gis-數(shù)字地形分析

數(shù)字地形分析及特征提取基本地形因子計(jì)算

坡度、坡向、曲率、粗糙度

面積、體積

地表日照度地形特征提取

溝脊值提取

水文分析

可視性分析主要內(nèi)容地形因子的分類地形因子微觀因子宏觀因子坡度坡向坡度變率坡向變率平面變率剖面變率剖長(zhǎng)剖型因子地形粗糙度地形起伏度高程變異系數(shù)地表切割深度地形因子姿態(tài)因子坡度坡向坡形因子宏觀上的坡形因子坡面變率因子坡面曲率因子坡長(zhǎng)因子徑流坡長(zhǎng)整體坡長(zhǎng)坡位因子正地形坡位（溝澗地）負(fù)地形坡位（溝坡地、溝底地）坡面復(fù)雜度因子地形起伏度地表粗糙度地表切割深度高程變異系數(shù)地形因子的分類提取地形因子的基本方法先將地形的形態(tài)特征或各個(gè)坡面因子進(jìn)行定量化描述，完成求導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立其以DEM為基本信息源進(jìn)行提取的技術(shù)路線，并通過(guò)軟件形成一套易于計(jì)算機(jī)操作的方法因子提取方法應(yīng)遵循地貌形態(tài)學(xué)與地貌成因?qū)W的基本理論DEM數(shù)據(jù)在表象上首先反映的是地面的海拔高程信息，更深層次的地形信息需要通過(guò)對(duì)高程的空間分布特征的提取，或更高層次地形要素的解算獲得。更復(fù)雜的還需通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)模構(gòu)建獲得微觀因子通常以DEM格網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間矢量模型為基礎(chǔ)。通過(guò)空間向量的差分運(yùn)算完成；宏觀因子一般通過(guò)移動(dòng)分析窗口的方法完成。信息源的尺度特征會(huì)影響坡面因子的提取精度。坡度（Slope）：過(guò)地表一點(diǎn)的切平面與水平面的夾角。坡向（Aspect）：地表面上一點(diǎn)的切平面的法線在水平面的投影與該點(diǎn)的正北方向的夾角。聯(lián)系與區(qū)別：都是點(diǎn)位參數(shù)，只有理論意義，不具備地理意義。坡度坡向描述描述地表面在該點(diǎn)的傾斜程度。描述該點(diǎn)高程值改變量的最大變化方向。作用影響地表物質(zhì)流動(dòng)與能量轉(zhuǎn)換的規(guī)模與強(qiáng)度，制約生產(chǎn)力空間布局。決定地表面局部地面接收陽(yáng)光和重新分配太陽(yáng)輻射量的重要地形因子，直接造成局部地區(qū)氣候特征差異，影響各項(xiàng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)。SlopeAspectxZY基本地形因子計(jì)算——坡度、坡向坡度指標(biāo)地形表現(xiàn)<3°平坦平原、盆地中央部分、寬淺谷地底部、臺(tái)面3°~5°山前地帶、山前傾斜平原、沖積、洪積扇、淺丘、崗地、臺(tái)地、谷地等5°~15°山麓地帶、盆地周圍、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（接近山頂部分）30°~45°大于1500米山體坡面上部>45°地理意義的垂直面坡度地理意義坡向地理坡向俗稱0°±22.5°北N陰坡45°±22.5°東北NE半陰坡315°±22.5°西北NW90°±22.5°東E270°±22.5°西W135°±22.5°東南SE半陽(yáng)坡225°±22.5°西南SW180°±22.5°南S陽(yáng)坡不存在不存在平地注：適用于南半球，北半球則正好相反N=0°NE=45°E=90°SE=135°S=180°SW=225°W=270°NW=315°坡向地理意義e5e2e6e1ee3e8e4e7坡度：Slope為坡度，Aspect為坡向，Slopewe為X方向上的坡度，Slopesn為Y方向上的坡度。Slopewe、Slopesn的計(jì)算如下：坡向：方法1：方法2：基于規(guī)則格網(wǎng)的坡度、坡向計(jì)算坡度：坡向：SlopeAspect基于不規(guī)則三角網(wǎng)的坡度、坡向計(jì)算坡度、坡向應(yīng)用1．坡度選擇。坡度和坡向?qū)麡?shù)生長(zhǎng)發(fā)育有一定影響。同一坡向不同坡度，對(duì)溫、熱、水分都有不同程度的差異。如南坡，10度坡太陽(yáng)直接輻射量為平地的116％，20度坡為130％。表土的含水量，5度坡為52．38％，20度坡為34．78％，隨坡度增大而降低。土壤凍結(jié)深度，5度坡在20厘米以上，15度坡則為5厘米，但坡下低洼地冷空氣沉積，坡頂則寒冷，不易栽培。選擇葡萄栽培的適宜坡度5度～20度的斜坡地為好，15度坡最為合適。2．坡向選擇。坡向不同，光照、濕度、熱量、風(fēng)量也不同。一般南坡、東南坡、西南坡，所獲得太陽(yáng)光熱量大。北坡、東北坡，西北坡，則較冷涼。南坡與北坡近地面20厘米處氣溫平均相差0．4℃，80厘米深土層，南坡比北坡地溫高4℃～5℃。葡萄喜光、喜溫，以選擇南坡為宜。但南坡溫、濕度變化較大，水分蒸發(fā)量大，融雪、解凍比北坡早，因此必須加強(qiáng)水土保持工程。由于山地地勢(shì)非常復(fù)雜，南、北方氣候差異懸殊，但在中緯度的低山區(qū)，北坡水分蒸發(fā)量少，土壤墑情好，植被密生，土質(zhì)較肥沃，土層較深厚，也能栽培葡萄樹(shù)。葡萄種植的地形條件1、緯度和海拔：世界上大部分葡萄園分布在北緯20-52度之間及南緯30-45度之間，絕大部分在北半球。海拔高度一般在400-600米。中國(guó)葡萄多在北緯30-43度之間海拔的變化較大，約200-1000米，河北懷來(lái)葡萄分布高度達(dá)1100米，山西清徐達(dá)1200米，西藏山南地區(qū)達(dá)1500米以上。緯度和海拔是在大范圍內(nèi)影響溫度和熱量的重要因素。

