高分辨率数字高程模型的构建方法

并
对拟合 的质量进行分析和评价 以期建立黄土高原丘陵区高分辨率
满足不同方面特别是水
文和土壤侵蚀定量模拟的需要
收稿日期
基金项目 中国科学院知识创新重要方向项目
中澳合作项目 ? ?
作者简介 张彩霞
女 河南人 硕士生 主要从事地理信息系统与流域水文学方面的研究工作
建立方法
简介
是由澳大利亚国立大学
领导开发的 专业生产软
生成方法而言 分辨率过小将损失大量地形信息 无法保证提取信息的准确性 而分辨率过大又将
导致数据的冗余 工作量过大 根据
建议的方法 点绘坡度的均方差
与分辨率关系曲线 坡度均方差越大代表输出 包含地形信息量越多 随着 分辨率由小
到大 曲线先大幅升高而后变化平缓 当达到趋于平缓变化的拐点时 地形信息的读取已基本完全 则该
年月 文章编号
水利学报
第 卷第期
高分辨率数字高程模型的构建方法
张彩霞
西北农林科技大学 资源环境学院 陕西 杨凌
杨勤科 段建军
中国科学院 水利部 水土保持研究所 陕西 杨凌
摘要 高分辨率数字高程模型
是正确计算坡度坡向 提取流域地形特征 进行水文分析的前提 本文以黄土
高原典型丘陵沟壑区小流域为例 基于大比例尺
环境下 对照原地形图对数字地形图查错和校正 然后利用
命令 将上述图层转换为
可以直接读取的文本格式 借助
生成 时
产生的查错文件 再利用
的显示 编辑功能 对输入数据源再次校正 从而确保数据源的准确
的建立 高质量的基础数据和准确的插值是建立高质量 的 个基本条件
几
个主要参数的率定对 插值效果有较大影响 虽然
下陷点少 甚至没有伪下陷点 回放等高线与原输入等高线符合度高 提取的水系符合实际 提高了从
进行水文分析的准确性 本文所得结论只是以县南沟小流域获得的 并没有在其它黄土地貌类型
和更大流域范围内进行验证 另外 本文所建 与多要素构 法建立 的分析比较 以及这种
对地貌要素提取和对水文与侵蚀模拟的影响 都是今后有待研究的问题
关键词 数字高程模型
参数率定 质量评价 丘陵沟壑区
中图分类号
文献标识码
研究背景
数字高程模型
是建立不同层次资源与环境地理系统不可缺少的部分 在地貌定量分析 流域
水文和土壤侵蚀模拟分析 军用民用工程设计 遥感图像辅助分类等方面具有重要用途
而高质量
是基于 的一切信息正确提取的有力保障
建立的数据源虽然有地面测量 航片 数字地
同取值
生成 相应点的模拟高程值相比较 分别计算其平均绝对误差和均方差
误差越小
模拟效果越好 则表明第二糙度系数取值越佳 试验分 组 一组只用等高线和河流建
模 用数字化的 个高程点全部做检测点 另一组从数字化的 个高程点中随机抽取 个点做检测
点 其余的 个点和等高线 河流一起建模 其结果如图 所示 因为 的建立是以等高线为主 所
量的重要指标 其基本起源是输入数据的质
量和参数是否合适 地形强化数量是对地形
反映能力的重要度量指标 包括地形形状
流水线网络和流域边界等
最终新数据行数量是系统稳定性的度量 值
比较大时 说明还有计算的必要 值比较小
时 说明计算结果已经收敛 当伪下陷点和地
形强化以及最终新数据行数量越稳定时 表 图 计算迭代次数对伪下陷点 地形强化及剩余新数据行数量的影响 示计算结果越收敛 数据处理效果越好
比较流行的是
于 世纪 年代提出的利用高程信息生成 的算法 简称
算
法 及在其基础上开发的专业化生成软件
该方法是针对水文分析模拟对 的需要
和 等方法建立的 存在的问题提出的 利用高程及其相关信息插值建立水文地貌关系正确的
的方法
的算法及其软件
在国外得到广泛应
用 逐渐成为标准化 生成软件 并被集成到
系统中 参见
林桂兰 庄翠蓉 孙飒梅 等 水源保护区划界的遥感与 技术研究 中国用户通讯
?
? 倪晋仁 李英奎 基于土地利用结构变化的水土流失动态评估 地理学报
上接第 页
责任编辑 吕斌秀 责任编辑 吕斌秀
致谢
和李领涛参与讨论部分内容 一并感谢
参考文献
李志林 朱庆 数字高程模型 武汉 武汉测绘科技大学出版社
王东华 吉建培 刘建军 等 论国家
数字高程模型数据库建设 地理信息世界
唐新明 李莉 严荣华 等 全国七大江河流域重点防范区 通报
万数字高程模型
数据库的建立 测绘
?
