级值。（5）中值坡度：根据图斑的范围，找到在这一范围内所有的坡度值，然后将这些坡度值按顺序排列，将中间的坡度作为该图斑的坡度值。（6）中心点坡度：根据图斑的范围，找到在这一范围内的中心点，把中心点的坡度作为该图斑的坡度值。第十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期四利用数字高程模型在Arcview中利用spatial模型提取坡度图第十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期四由DEM提取的坡度图第十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期四坡度提取结果AddData对话框第十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期四（2）坡向坡向是指坡面的朝向。它表示表面某处最陡的倾斜方向。它可以被认为是山体所面向的坡的方向或指南针的方向。在计算坡向的过程中，对TIN表面的每个三角面或栅格图像的每一个像元进行计算。第二十页，共五十二页，编辑于2023年，星期四坡向以度为单位，从0度（正北方向）到360度，即绕完一圈以后的正北方向，来度量。坡向图中的每个栅格单元的值表明此栅格单元所在坡的朝向。水平的坡没有朝向，被赋值为-1。

第二十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期四为什么使用坡向函数？找出某个山区所有北向的山坡，用来寻找最适合滑雪的坡。计算某个地区各处的太阳照射情况，以研究各点的生命的多样性。找出某山区所有南向的坡，确定最先溶雪的地点，用于研究找出可能遭遇雪水袭击的居住地的地点。确定平坦地区，找出可以在紧急状况下供飞机降落的地点。第二十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期四生成坡向方法第二十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期四坡向生成结果第二十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期四山影

什么是山影函数？山影函数根据表面上假想的照明光源对高程栅格图的每个栅格单元计算照明值。通过计算光源与地形的坡向、坡度之间的关系而得到的。表面阴影处理可以大大增强表面分析和图形显示时的视觉效果。第二十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期四方位角是用来表示太阳方向的角度，从正北方向开始按照顺时针方向从0到360度变化。90度的方位角为正东方向。缺省的方位角为315度（西北方向）。高度角指假想的光源与水平面所成的夹角。单位为度，从0度（在水平线上）到90度（头顶上）。默认值是45度。第二十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期四创建山影栅格图第二十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期四山影的光源的方位角为315度，高度角为45度。第二十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期四（3）坡形：坡形是指局部地表坡面的曲折状态。宏观上坡形形态包括：直线形斜坡、凸形斜坡、凹形斜坡、台阶形斜坡。第二十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第三十页，共五十二页，编辑于2023年，星期四地面曲率因子：地面曲率是对地形表面点的扭曲变化程度的定量化度量因子，地面曲率在垂直和水平两个方向上分量分别称为平面曲率和剖面曲率。平面曲率指的是地面上任一点位地表坡向的变化率，它是一个反映等高线弯曲程度的指标。实质是对DEM进行坡向提取，而后对这个坡向提取坡度。剖面曲率指的是地面上任一点位地表坡度的变化率，实质是对DEM求取两次坡度。平面曲率示意图第三十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期四平第三十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期四平面和剖面曲率提取结果第三十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期四（4）坡长：通常是指在地面上一点沿水流方向到其流向起点间的最大地面距离在水平面上的投影长度。L指坡长，m指地表面沿流向的水流长度，θ指水流地区的地面坡度值。第三十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第三十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期四（5）坡位：是指坡面所处的地貌部位。例如，位于正地形还是负地形，处于沟间地、沟坡地还是沟底地。第三十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第三十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期四（6）坡面复杂度因子：是宏观地形因子，包括地形起伏度、地表粗糙度、地表切割深度、高程变异系数等。地形起伏度：是在指定区域内最大高程与最小高程的差。RFi指地形起伏度，Hmax指分析窗口内的最大高程值，Hmin指分析窗口内的最小高程值。第三十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第三十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期四地表切割深度：是指地面某点的邻域范围的平均高程与该邻域范围内的最小高程的差值。Di指地面某一点的地表切割深度，Hmean指一个固定分析窗口内的平均高程，Hmin指一个固定分析窗口内的最低高程。第四十页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第四十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期四地表粗糙度：是反映地表的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。第四十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第四十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期四高程变异系数：是反映分析区域内地表单元格网各顶点高程变化的指标，它以格网单元顶点的标准差与平均高程的比值来表示。V=s/z第四十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第四十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期四应用实例：基于DEM提取坡长激活DEM主题层；在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，公式为[[DEM-10000]*（-1）]，提取DEM层的负地形，把DEM层的负地形记为A；激活A层，调用【Hydro】菜单下的【FlowDirection】命令，则生成负地形的流向层，记为B；激活B层，调用【Hydro】菜单下的【FlowAccumulation】命令，则生成负地形的水流累计量层FlowAccumulation，记为C，编辑C层的图例，使其值分为三个范围：0-固定值、固定值-最大值和NODATA值，这三个值的颜色分别设为无填充色、任一彩色、黑色。这个固定值的确切值，可以通过C层和Hillshade层的共同显示来选定，选定固定值的标准是彩色值能比较好的反映山脊线。第四十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期四调用【Analysis】菜单下的【MapQuery】命令，查询的表达式为：FlowAccumulation≥“固定值”，得到新的主题层MapQuery1，记为D，D是对C的二值化；激活D层，点击【Theme】菜单下的【Table】命令或快捷按纽打开D主题的表，选择值为1的数据，再调用【Analysis】菜单的【FindDistance】命令，则得到新的主题层，记为E。E上的每一个栅格的值是距最近的山脊线之间的垂直方向上的栅格数。调用【Analysis】菜单的【Calculator】命令，公式为[E*栅格单元的尺寸]，则得到的新的主题F的值为距最近的山脊线的垂直距离。因水流的方向不是严格的和山脊线成90°，大多数的水流方向只是接近90°，实际的坡长应是沿水流方向的长度，所以求得的主题F的值只是一种坡长的近似值，这种方法求坡长只是一种求取坡长的快速的、近似的方法。结果显示图层没法分层，原因是由于区域过大，由于图层的自动综合，结果无法分层。第四十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第二种方法是采用RULSE中提出的栅格单元坡长因子计算公式L是坡长因子，无量纲，为栅格单元平单元投影长度，而不是坡面长度；m为坡长指数，与细沟支流（由水流引起）和细沟间侵蚀（主要由雨滴打击引起）的比有关系。公式中β为细沟支流和细沟间侵蚀的比率。公式中θ为栅格单元的坡度。第四十八页，共五十二页，编辑于