2、坡向和坡度：在大地形條件相似情況下，不同坡向的小氣候有明顯差異。通常以南向（包括正南向、西北向和東南向）的坡地受光熱較多，平日氣溫較高。坡地的增溫效應(yīng)與其坡度密切相關(guān)。一般坡地向南每?jī)A斜1度，相當(dāng)于推進(jìn)1緯度。受熱最多的坡地角度約為20-35度（在北緯40-50度范圍）。葡萄因較耐干旱和土壤瘠薄，可以在相對(duì)不大范圍內(nèi)發(fā)育根系，所以比其它果樹(shù)更適宜在坡地上栽培，然而坡度越大水土流失越嚴(yán)重，因此，在種植葡萄時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮坡度在20-25度以下的土地。

3、水面的影響：海洋、湖泊、江河、水庫(kù)等大的水域，由于吸收的太陽(yáng)輻射能量多，熱容量較大，白天和夏季的溫度比陸地低，而夜間和冬季的溫度比內(nèi)陸高。因此，臨近水域沿岸的氣候比較溫和，無(wú)霜期較長(zhǎng)。臨近大水面的葡萄園由于深水反射出大量的藍(lán)紫光和紫外線，漿果著色和品質(zhì)好，所以選擇葡萄園時(shí)盡量靠近大的湖泊、河流與海洋的地方。

