第九講 地形分析

第九講地形分析5/3/20231第1頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三概論地形表達(dá)地形分析與其他學(xué)科關(guān)系土木軍事水文經(jīng)管生態(tài)農(nóng)業(yè)地質(zhì)5/3/20232第2頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三GIS軟件地形分析功能坡度坡向地形曲率通視分析流域分析ArcInfo√√√√ArcView√√√IDRISI√√√√SPANS√√GRASS√√√√ILWIS√PAMAP√√√MFworks√√5/3/20233第3頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地形分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel,DEM）美國(guó)USGSDEM數(shù)據(jù)我國(guó)1:1萬(wàn)、1:5萬(wàn)、1:25萬(wàn)、1:50萬(wàn)、1:100萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)不規(guī)則三角網(wǎng)（IrregularTriangleNetwork,TIN）等高線（Contour）5/3/20234第4頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地形分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等高線DEM散點(diǎn)DEM三角網(wǎng)DEM5/3/20235第5頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地形制圖等高線垂直剖面地貌暈渲法（陰影）分層設(shè)色法透視圖法5/3/20236第6頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地形表達(dá)：等高線5/3/20237第7頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三DEM上等高線制作原理

—以TIN為例內(nèi)插等值點(diǎn)尋找等高線的線頭和線未追蹤等高線光滑等高線注記5/3/20238第8頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地形制圖：剖面線5/3/20239第9頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ArcView剖面線實(shí)現(xiàn)剖面線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)文件繪圖繪圖增建newtheme

編輯狀態(tài)在dem上繪制線條轉(zhuǎn)換為3dshapefile文件，并加到View

在Layout中選擇Profilegraphic

繪制剖面線范圍輸出剖面線5/3/202310第10頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ArcView剖面線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件加載需繪制剖面線的文件在Table中選擇剖面轉(zhuǎn)換為3dshapefile

其余同繪線步驟5/3/202311第11頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ArcView剖面線實(shí)現(xiàn)5/3/202312第12頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地形制圖：地貌暈渲法5/3/202313第13頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地貌暈渲圖制作影響因子太陽(yáng)方位角AS：光源來(lái)向（順0-360）太陽(yáng)高度角AH：光線與地面夾角（0-90）坡度S、坡向A相對(duì)輻射量

RF=cos(A-AS)sinScosAH+cosSsinAH照明值計(jì)算

0<RF<1，IF=RF*2555/3/202314第14頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地性制圖：透視地圖5/3/202315第15頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三透視地圖制作將地形模型分割成三角形片面確定視點(diǎn)位置和觀察方向，對(duì)地面進(jìn)行圖形變換可見(jiàn)面識(shí)別根據(jù)光照模型計(jì)算可見(jiàn)表面亮度和色彩（紋理映射）顯示可見(jiàn)三角形表面（消隱）5/3/202316第16頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三透視地圖控制參數(shù)觀察方位角α觀察距離d觀察角度θ北垂直比例尺5/3/202317第17頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地圖制圖：分層設(shè)色5/3/202318第18頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地形分析：基本參數(shù)地形分析基本參數(shù)高程坡度、坡向表面曲率匯水面積、單位匯水面積地形參數(shù)基本概念5/3/202319第19頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地形分析：坡度、坡向與曲率等高線曲率：等高線水平曲線曲率XYNZ坡向坡度坡度：法線與垂直方向之夾角坡向：法線在水以平面投影與正北方向之夾角剖面曲率：與等高線垂直的曲線曲率切曲率：與法線方向垂直的曲線曲率5/3/202320第20頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三坡度、坡向與曲率的數(shù)學(xué)表達(dá)5/3/202321第21頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地形分析：匯水面積FlowdirectionshowspathofwaterflowUpslopecontributingareaAisareaoflandupslopeofalengthofcontourlSpecificcatchmentareaisA/l5/3/202322第22頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三匯水面積的數(shù)學(xué)表達(dá)XYf24312TCAf1g1CLg25/3/202323第23頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三DEM上的實(shí)現(xiàn)方法5/3/202324第24頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三DEM坡度坡向算法不帶權(quán)（Non-Weighted）[SharpnackandAkin，1969]簡(jiǎn)單差分算法（SimpleDiference）坡度坡向數(shù)學(xué)模型Frame差分（FrameFiniteDifference）最大坡降法（MaximumDropSlope）[O′CallaghanandMark，1984]二階差分（2ndFiniteDifference）[FlemingandHoffer，1979；Unwin，1981]三階差分（3rdFiniteDiference）帶權(quán)（Weighted）[Unwin，1981]數(shù)值分析方法局部曲面擬合線性回歸平面

