第九講 地形分析

第九講地形分析5/3/20231第1頁，共57頁，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，共57頁，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，共57頁，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USGSDEM數(shù)據(jù)我國1:1萬、1:5萬、1:25萬、1:50萬、1:100萬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，共57頁，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DEM三角網(wǎng)DEM5/3/20235第5頁，共57頁，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，共57頁，2023年，2月20日，星期三地形表達(dá)：等高線5/3/20237第7頁，共57頁，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，共57頁，2023年，2月20日，星期三地形制圖：剖面線5/3/20239第9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三ArcView剖面線實現(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，共57頁，2023年，2月20日，星期三ArcView剖面線實現(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，共57頁，2023年，2月20日，星期三ArcView剖面線實現(xiàn)5/3/202312第12頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三地形制圖：地貌暈渲法5/3/202313第13頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三地貌暈渲圖制作影響因子太陽方位角AS：光源來向（順0-360）太陽高度角AH：光線與地面夾角（0-90）坡度S、坡向A相對輻射量

RF=cos(A-AS)sinScosAH+cosSsinAH照明值計算

0<RF<1，IF=RF*2555/3/202314第14頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三地性制圖：透視地圖5/3/202315第15頁，共57頁，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位置和觀察方向，對地面進(jìn)行圖形變換可見面識別根據(jù)光照模型計算可見表面亮度和色彩（紋理映射）顯示可見三角形表面（消隱）5/3/202316第16頁，共57頁，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，共57頁，2023年，2月20日，星期三地圖制圖：分層設(shè)色5/3/202318第18頁，共57頁，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，共57頁，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，共57頁，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，共57頁，2023年，2月20日，星期三地形分析：匯水面積FlowdirectionshowspathofwaterflowUpslopecontributingareaAisareaoflandupslopeofalengthofcontourlSpecificcatchmentareaisA/l5/3/202322第22頁，共57頁，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，共57頁，2023年，2月20日，星期三DEM上的實現(xiàn)方法5/3/202324第24頁，共57頁，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，共57頁，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差分簡單差分1

2

3

4

5

6

7

8

9

5/3/202326第26頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三DEM曲率計算模型5/3/202327第27頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三ArcView坡度坡向曲率計算實現(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.曲率計算算法：TheZevenbergenmethod

實現(xiàn)：MapCalculator

語法：aGrid.Curvature(proCurvFN,planCurvFN,slopeFN,aspectFN)，proCurvFN等為輸出文件名，表示為“ProCur”.AsFileName5/3/202328第28頁，共57頁，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，共57頁，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介水流方向確定水流累計量計算：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，共57頁，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，共57頁，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)點匯流源點分水線分水線源點流域邊界流水方向5/3/202332第32頁，共57頁，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

匯流源點

分水線節(jié)點分水線源點

5/3/202333第33頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三流域特征地貌自動提取內(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提取山脊線、山谷線流域地形自動分割將整個流域分割成子匯流區(qū)5/3/202334第34頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三基于DEM流域分析流程DEM無洼地DEM生成水流方向確定水流累計矩陣計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)計計算5/3/202335第35頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三無洼地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，共57頁，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，共57頁，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，共57頁，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:等與周圍最低點或周圍高程的平均值5/3/202339第39頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三ArcView中洼地處理方法當(dāng)某個被考察網(wǎng)格的方向不能由相鄰的8個網(wǎng)格高程來確定的時候,考察范圍擴大到更外一層的16個網(wǎng)格,以此類推,直至可直接確定為止。計算結(jié)果會生成許多方向相對的網(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的高程，由此來消除坑。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修正會帶來較大的誤差。5/3/202340第40頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三流水累計矩陣計算（1）主要問題確定當(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，共57頁，2023年，2月20日，星期三單流向與多流向2018171820181820192018171820181820195/3/202342第42頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三流水累計矩陣計算（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，共57頁，2023年，2月20日，星期三單流向算法：D8、Rho8平面坡向為243度等高線DEM格網(wǎng)實際流向D8流向Rho8流向特點：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，共57頁，2023年，2月20日，星期三多流向算法：MFD,FMFD特點：所有下游單元格網(wǎng)接受上游格網(wǎng)流量2018171820181820195/3/202345第45頁，共57頁，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（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，共57頁，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，共57頁，2023年，2月20日，星期三算法實現(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//計算每一格網(wǎng)點(i,j)的SCA{

Cal_TCA(i,j)；

//遞歸計算每一格網(wǎng)點(i,j)的TCA

FlowWidth(i,j,FW)；

//按不同路徑算法計算流向?qū)挾菷W

SCA[i,j]=TCA[i,j]/FW；

//單位匯水面積SCA計算}5/3/202348第48頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三算法實現(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，共57頁，2023年，2月20日，星期三算法實現(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，共57頁，2023年，2月20日，星期三算法實現(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