坡度、坡向應(yīng)用坡度是評(píng)價(jià)耕地質(zhì)量的主要指標(biāo)，也是衡量土地利用是否合理的一個(gè)關(guān)鍵因子。借助地理信息系統(tǒng)、3D技術(shù)，準(zhǔn)確分析耕地坡度信息，對(duì)土地調(diào)查具有重要意義。第二次全國(guó)土地調(diào)查耕地坡度分類圖制作流程讀入源數(shù)據(jù)按縣級(jí)行政區(qū)拼接是否剪切？分塊DEMDEM生成坡度坡度圖重新分類參數(shù)：坡度分級(jí)表坡度分級(jí)柵格圖轉(zhuǎn)換為矢量格式坡度分級(jí)矢量圖矢量數(shù)據(jù)編輯,去除細(xì)碎多邊形,邊界光滑二調(diào)：精度參數(shù)坡度分級(jí)圖土地利用圖斑數(shù)據(jù)耕地坡度分級(jí)圖圖幅整飾中間成果成果

定義：地形曲面在各個(gè)界面方向上的形狀，凹凸變化的反映，是平面點(diǎn)位的函數(shù)。反映了地形結(jié)構(gòu)和形態(tài)。影響著土壤有機(jī)物含量的分布，在地表過(guò)程模擬、水文、土壤等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值和意義?；镜匦我蜃佑?jì)算——曲率定義：反映地表起伏變化和侵蝕程度的指標(biāo)。一般定義為地表單元的曲面面積與其在水平面上的投影面積之比。粗糙度是能夠反映地形的起伏變化和侵蝕程度的宏觀地形因子，是衡量地表侵蝕程度的重要量化指標(biāo)?；镜匦我蜃佑?jì)算——粗糙度S為曲率，AreaS為格點(diǎn)面元趨勢(shì)面面積，AreaH為格點(diǎn)面元面積。粗糙度計(jì)算定義：實(shí)現(xiàn)步驟：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)分析窗口為3*3時(shí)，可采用以下公式近似計(jì)算。1、根據(jù)DEM提取坡度因子S；2、粗糙度：R=1/cos(S)

基本規(guī)則格網(wǎng)的粗糙度計(jì)算由于基于不規(guī)則格網(wǎng)的地表面積計(jì)算較為簡(jiǎn)單，可以將格網(wǎng)DEM的每個(gè)格網(wǎng)分解為三角形，從而簡(jiǎn)化規(guī)則格網(wǎng)地表面積計(jì)算。計(jì)算三角形的表面積使用海倫公式：Di表示第i（1≤i≤3）對(duì)三角形兩頂點(diǎn)之間的表面距離，S表示三角形的表面積，P表示三角形周長(zhǎng)的一半。整個(gè)DEM的表面積則是每個(gè)三角形表面積的累加?；镜匦我蜃佑?jì)算——地表面積投影面積指的是任意多邊形在水平面上的面積，主要有兩類計(jì)算方法：1、直接采用海倫公式進(jìn)行計(jì)算，只要將表面積計(jì)算公式中的距離改為平面上兩點(diǎn)的距離即可；2、根據(jù)梯形法則，如果一個(gè)多邊形由順序排列的N個(gè)點(diǎn)（Xi，Yi，i=1，…，N）組成并且第N點(diǎn)與第1點(diǎn)相同，則水平投影面積計(jì)算公式為：如果多邊形頂點(diǎn)按順時(shí)針?lè)较蚺帕校瑒t計(jì)算的面積值為負(fù)；反之，為正?；镜匦我蜃佑?jì)算——投影面積基于數(shù)字地面模型的體積計(jì)算實(shí)質(zhì)上是計(jì)算地形表面和給定參考面之差，在實(shí)際應(yīng)用中，這種差值計(jì)算往往被歸類于土方計(jì)算，應(yīng)用在工程施工、水利工程規(guī)劃等方面。對(duì)DEM進(jìn)行挖或填后，土方量可由原始DEM體積V0減去新的DEM體積V1，乘以相應(yīng)的物質(zhì)密度求得。

