基于DEM的数字地形分析
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时针方向) . 本研究将其分为 5 级 ,即平坡 、0°～90°、 90°～180°、180°～270°、270°～360°. 11313 坡面倾斜类型
通过 DEM 计算坡面倾斜类型的方法用图 1 来 说明. 为了求点 O 的坡面倾斜类型 ,首先从点 O 周 围的 8 个网格中找到海拔最低点 C , 然后找出与点 O 相同海拔的点 A 和点 B ( A 、B 位于 OC 两侧) ,角 AOB 即为点 O 的坡面倾斜类型. 本研究将坡面倾 斜类型划分为 3 级 ,即 :凹型 (容易收集地表径流 , 小于 150°) ;平坦型 (150°～210°) ;凸型 (大于 210°,易 于地表径流的分散) .
收稿日期 :200422042218 http :ΠΠjournal . bjfu. edu. cn 基金项目 “: 973”国家重点基础研究发展规划项目 (2002CB111503) 、霍英东青年教师基金项目 (81026) 、日本科学技术厅特别研究员项目. 第一作者 :毕华兴 ,博士 ,副教授. 主要研究方向 : 地理信息系统应用 、水土保持. 电话 :010262398679 Email : bhx @bjfu. edu. cn 地址 : 100083 北京林业大学 67 信箱.
本文以日本东北地区岩手县早池峰山 (地理坐 标为东经 39°30′～39°35′、北纬 141°26′～141°34′,面 积约 10 605 hm2 ,海拔 550～1 917 m) 为研究对象 ,以 美国 MicroImage 公司开发的 TNTmips 地理信息系统 为工具 ,研究基于 DEM 的数字地形特征提取与分析 以及 DEM 精度对地形特征的影响.
50
北 京 林 业 大 学Fra Baidu bibliotek 学 报
第 27 卷
DEM resolution changes from fine to coarse ; and (c) the quantity of hydrologic topography information declines as DEM resolution decreases. Key words digital elevation model (DEM) , digital terrain analysis , DEM resolution , GIS , Hayachinesan
数字高程模型 (DEM) 已经被广泛地应用到诸如 地形特征提取 、流域水系分析等众多数字地形分析 领域[1225] . 目前数字高程数据主要来源于 : ①照片立 体测绘及数据捕获[6] ; ②等高线的数字化 ; ③快速发 展的全球定位系统 ( GPS) ; ④激 光 扫 描 测 高 系 统 (LIDAR) . 其中 LIDAR 集合了惯性测量器 ( IMU) 和全 球定位系统 ,可同时给出传感器精确的位置和方向 , 并获得涉及到地球表面的资料. 可变的激光脉冲和 扫描适合于不同的地形和植被条件. 这一方法可提 供高 精 度 的 数 字 高 程 数 据 ( 垂 直 精 度 可 达 12 cm) [7229] . 用以上不同方法所得到的高程数据 ,一般 可分为 3 类 ,即 :网格 、不规则三角形网 ( TIN) 以及等 高线.
Forestry University (2005) 27 (2) 492253[ Ch , 14 ref . ] 1 College of Soil and Water Conservation , Beijing Forestry University , Key Laboratory of Soil and Water Conservation & Desertification Combating , Ministry of Education ,100083 , P. R. China ; 2 Soil and Water Conservation Service , Qingcheng County , Gansu Province , 745100 ,P. R. China.
数字地形分析是以数字高程数据为基础来推导 二维或三维地形特征以及确定流域 、集水区 、水流路 径等等. 一般情况下 ,从 DEM 导出的地形特征参数 可划分为两类 ,原生特征和次生特征[6] .
目前 ,DEM 的误差来源[102211] 、误差检测[12] 、误差 可视化以及误差校正[13] 等方面有大量的研究成果. 其中 DEM 的水平和垂直精度对基于 DEM 导出的地 形特征有较大的影响[14] .
