空间分析与三维分析

Ú
Ú 乾溪口
X (
X ( X ( X ( X X( ( X (
X X ( ( X (
Ú
Ú Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Úຫໍສະໝຸດ Baidu
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
滑坡危险度精细评价方法的基本思路
家 获 从专家获取的知识
模糊滑坡区划图 模糊滑坡 区划图
滑坡形成 与 周 围环 条 关 滑坡形成与周围环境条件间的关系
S <= f E()E ) f (
规则格网模型的优缺点：
优点：
可以很容易地用计算机进行处理
缺点：
在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余； 在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂 地形的突变现象；
2）等高线模型
等高线通常可以用二维的链表来存 储。另外的一种方法是用图来表示 等高线的拓扑关系，将等高线之间 的区域表示成图的节点，用边表示 等高线本身。
•可视性分析 •谷脊线分析 •水文分析
表面积计算
C
A
B h3 h1 h2 B’ D C’
h4
a
A’
D’
剖面分析
(h0,vn+1)
P1
vn (xk’,vk’)
P4
P(xP,yP,zP)
Z
Δy
v2 (hk,yk) v1 O(xO,yO,z (h0,vO) h1 0) Δx h2 (a)
P3
P2 hm (hm+1,v0) O h1 h2 h3 (b) hm P3
2
环境组合四：坡形与岩性对滑坡 的影响

六种坡形对滑坡的影响程度不一样，所以加权 （Ws）也不一样。平坡（0类坡）和凹坡（1 类坡）为0.1，上凹下凸坡（2类坡）为0.3， 直线坡（3类坡）为0.5，凸坡（4类坡）为0.7， 上凸下凹坡（5类坡）滑坡危险度最大，为1。
|h|0.5477 H
TIN的存储方式
TIN和格网DEM：
不规则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的 形状和大小取决于不规则分布的测点，或节点的位置和密 度。不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地形起伏 变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置， 因而它能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征 点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。 TIN的数据存储方式比格网DEM复杂，它不仅要存储 每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关 系，三角形及邻接三角形等关系。TIN模型在概念上类似 于多边形网络的矢量拓扑结构，只是TIN模型不需要定义 “岛”和“洞”的拓扑关系。
2
S Ws Wr e
研究区精细滑坡危险度的空间分布图
研究区滑坡危险度分级图
低危险度 中危险度
高危险度 极高危险度
统计检验
X 0 T S n
式中，X是已观测到滑坡地段的模糊危险度的平 均值，0 是整个地区的模糊危险度的平均值，S 是已观测到滑坡地段的模糊危险度的标准方差， n 是已观测到的滑坡个数。现有的205个滑坡地 段的平均模糊值是2.05，标准方差为0.62，而整 个地区的平均值是1.67。计算所得的T值是8.75， 此值远远大于检验水平为0.05的临界值2.6。由 此可见，我们有充分的理由推翻无差异假设。即， 计算所得的滑坡模糊值可用来反映滑坡的危险度。
2 DEM的表示法
一个地区的地表高程的变化 可以采用多种方法表达，用 数学定义的表面或点、线、 影像都可用来表示DEM
1） 数学方法
全局方法 用傅立叶级数和高次多项式拟合统 一的地面高程曲面。 局部方法 将地表复杂表面分成正方形规则区 域或面积大致相等的不规则区域进 行分块搜索，根据有限个点进行拟 合形成高程曲面。
2、坡向分析
坡向——变化比率最大值的方向。坡向按 从正北方向起算的角度测量。
z f ( x, y ) 切平面方程： z Ax By C f（x0 , y0）x f（x0 , y0）y C x y 坡向：
＝arctan A / B) （
•表面积计算 •体积计算
•剖面分析
直接求ZKED(u)
思考题：


DEM的概念，DEM可派生出哪些信息， 举例说明。 简述滑坡危险性评价的思路。
主要内容
数字地面模型的概念 DEM的表达法 DEM的表达模型 产生方法 三维分析 实例：滑坡危险性分析