V=V0–V1當(dāng)V>0時(shí)，表示挖方；當(dāng)V<0時(shí)，表示填方；當(dāng)V=0時(shí)，表示既不挖方也不填方。基本地形因子計(jì)算——體積基于規(guī)則格網(wǎng)的體積計(jì)算可以將格網(wǎng)單元視為平面，計(jì)算多個(gè)立方體的體積總和。

基本規(guī)則格網(wǎng)的體積計(jì)算由于每一個(gè)空間三角形與其在指定計(jì)算高程平面上的投影都形成一個(gè)三棱柱和一個(gè)三棱錐，所以基于不規(guī)則三角網(wǎng)的體積計(jì)算最終歸結(jié)為若干三棱柱和三棱錐的體積運(yùn)算：對(duì)每個(gè)三棱柱計(jì)算其填、挖方量并加以累積，就可以得到最終結(jié)果?；静灰?guī)則三角網(wǎng)的體積計(jì)算土方計(jì)算結(jié)果

由于地面的起伏，地面各點(diǎn)所接受的太陽(yáng)輻照度是不相同的，其計(jì)算方法為：el為太陽(yáng)高度角，αz為太陽(yáng)方位角，α為當(dāng)前點(diǎn)的坡角，β為當(dāng)前點(diǎn)的坡向?；疽?guī)則格網(wǎng)的地表日照度計(jì)算太陽(yáng)高度角=90度太陽(yáng)高度角=45度基本地形因子計(jì)算——地表日照度

地形特征提取地形特征點(diǎn)：山峰、谷底、鞍部點(diǎn)等地形特征線：山脊線、山谷線等水系特征提取分水線：類似山脊線合水線：類似山谷線基于格網(wǎng)DEM的特征提取基于圖像處理基于地形曲面幾何分析基于地形曲面流水物理模擬分析

2）和3）分析方法的綜合地形特征提取溝脊值提取方法：1、提取特征點(diǎn)；2、將提取的特征點(diǎn)按照某種方式連成線?；疽?guī)則格網(wǎng)的地表溝脊提取

水文分析與計(jì)算是對(duì)所研究的水文變量或過(guò)程，作出盡可能正確的概率描述，對(duì)防止水旱災(zāi)害和開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)水資源的工程或非工程措施的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及管理運(yùn)用有著重要的意義，也是DEM數(shù)據(jù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面，主要用于研究與地表水流有關(guān)的各種自然現(xiàn)象比如：洪水水位及泛濫情況或者可以劃定受污染源影響的地區(qū)、以及預(yù)測(cè)當(dāng)改變某一地區(qū)的地貌時(shí)對(duì)整個(gè)地區(qū)造成的后果等。在城市和區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)業(yè)及森林等許多領(lǐng)域?qū)Φ厍虮砻嫘螤畹睦斫夂苤匾?。這些領(lǐng)域需要知道水流怎樣經(jīng)過(guò)某一地區(qū)，以及這個(gè)地區(qū)的地貌的改變會(huì)以什么樣的方式影響水流的流動(dòng)。地形特征提取——水文分析水系Watershed流域(Basin,Catchment,

Contributingarea)WatershedBoundaries

(DrainageDivides)流域邊界匯流點(diǎn)PourPoints(Outlets)

DEM水平和垂向的分辨率、DEM生成過(guò)程的內(nèi)插、以及內(nèi)插精度和網(wǎng)格單元內(nèi)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：區(qū)域地形的集水區(qū)域,洼地底點(diǎn)(谷底點(diǎn))的高程通常小于其相鄰近點(diǎn)(至少八鄰域點(diǎn))的高程。原始DEM數(shù)據(jù)處理后數(shù)據(jù)水文分析——數(shù)據(jù)預(yù)處理洼地填平算法——Moran和Vezina算法