[SharpnackandMark，1969]二次曲面限制非限制帶權(quán)[Wood，1996]不帶權(quán)[Wood，1996]帶權(quán)[Horn，1981]不帶權(quán)[Evans，1980]不完全四次曲面[ZevenbergenandThorn，1987]空間矢量法[Ritter，1987]快速付里葉變換[PapoandGelbman，1984]5/3/202325第25頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三坡度、坡向算法表達(dá)二階差分、矢量算法、不完全四次曲面三階不帶權(quán)差分、線性回歸平面、非限制二次曲面、限制二次曲面三階反距離平方權(quán)差分帶權(quán)限制二次曲面、帶權(quán)非限制二次曲面三階反距離權(quán)差分Frame差分簡(jiǎn)單差分1

2

3

4

5

6

7

8

9

5/3/202326第26頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三DEM曲率計(jì)算模型5/3/202327第27頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ArcView坡度坡向曲率計(jì)算實(shí)現(xiàn)坡度坡向：算法：三階不帶權(quán)差分空間分析模塊的DeriveSlope與DeriveAspect.曲率計(jì)算算法：TheZevenbergenmethod

實(shí)現(xiàn)：MapCalculator

語(yǔ)法：aGrid.Curvature(proCurvFN,planCurvFN,slopeFN,aspectFN)，proCurvFN等為輸出文件名，表示為“ProCur”.AsFileName5/3/202328第28頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三示例坡度DEM坡向剖面曲率平面曲率5/3/202329第29頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三流域分析基本概念流域分析流程洼地填平算法簡(jiǎn)介水流方向確定水流累計(jì)量計(jì)算：水流路徑算法ArcView中的HydrologyFunction流域網(wǎng)絡(luò)提取的主要應(yīng)用領(lǐng)域5/3/202330第30頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三流域分析：基本概念流域、分水線和合水線、匯流區(qū)域、特征地貌5/3/202331第31頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三流域網(wǎng)絡(luò)概念內(nèi)部溝谷段外部溝谷段內(nèi)部溝谷節(jié)點(diǎn)匯流源點(diǎn)分水線分水線源點(diǎn)流域邊界流水方向5/3/202332第32頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三流域網(wǎng)絡(luò)概念外部合水線

流域子流域

匯流區(qū)

分水線

合水線

外部分水線

內(nèi)部分水線

內(nèi)部合水線

溝谷節(jié)點(diǎn)

匯流源點(diǎn)

分水線節(jié)點(diǎn)分水線源點(diǎn)