周买春 黎子浩
数值地形图的生成及其水文地貌特征评价 水利学报
的质量 其结果如表 检测点的最大误差为
最
小误差
平均误差
均方根误差为
然而
和
指出 绝对高程误差不能提
供完整的 质量评价 由于回放等高线的位置 坡向及曲
表
预测高程与地形图高程的比较
实测高程?
高程?
高程误差?
图由
建立的高分辨率
图
光照图及其提取水系 白色线条为提取水系
率直接取决于 的高程 坡向和平面曲率 所以回放等高线是检验 质量的灵敏方法
用法 但该方法
在国内介绍和应用较少
等 研究表明
在黄土丘陵区中低分辨率 的应用效果
较好 但
能否用于高分辨率 的建立 特别是黄土高原丘陵沟壑地形复杂区高分辨率
的建立 目前尚未见报道 本文以黄土高原丘陵沟壑区的典型小流域为例 探讨利用大比例尺数
字地形图和
建立黄土高原丘陵沟壑区高分辨率 的关键技术参数 建立高分辨率
为试验区 该区地形复杂 地面相对起伏达 多米 地面坡度 以上达一半以上 土壤侵蚀
严重 因此 建立高分辨率 对正确反映该区水文地貌特征 从而进行水土流失时空动wk.baidu.com评价 地表
径流模拟分析和水土保持规划具有重要意义
本文以数字化地形图
为数据源 包括等高线 等高距为 高程点和河流 个图层 插
值计算以等高线为主 在 ?
件
其插值采用迭代有限差分方法 从最粗的分辨率开始 逐渐插值到最终分辨率 在迭代内插过
程中 使用地形强化算法 从每个伪下陷点周围排水区的最低鞍部推断排水路线 自动去除高程容限以
内的所有伪下陷点 从而减少了去除伪下陷点的编辑或 的后处理过程 另外 系统也将去除所有
与河流水流方向相冲突的高程点 以确保所有河道都位于沟谷的底部 运行
形图等多种 但由于资金等限制 数字地形图仍是获得高分辨率 的主要数据来源 国内关于利用
地形图插值建立 的方法讨论较多的是多要素构 法 利用这种方法为基础 建立了我国几种主
要分辨率
该方法构建的 在沟谷 梁峁等地形部位 源于 的假地形三角面难以消除
影响了 的应用 还有研究者对基于等高线生成 时陡坡的表现方法进行了专门讨论 国外
需要用户进行率
定后设置的参数包括 分辨率 糙度系数和计算叠代次数等 输入的数据主要包括等高线 高程点
河流 湖泊等 与其它生成 方法相比较 河流信息直接参与构建
经过插值系统输出
伪下陷点和各种误差文件 后两类文件有助于查错并改善 质量
工作区域和数据基础 选择黄土高原典型丘陵沟壑区 陕西省安塞县县南沟一子流域 面积约
提供的有默认参数 表 但在我国黄
土高原丘陵沟壑地形复杂区并不完全适用 本文在试验的基础上 确定了 最佳分辨率 第二糙度系
数和计算迭代次数等参数值
表
软件系统默认参数
参数 默认值
第一糙度系数
第二糙度系数
叠代次数
高程容差 等高距的一半
最佳分辨率的确定 最佳网格尺寸确定是建立 的关键问题 对于一定的数据源和
因此
本研究从拟合 提取等高线 将其与原始等高线相比 结果如图 所示 回放等高线与原始等高线弯
曲趋势一致 位置也基本重叠 符合度高 因为在山脊和沟谷特别是沟谷 等高线平面曲率变化很大 所
以总体吻合效果为坡面 山脊 沟谷 由此可见本
研究建立的 分辨率高 模拟效果好 质量优良
能为黄土高原典型丘陵沟壑区基于 的地形地貌
数字化地形图和专业化 插值软件
探讨了
在应用中的几个重要参数的取值 建立了高分辨率
并对拟合 的质量进行了评价 研究表明
最佳分辨率为等高线间距的一半 一般为 或
第二糙度系数为 计算迭代次数为
次
建立的 表面光滑 回放等高线与原等高线符合度高 能真实地表现地形起伏 由其提取的水系与流域沟谷完
全吻合且连续完整 适宜水文分析 是一种建立高质量 的优良方法
建立 的最佳分辨
率是等高线间距的一半 或
由于本试验等高线间距是 故采用 做最佳 分辨率
第二糙度系数确定 第二糙度系数针对剖面曲率进行 是一种局地曲率适应性处理 目的在于