首先用一個(gè)極大高程水面數(shù)據(jù)將原始地面的DEM數(shù)據(jù)表面淹沒(méi)，然后移除DEM上多余的水，最后得到的高程數(shù)據(jù)就是填洼處理的高程數(shù)據(jù)。Ａ、對(duì)DEM數(shù)據(jù)初始化，除了邊界外，用一極大臨界水面高程數(shù)據(jù)將原始地面上DEM數(shù)據(jù)表面淹沒(méi)。Ｂ、通過(guò)迭代方法將W值逐步減小，最后W會(huì)收斂于Wf,Wf代表的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)既是填洼后的數(shù)據(jù)。平地墊高算法——Martz和Garbrecht算法

用高程增量疊加算法處理平地。對(duì)平地范圍內(nèi)的單元格增加一微小增量，每個(gè)單元格的增量大小是不一樣的，就可以消除平地。數(shù)據(jù)預(yù)處理方法在經(jīng)過(guò)填充洼地后的DEM（FilledDem），流水可以暢通無(wú)阻地流至區(qū)域地形的邊緣。在經(jīng)過(guò)填充洼地后的DEM是流向分析的基礎(chǔ)預(yù)處理結(jié)果D8算法：A、如果最大落差值小于0，則賦以負(fù)值以表明此格網(wǎng)方向未定；B、如果最大落差值大于或等于0，且最大值只有一個(gè)，則將對(duì)應(yīng)此最大值的方向值作為中心格網(wǎng)處的方向值；C、如果最大落差等于0，且有一個(gè)以上的0值，則以這些0值所對(duì)應(yīng)的方向值相加。在極端情況下，如果8個(gè)鄰域高程值都與中心格網(wǎng)高程值相同，則中心格網(wǎng)方向值賦以255；D、如果最大落差值大于0，且有一個(gè)以上的最大值，則任選一個(gè)方向作為水流方向。被處理柵格單元同相鄰8個(gè)柵格單元之間坡降的算法為：

Slope=Dz/Di式中:Slope為兩個(gè)柵格之間的坡降；Dz為兩個(gè)柵格單元之間的高程差；Di為兩個(gè)柵格單元中心之間的距離。326412816K1842水文分析——水流方向78726971584974675649465069534437384864585522312468614721161974533412111222244822244811248412812812482214441111416326412816K1842原始DEM矩陣水流方向矩陣水流方向提取結(jié)果水流方向提取結(jié)果

區(qū)域地形每點(diǎn)的流水累積量，它可以用區(qū)域地形表面的流水模擬方法獲得。規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字地面高程模型每點(diǎn)處有一個(gè)單位的水量，按照自然水流從高處流到低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)字矩陣計(jì)算每點(diǎn)處所流過(guò)的水量數(shù)值，便可以得到該區(qū)域匯流累積量。水文分析——匯流累積量22244822244811248412812812482214441111416326412816K1842水流方向矩陣匯流累積量矩陣匯流累積量提取結(jié)果000000011220037540000200100012400247352326412816K1842水流方向矩陣匯流累積量矩陣匯流累積量提取結(jié)果匯流累積量提取結(jié)果河網(wǎng)的提取采用的是地表徑流漫流模型，通過(guò)模擬地表徑流的流動(dòng)來(lái)產(chǎn)生水系。A、在無(wú)洼地的DEM上計(jì)算出每一個(gè)柵格的水流方向矩陣；B、根據(jù)自然水流由高處流到低處的自然規(guī)律利用水流方向矩陣計(jì)算出匯流累積量；C、當(dāng)匯流累積量達(dá)到一定值得時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生地表水流，所有匯流累積量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)就是河網(wǎng)。

在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中要確定匯流能力閾值，不低于該閾值的單元格標(biāo)記為水系組成部分，該方法簡(jiǎn)單，直接產(chǎn)生連續(xù)的流線段。水文分析——提取柵格河網(wǎng)單閾值>20單閾值>100提取柵格河網(wǎng)結(jié)果河流的分級(jí)一般依據(jù)河流的流量