数字地面模型的概念
1、DTM和DEM的概念
数字地面模型（DTM, Digital Terrain Model）。
模糊推理
( 代表各地
, 水文 ..) 环 条 件 ( 地形 , 环境条件（地形、岩性、水文…）
代表各地产生滑坡的可能性
产 生滑坡的可能性
)
模糊推理 G.I.S./R.S.
以GIS、人工智能为主的地学运算方法 以 人工智能 为 主的地 学运 算方法
以象元 为单 位 以象元为单位的数字图 数 字 图
滑坡危险性的影响因素
数字地面模型及其应用
先求mKED(u)，再求R(u)，ZKED(u)=m(u)+R(u)
直接求ZKED(u)
n (u ) KED m (u ) R (u u ) u0KED (u ) u1KED (u ) y (u ) 0 m m n(1u ) KED (u ) 1 1,...... (u ) 求m(u) n m 1 n (u ) KED m (u ) y (u ) y (u ) 1
传统方法考虑的因素： 坡度 岩性 高差或高程
第一步：
与专家讨论，获取滑坡与地理环境条件的关系 （即专家知识〕
岩性与滑坡 岩层与滑坡 坡面与滑坡 高差与滑坡 坡形与滑坡
第二步：
用地理信息系统产生有关地理环境要素的数据层
岩性数据层 岩层数据层 坡面数据层 高差数据层 坡形数据层
第三步：
模糊推理机：将专家知识和地理环境要素数据层相结合，计算滑坡模糊危险度
数字地面模型是描述地面诸特性空间分布的有序数 值阵列，所记地面特性是高程z，它的空间分布由x,y 水平坐标系统来描述
数字地面模型可以包括除高程以外的诸如地价、土地权属、
土壤类型、岩层深度以及土地利用等其他地面特性信息的数
字数据.
数字地面模型与空间分析、三维分析
数字地面模型（DTM）是地形表面形态属性信息的数 字表达，是有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。 数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型 （Digital Elevation Model，简称DEM）。 高程是地理空间中的第三维坐标。DEM通常用地表 规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括 等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。在地理 信息系统中，DEM是建立DTM的基础数据，其它的地形 要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如 坡度、坡向。
DEM和DTM的应用
4）土地管理：用于土地利用现状的分析、 合理规划
5）灾情监控应用：洪水险情预报、滑坡与 泥石流监测、土壤侵蚀等；
6）在军事上的应用：可用于导航及导弹制 导、作战电子沙盘等；
Ew洪水位
D淹没水深
Eg地面高程
辽河流域DEM
辽河流域1960年洪水模拟结果
实例：三峡地区滑坡危险性分析
坡度的几何表达
(i-1,j-1)
(i,j-1)
(i-1,j) (i,j)
(i-1,j+1) (i,j+1)
(i+1,j-1)
(i+1,j) (i+1,j+1)
Z 2 Z 2 1/ 2 tana [( ) ( ) ] x y
zi 1, j zi 1, j zi , j 1 zi , j 1 z z ( ) ( ) y 2 y x 2 x
等 高 线 模 型
不规则三角网（TIN）模型
TIN模型根据区域有限个点集将区域划分 为相连的三角面网络，区域中任意点落在三 角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在 顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的 方法得到（在边上用边的两个顶点的高程， 在三角形内则用三个顶点的高程）。 所以TIN是一个三维空间的分段线性模型， 在整个区域内连续但不可微。
2
S Wr e

易产生滑坡的坡度(g0)
环境因子组合三：临空面与岩性对滑 坡的影响。

一般情况下，临空面l 越高滑坡危险度就越大， 但临空面对滑坡的影响与岩性有关，所以对 不同的岩性加权（Wr）应不同
S Wr e
( l 0 l ) 0.5477 L