5/3/202333第33頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三流域特征地貌自動(dòng)提取內(nèi)容特征地貌定義與提取特征地貌定義山脊線和山谷線自動(dòng)提取山脊線、山谷線流域地形自動(dòng)分割將整個(gè)流域分割成子匯流區(qū)5/3/202334第34頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基于DEM流域分析流程DEM無(wú)洼地DEM生成水流方向確定水流累計(jì)矩陣計(jì)算流域特征分析特征地貌分析山脊線、山谷線提取流域網(wǎng)絡(luò)提取流域分割流域參數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算5/3/202335第35頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三無(wú)洼地DEM生成什么是洼地？洼地產(chǎn)生的原因？自然存在數(shù)據(jù)和內(nèi)插誤差等高線數(shù)據(jù)為什么要填平洼地？完整的流域網(wǎng)絡(luò)逆流，流線提取困難洼地填平理論與方法5/3/202336第36頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三洼地填平思想與算法基本假設(shè)洼地存在是自然現(xiàn)象，在流域網(wǎng)絡(luò)提取中應(yīng)考慮；洼地是不真實(shí)的自然現(xiàn)象，應(yīng)剔除和填平方法洼地或平地按“池塘”處理（MartzanddeJone,1988）抬高，尋找水流出口（大部分流行算法）5/3/202337第37頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三洼地填平思想與算法（續(xù)）主要流行算法數(shù)據(jù)平滑（O’CallaghanandMark,1994;Tarboton,1990）抬高法（O’CallaghanandMark,1984;JensonandDomingue，1988;McCormack,1993）抬高并保持形狀（Rieger,1992）多因素綜合法（Qian,1990;Hadipriono,1990）基于現(xiàn)象方法（Rieger,1998）5/3/202338第38頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三洼地填平思想與算法（續(xù)）6657637252445065536068495047624949665258574859536460676264666467697571624966485364646467修改高程:等與周圍最低點(diǎn)或周圍高程的平均值5/3/202339第39頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ArcView中洼地處理方法當(dāng)某個(gè)被考察網(wǎng)格的方向不能由相鄰的8個(gè)網(wǎng)格高程來(lái)確定的時(shí)候,考察范圍擴(kuò)大到更外一層的16個(gè)網(wǎng)格,以此類推,直至可直接確定為止。計(jì)算結(jié)果會(huì)生成許多方向相對(duì)的網(wǎng)格方向，軟件中將其定義為坑。然后將該坑內(nèi)網(wǎng)格的高程，都修改成坑邊緣最低點(diǎn)的高程，由此來(lái)消除坑。網(wǎng)格高程修改后有可能出現(xiàn)新的坑，為此需作多次高程修改。顯然,此法因?qū)Ω叱痰拇竺娣e修正會(huì)帶來(lái)較大的誤差。5/3/202340第40頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三流水累計(jì)矩陣計(jì)算（1）主要問(wèn)題確定當(dāng)前單元的流向流量分配比例主要算法單流向算法多流向算法5/3/202341第41頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三單流向與多流向2018171820181820192018171820181820195/3/202342第42頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三流水累計(jì)矩陣計(jì)算（2）單流向算法D8(O’CallaghanandMark1984)Rho4/Rho8(FairfieldandLeymarie1991)Aspect-driven(Lea1992)多流向算法FD8(Quinnetal.1991)FMFD(Freeman1991;Holmgren1994)DEMON(Costa-CabralandBurges1994)R.flow(MitasovaandHofierka1993;Mitasovaetal.1995,1996)D∞(Tarboton1997)Form-basedmethod(Pilesjoetal.1998)5/3/202343第43頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三單流向算法：D8、Rho8平面坡向?yàn)?43度等高線DEM格網(wǎng)實(shí)際流向D8流向Rho8流向特點(diǎn)：位于最陡下游方向上的格網(wǎng)接受全部上游格網(wǎng)流量2018171820181820195/3/202344第44頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三多流向算法：MFD,FMFD特點(diǎn)：所有下游單元格網(wǎng)接受上游格網(wǎng)流量2018171820181820195/3/202345第45頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三多流向算法:Dinf最陡坡降方向2α2α1α1三角面編號(hào)（i+1，j）格網(wǎng)流量分配比例α1/（α1+α2）（i+1，j+1）格網(wǎng)流量分配比例α2/（α1+α2）i+1i-1ij-1jj+1213546785/3/202346第46頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三多流向算法:DEMON（b）0.201.000.100.080.050.000.380.800.050.060.090.040.670.520.050.030.070.070.840.200.580.040.070.070.310.000.850.460.140.000.000.000.410.851.000.00124356123456（c）124356123456（a）1243561234565/3/202347第47頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三算法實(shí)現(xiàn)：匯水面積Foreachpoints(i,j)inDEM//初始化匯水面積TCA、SCA數(shù)組TCA[i,j]=0.0；SCA[i,j]=0.0；Foreachpoints(i,j)inDEM//計(jì)算每一格網(wǎng)點(diǎn)(i,j)的SCA{

Cal_TCA(i,j)；

//遞歸計(jì)算每一格網(wǎng)點(diǎn)(i,j)的TCA

FlowWidth(i,j,FW)；

//按不同路徑算法計(jì)算流向?qū)挾菷W

SCA[i,j]=TCA[i,j]/FW；

//單位匯水面積SCA計(jì)算}5/3/202348第48頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三算法實(shí)現(xiàn)：匯水面積Cal_TCA(i,j){if(TCA[i,j]==0){TCA[i,j]=1.0//單位格網(wǎng)面積

Foreachneighbourpoints(x,y)of(i,j)P=Fract_Flow(x,y,i,j);//計(jì)算流量分配比例

If(P>0)TCA[I,j]+=P×Cal_TCA(I,j);}returnTCA[i,j];}5/3/202349第49頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三算法實(shí)現(xiàn)：匯水面積D8[O′CallaghanandMark，1984]：Foreachneighbourpoints[x,y]of[i,j]{If(Z[x,y]>Z[i,j])If(MaxSlope(x,y)→(i,j)Fract_Flow(x,y,i,j)=1.0;}Rho8[FairfieldandLeymarie，1991]：Foreachneighbourpoints[x,y]of[i,j]{dz=(Z[x,y]-Z[i,j])×Ran;//Ran是在（0，1）之間的隨機(jī)數(shù)

if(dz>0){If(MaxSlope(x,y)→(i,j))Fract_Flow(x,y,i,j)=1.0;}}5/3/202350第50頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三算法實(shí)現(xiàn)：匯水面積FMFD[Freeman，1991]：Sum=0.0;Forallneighbourpoints(xx,yy)lowerthan(x,y)Sum+=DownSlope1.1((x,y)→(xx,yy))Fract_Flow(x,y,i,j)=DownSlope1.1((x,y)→(i,j))/SumDinf[Tarboton，1994]：For