第 27 卷 第 2 期 2005 年 3 月
北 京 林 业 大 学 学 报 JOURNAL OF BEIJ ING FORESTRY UNIVERSITY
Vol. 27 , No. 2 Mar. , 2005
基于 DEM 的数字地形分析
毕华兴1 谭秀英2 李笑吟1
(1 北京林业大学水土保持学院 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室 2 甘肃省庆城县水保局)
摘要 : 该文在对数字高程模型 (DEM) 数据来源及结构 、数字地形分析及其应用 、基于 DEM 的地形分析中的不确定 性和误差分析的基础上 ,以日本东北地区岩手县早池峰山为研究对象 ,美国 MicroImage 公司开发的 TNTmips 地理信 息系统为工具 ,日本国土地理院发行的“数字地图 25000”为基础数据 ,研究基于 DEM 的数字地形特征提取与分析 方法 ,以及 DEM 精度对地形特征的影响. 研究结果表明 : ①以 DEM 为基础可提取多种地形特征 ,如坡度 、坡向 、坡 面形态 、流域边界 、水流路径等 ,这些特征在地理信息系统的支持下均可用图形和属性数据来表示 ; ②DEM 水平精 度对基于 DEM 提取的数字地形特征影响表现为 :低精度的 DEM 将导致研究区平均坡度变小 、坡度标准差变大 ;同 时 ,DEM 精度对不同坡度区域表现为不同的影响 ,其结果按坡度大致可划分为 3 种不同类型 ,即 0°～10°、10°～35°以 及大于 35°; DEM 精度对坡向的影响除平坡外变化较小 ,其中平坡面积随 DEM 精度的降低而增大 ;低精度的 DEM 将导致水文地形信息受损 ,这将严重影响流域水文模型参数的确立及水文过程模拟分析的精度. 关键词 : 数字高程模型 (DEM) ,数字地形分析 ,DEM 精度 ,地理信息系统 ,早池峰山 中图分类号 :TP75 文献标识码 :A 文章编号 :1000221522 (2005) 022200492205 BI Hua- xing1 ,2 ; TAN Xiu- ying3 ; LI Xiao- yin1 ,2 . Digital terrain analysis based on DEM. Journal of Beijing
1 数据与方法
111 数 据 采用的是 1998 年日本国土地理院的“数字地图
25000”,它是以 1Π25000 地形图为基础 ,经扫描处理 后形成的. 另外 ,本研究还以日本国土调查局发布 的“土地分类基本调查 (1Π50000) ”为实地调查数据. 112 DEM 的拟合
以数字地图 25000 为基础提取等高线并经编辑 处理 ,然后应用最小曲面法对等高线进行转化 ,计算
The digital elevation model (DEM) , an important source of information , is usually used to express the topographic surface in three dimensions and imitates the essential natural geography. Now , DEM has been applied in physical geography , hydrology , ecology and biology and when connected with topographic attribute extraction , in watershed and flow path analyses. The study has analyzed the digital elevation data sources and their structure , the arithmetic of terrain attribute extraction from DEM and its application as well as DEM’s error and uncertainty algorithm. The Hayachinesan mountain area (in Northeastern Japan) was chosen as the research site and the focus was on terrain analysis and the impacts of DEM’s resolution on topographic attributes using TNTmips GIS software ( developed by MicroImage Inc. , USA) and“digital map 25000” (published by the Geographical Survey Institute of Japan in 1998) . The results show that : ①DEM is a very effective tool for terrain analysis ; many terrain attributes can be derived such as slope , aspect , slope type , watershed , standard flow path and so on ; these attributes can be displayed with both image and attribute databases with the help of GIS ; ②DEM’s resolution has a great influence on terrain attributes ; the following details are shown : (a) DEM resolution has a significant effect on slope estimation : the average slope becomes smaller and the standard deviation larger when DEM resolution changes from fine to coarse and the different impacts of DEM’s resolution on different slope ranges can be classified into three gradient classes : 02210 degree (underestimated slope) , 102235 degree (overestimated slope) and more than 35 degree (little impact on slope estimation) ; (b) DEM resolution has little effect on aspect estimation , but flat areas become larger when
DEM. 113 基于 DEM 的数字地形特征提取与计算 11311 坡 度
以 DEM 为基础 , 采用传统的 D8 方法计算坡 度. 本研究将其分为 6 级 , 即 0°～3°、3°～8°、8°～ 15°、15°～25°、25°～35°以及大于 35°.