可视性分析
B
O
A
原始DEM图
模糊谷脊线提取
DEM和DTM的应用
1）工程建设应用：各种线路选线（铁路、公路、输电 线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任 意两点间的通视判断及任意断面图绘制。
2）遥感测绘应用：在测绘中被用于绘制等高线、坡度 坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测； 在遥感应用中可作为分类的辅助数据。 3）自然地理要素分析应用：DEM最基础的应用是求 DEM范围内任意点的高程，在此基础上进行地形属性分 析

S e
| v v 0 |0.5477 D
2
cosa a0
环境因子组合二：坡度与岩性 对滑坡的影响。

一般情况下，坡度越大滑坡危险度就 越大，但坡度g对滑坡的影响与岩性 有关。所以对不同的岩性加权（Wr） 应不同.
( g 0 g ) 0.5477 G
4、 DEM的产生方法
地面测量 现有地图数字化 空间传感器 利用全球定位系统GPS，结合雷达和激 光测高仪等进行数据采集。
DEM数据的内插方法







趋势面拟合 傅立叶级数 样条插值 有限元内插 移动平均 距离加权平均 克立格插值
5 基于DEM的空间三维分析
1、坡度
坡度定义为水平面与局部地表之间的 正切值。 高度变化的最大值比率（常称为坡度）
已知：云阳－巫山段 滑坡205条， DEM 数据，地质图 求：研究区内的滑坡危险性分布


X (
X ( Ú X ( X (
X (
X ( X (
XX (( XX( (( X
X X ( ( X (
X 巫山县 ( X ( X ( XX( X ( 云安厂 X ( XX( X X (( ( ( X ( X ( X X ( X XX(X (( ( X ( X XX(X ( (( ( X XXX XXX X 白 帝 城 X ( ((( ((( ( X ( ( X ( XX X (( ( X ( X ( X( ( X X X ( ( ( X X ( X XXXX(X X XX X (((( ( ( (( ( X XXX X X ( ((( ( ( 碉村 X ( (( ( ( (((((( X X ( ( 奉 节 县 XXX X X X XXXXXX ( X X X ( ( ( X ( ( 安 坪 XX X X X ( X X ( ( X ( ( ( ( X XX( (( XXXXXXXXX X((( XX 新 津 口 ((((((((( (XX (( XX XX XX X X (( (( (( ( ( X X XX ( ( (( X ( X XX X ( (( ( X ( 铜鼓堡 X ( X ( 观武镇 X XXX X ((( ( ( X( X (( XX ( X ( X ( 云阳老城 故陵镇 官渡河 X X ( ( X X XX ( ( (( X ( XX (( X ( X ( X ( 庙宇镇 X ( X ( X ( X XXX ( ((( X XX ( (( X ( X ( ( 凤鸣镇X 马鞍山

2） 图形方法
点模式 不规则三角网、规则栅格等；也可以有选择性 地采样，采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要 特征点。
线模式 等高线、山脊线、谷底线及坡度变换线等。
3 DEM的主要表示模型
规则格网模型 等高线模型 不规则三角网模型

1）规则格网模型
规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、 三角形等规则网格。规则网格将区域空间切 分为规则的格网单元，每个格网单元对应一 个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计 算机实现中则是一个二维数组。每个格网单 元或数组的一个元素，对应一个高程值.
地区滑坡危险度的空间分布
精细滑坡评价方法的实施技术路线
环境因子组合一：坡度与岩层倾角之差和坡向 与岩层倾向之差对滑坡的影响。 当坡面坡度(v)小于岩层倾角(v0)时，危险度为 零。当坡度等于或略大于岩层的倾角时，滑坡危 险度大。随着坡度与倾角的角度差增大到一定程 度时(D)，滑坡的危险度又逐渐减小。这种关系 同时还受岩层倾向a0与坡向a之差的影响，随着 这种差距的增大危险度减小。