使流水地貌特征及其突变得到有效反映 这在以高质量的等高线为主生成 时 可以得到良好的结
果
用户手册中推荐的取值范围是
即不做剖面曲率处理 为最大剖面
慢并趋于稳定 且剩余新数据行数量基本稳定为 说明计算结果已经达到了很好的收敛性 另外 随
着迭代次数的增加 耗时量也呈直线增加 故综合考虑 对黄土高原丘陵沟壑区迭代次数取
次
较为适宜 若输入数据量大则取 次 若数据量小
质量需求高则可选择 次 本文选择 次为
计算迭代次数 比系统默认值多 次
质量评价
高质量的 是基于 提取流域水文地貌信息进行正确分析研究的前提 根据本研究所确定
的相关参数 利用
生成试验区的高分辨率
图 并对其质量和对水系的表现进行了分
析 以评价其在黄土高原丘陵沟壑区的适用性
误差评价 正确真实地表现地形起伏是 的基本要
求由
生成的 的最低点和最高点的高程分别
为
和
与原输入等高线高程值范围
和
相比 向两极各延伸了约一个等高线间距
即
在适当范围内使沟谷加深山顶增高 因而 表面变化连续
的沟壑
总长度为
沟壑密度为
与相邻
图 回放等高线与原始等高线的比较
同地貌类型区纸坊沟沟壑密度
相近
结论
在本文试验所在的黄土高原丘陵沟壑区 基于 万数字地形图 利用
建立 的最佳
分辨率是等高距的一半 第二糙度系数为 计算迭代次数依据处理数据量的大小可取
次
能充分利用已知的河流湖泊信息 该信息的输入和
地形强化算法 使建立的 伪
研究 水文分析提供强有力的数据支撑
水系的发现 沟壑水系是黄土高原丘陵沟壑区
最明显最重要的地理特征之一 正确提取河流水系
在流域 水 文 和 土 壤 侵 蚀 模 拟 中 具 有 重 要 的 实 际 意
义 如图
地形强化算法和河流数据的输
入 保证了 提取水系的完整连续 河流都位于沟
道底部 没有梳状平行河流出现 大于
以 组试验得出的规律相同 平均绝对误差和标准误差均在第二糙度系数取 时最小 因此试验区第
二糙度系数的最佳取值应为 而且有无高程点参与建模都适用
图 坡度的均方差与 分辨率关系曲线
图例中的数字表示测试点数 图 第二糙度系数对 高程精度的影响
计算迭代次数的确定
插值是通过有限差分方式用高斯 塞德尔迭代法
实现的 图 中伪下陷点是 质
曲率处理 由于第二糙度系数是系统新引入的一个参数 其算法也还在改进中 所以用户必须通过试
验率定其值 杨勤科等在应用
建立中低分辨率 的研究中 曾提出利用统计分析 地貌
学分析和与 高程 独立高程度值比较等方法确定第二糙度系数的值 本文参考第 种方法 以
从地形图数字化的不参与建模的高程点做检测点 用数字化的高程值为真实高程值 与第二糙度系数不
拐点所对应的分辨率即为最佳分辨率 为提高试验可信度 本研究在 等高线的基础上 提取等间距
为 的等高线 分别以
间距等高线为数据源 生成不同分辨率的
记录不同分辨率下的
坡度均方差值 并绘制其分布曲线 图 图 表明 当等高线间距分别为 和 时 对应的最佳分
辨率分别为 和
因此 对于本试验区 万数字地形图 利用
自然 图 特别是山头沟谷没有出现 平三角形 等扭曲实
际地形的现象 而是较为圆滑 更贴近真实地面状况 图
由
输出的高程残差文件得知 所拟合 的高程
与输入高 程 的 差 值 都 小 于 半 个 等 高 距
均方根误差
根据生成
的 文件 为了进一步检验拟合
对高程的预测代表性 在建立 时随机抽取 个高
程控制点不参与建模 与拟合的 相应点高程对照以检测
系统计算替代次数越多 计算结果越收敛 但耗时也越多 图 表明 随着计算迭代次数的增加 剩
余新数据行数
则急剧下降 伪下陷点数目也有所减少 地形强化数量急剧增加 当
迭代次数达到
次 此时 剩余新数据行数递减为 伪下陷点和地形强化数量上下浮动 但变化不
大 迭代次数大于 次后 虽然总体上伪下陷点数在减少 地形强化数量上在增多 但这种增减变化缓