11312 坡 向 坡向用方位角表示 (0°～360°、正北为起点 ,顺
通过 DEM 计算坡面倾斜类型的方法用图 1 来 说明. 为了求点 O 的坡面倾斜类型 ,首先从点 O 周 围的 8 个网格中找到海拔最低点 C , 然后找出与点 O 相同海拔的点 A 和点 B ( A 、B 位于 OC 两侧) ,角 AOB 即为点 O 的坡面倾斜类型. 本研究将坡面倾 斜类型划分为 3 级 ,即 :凹型 (容易收集地表径流 , 小于 150°) ;平坦型 (150°～210°) ;凸型 (大于 210°,易 于地表径流的分散) .
收稿日期 :200422042218 http :ΠΠjournal . bjfu. edu. cn 基金项目 “: 973”国家重点基础研究发展规划项目 (2002CB111503) 、霍英东青年教师基金项目 (81026) 、日本科学技术厅特别研究员项目. 第一作者 :毕华兴 ,博士 ,副教授. 主要研究方向 : 地理信息系统应用 、水土保持. 电话 :010262398679 Email : bhx @bjfu. edu. cn 地址 : 100083 北京林业大学 67 信箱.
本文以日本东北地区岩手县早池峰山 (地理坐 标为东经 39°30′～39°35′、北纬 141°26′～141°34′,面 积约 10 605 hm2 ,海拔 550～1 917 m) 为研究对象 ,以 美国 MicroImage 公司开发的 TNTmips 地理信息系统 为工具 ,研究基于 DEM 的数字地形特征提取与分析 以及 DEM 精度对地形特征的影响.
50
北 京 林 业 大 学Fra Baidu bibliotek 学 报
第 27 卷
DEM resolution changes from fine to coarse ; and (c) the quantity of hydrologic topography information declines as DEM resolution decreases. Key words digital elevation model (DEM) , digital terrain analysis , DEM resolution , GIS , Hayachinesan
数字高程模型 (DEM) 已经被广泛地应用到诸如 地形特征提取 、流域水系分析等众多数字地形分析 领域[1225] . 目前数字高程数据主要来源于 : ①照片立 体测绘及数据捕获[6] ; ②等高线的数字化 ; ③快速发 展的全球定位系统 ( GPS) ; ④激 光 扫 描 测 高 系 统 (LIDAR) . 其中 LIDAR 集合了惯性测量器 ( IMU) 和全 球定位系统 ,可同时给出传感器精确的位置和方向 , 并获得涉及到地球表面的资料. 可变的激光脉冲和 扫描适合于不同的地形和植被条件. 这一方法可提 供高 精 度 的 数 字 高 程 数 据 ( 垂 直 精 度 可 达 12 cm) [7229] . 用以上不同方法所得到的高程数据 ,一般 可分为 3 类 ,即 :网格 、不规则三角形网 ( TIN) 以及等 高线.
Forestry University (2005) 27 (2) 492253[ Ch , 14 ref . ] 1 College of Soil and Water Conservation , Beijing Forestry University , Key Laboratory of Soil and Water Conservation & Desertification Combating , Ministry of Education ,100083 , P. R. China ; 2 Soil and Water Conservation Service , Qingcheng County , Gansu Province , 745100 ,P. R. China.
数字地形分析是以数字高程数据为基础来推导 二维或三维地形特征以及确定流域 、集水区 、水流路 径等等. 一般情况下 ,从 DEM 导出的地形特征参数 可划分为两类 ,原生特征和次生特征[6] .
目前 ,DEM 的误差来源[102211] 、误差检测[12] 、误差 可视化以及误差校正[13] 等方面有大量的研究成果. 其中 DEM 的水平和垂直精度对基于 DEM 导出的地 形特征有较大的影响[14] .
第 27 卷 第 2 期 2005 年 3 月
北 京 林 业 大 学 学 报 JOURNAL OF BEIJ ING FORESTRY UNIVERSITY
Vol. 27 , No. 2 Mar. , 2005
基于 DEM 的数字地形分析
毕华兴1 谭秀英2 李笑吟1
(1 北京林业大学水土保持学院 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室 2 甘肃省庆城县水保局)
摘要 : 该文在对数字高程模型 (DEM) 数据来源及结构 、数字地形分析及其应用 、基于 DEM 的地形分析中的不确定 性和误差分析的基础上 ,以日本东北地区岩手县早池峰山为研究对象 ,美国 MicroImage 公司开发的 TNTmips 地理信 息系统为工具 ,日本国土地理院发行的“数字地图 25000”为基础数据 ,研究基于 DEM 的数字地形特征提取与分析 方法 ,以及 DEM 精度对地形特征的影响. 研究结果表明 : ①以 DEM 为基础可提取多种地形特征 ,如坡度 、坡向 、坡 面形态 、流域边界 、水流路径等 ,这些特征在地理信息系统的支持下均可用图形和属性数据来表示 ; ②DEM 水平精 度对基于 DEM 提取的数字地形特征影响表现为 :低精度的 DEM 将导致研究区平均坡度变小 、坡度标准差变大 ;同 时 ,DEM 精度对不同坡度区域表现为不同的影响 ,其结果按坡度大致可划分为 3 种不同类型 ,即 0°～10°、10°～35°以 及大于 35°; DEM 精度对坡向的影响除平坡外变化较小 ,其中平坡面积随 DEM 精度的降低而增大 ;低精度的 DEM 将导致水文地形信息受损 ,这将严重影响流域水文模型参数的确立及水文过程模拟分析的精度. 关键词 : 数字高程模型 (DEM) ,数字地形分析 ,DEM 精度 ,地理信息系统 ,早池峰山 中图分类号 :TP75 文献标识码 :A 文章编号 :1000221522 (2005) 022200492205 BI Hua- xing1 ,2 ; TAN Xiu- ying3 ; LI Xiao- yin1 ,2 . Digital terrain analysis based on DEM. Journal of Beijing
1 数据与方法
111 数 据 采用的是 1998 年日本国土地理院的“数字地图
25000”,它是以 1Π25000 地形图为基础 ,经扫描处理 后形成的. 另外 ,本研究还以日本国土调查局发布 的“土地分类基本调查 (1Π50000) ”为实地调查数据. 112 DEM 的拟合
以数字地图 25000 为基础提取等高线并经编辑 处理 ,然后应用最小曲面法对等高线进行转化 ,计算
The digital elevation model (DEM) , an important source of information , is usually used to express the topographic surface in three dimensions and imitates the essential natural geography. Now , DEM has been applied in physical geography , hydrology , ecology and biology and when connected with topographic attribute extraction , in watershed and flow path analyses. The study has analyzed the digital elevation data sources and their structure , the arithmetic of terrain attribute extraction from DEM and its application as well as DEM’s error and uncertainty algorithm. The Hayachinesan mountain area (in Northeastern Japan) was chosen as the research site and the focus was on terrain analysis and the impacts of DEM’s resolution on topographic attributes using TNTmips GIS software ( developed by MicroImage Inc. , USA) and“digital map 25000” (published by the Geographical Survey Institute of Japan in 1998) . The results show that : ①DEM is a very effective tool for terrain analysis ; many terrain attributes can be derived such as slope , aspect , slope type , watershed , standard flow path and so on ; these attributes can be displayed with both image and attribute databases with the help of GIS ; ②DEM’s resolution has a great influence on terrain attributes ; the following details are shown : (a) DEM resolution has a significant effect on slope estimation : the average slope becomes smaller and the standard deviation larger when DEM resolution changes from fine to coarse and the different impacts of DEM’s resolution on different slope ranges can be classified into three gradient classes : 02210 degree (underestimated slope) , 102235 degree (overestimated slope) and more than 35 degree (little impact on slope estimation) ; (b) DEM resolution has little effect on aspect estimation , but flat areas become larger when
DEM. 113 基于 DEM 的数字地形特征提取与计算 11311 坡 度
以 DEM 为基础 , 采用传统的 D8 方法计算坡 度. 本研究将其分为 6 级 , 即 0°～3°、3°～8°、8°～ 15°、15°～25°、25°～35°以及大于 35°.
11312 坡 向 坡向用方位角表示 (0°～360°、正北为起点 ,顺