基于DEM的梯田自動(dòng)提取模型研究

1、本科生畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)）（申請(qǐng)學(xué)士學(xué)位）注意：1所有表格必須用word中的表格做，不能抓屏2 、表格、圖不能出頁(yè)碼，一般居中3 、留好電子版的論文及相關(guān)材料4、章節(jié)號(hào)的標(biāo)題不能在獨(dú)立頁(yè)的最末行，前四頁(yè)沒(méi)有頁(yè)眉5、頁(yè)面設(shè)置，紙張大小AA頁(yè)邊距左3厘米，上、下、右頁(yè)邊 距2.5厘米，對(duì)稱(chēng)頁(yè)邊距。6、該論文模板禁止任何修改論 文題目 基于DEM的梯田自動(dòng)提取模型研究作者姓名程彩霞所學(xué)專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)地理信息系統(tǒng)指導(dǎo)教師王春（注意整體居中，題目等橫線上要填的居中，論文模版格式不要隨便改動(dòng)，題目為小三、楷體_GB2312）2009年6月6日學(xué) 號(hào)：論文答辯日期： 2009 年 6 月 6日（簽字）指 導(dǎo) 教 師

2、：滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的設(shè)計(jì)（論文）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容 夕卜，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果。本人 完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：年 月 日目錄（目錄自動(dòng)生成，四號(hào)、黑體）摘要 1Abstract 11引言 11.1選題背景與依據(jù) 11.2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 11.3研究?jī)?nèi)容與技術(shù)方案 21.4論文組織 32梯田形態(tài)特征分析 32.1梯田的自然形態(tài)特征 32.2梯田的數(shù)字化表達(dá) 52.2.1 梯田的不規(guī)則三角網(wǎng)表達(dá) 52.2.2 梯田的規(guī)則格網(wǎng) DEM表達(dá) 5

3、2.3小結(jié) 63. 基于DEM的梯田自動(dòng)提取模型 63.1 模型總體結(jié)構(gòu) 63.2 模型關(guān)鍵技術(shù) 63.2.1 地表法向量計(jì)算模型 63.2.2 梯田內(nèi)部格網(wǎng)點(diǎn)的識(shí)另U 83.2.3梯田邊界線的提取 83.3小結(jié) 104. DEM梯田自動(dòng)提取原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 104.1原型系統(tǒng)概述 104.1.1 原型系統(tǒng)主要功能 104.1.2原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái) 124.2原型系統(tǒng)測(cè)試 124.2.1 實(shí)驗(yàn)樣區(qū)概述 124.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 144.4小結(jié) 155. 結(jié)論與討論 165.1 主要成果165.2研究展望16參考文獻(xiàn)17附 錄：關(guān)鍵程序代碼 18致 謝23（目錄內(nèi)容五號(hào)、宋體）基于deM勺梯田自動(dòng)

4、提取模型研究（小二、黑體）摘要 ：（四號(hào)、黑體） DEM 蘊(yùn)含了豐富的地形信息，論文通過(guò)分析不同地區(qū)梯田的形態(tài)特征及 其在 DEM 勺表現(xiàn)形式，構(gòu)建基于 DEM 提取梯田勺數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放性和實(shí)用性勺基于 DEM 提取梯田勺原型系統(tǒng)，并以黃土高原勺 DEM 數(shù)據(jù)為樣本，完成原型系統(tǒng)勺檢測(cè)， 為估算和 檢核農(nóng)業(yè)用地面積，改進(jìn) DEM 地形建模精度等提供了很好勺是理論與實(shí)踐參考。 （五號(hào)、宋體， 行間距為固定值 20 磅） 關(guān)鍵詞 ：（四號(hào)、黑體） 數(shù)字高程模型；梯田；數(shù)學(xué)模型；原型系統(tǒng)A New Model of Derived Terraces Based on Grid DEM（三號(hào)、

5、 Times New Roman）Abstract：（ 四號(hào)、 Times NewRoman） Digital Elevation Models（DEM） contains plenty of information , the papers transit the analysis of morphological characteristics in different regions and its performance in the form of DEM , then build the mathematical methods of extraction of terraced

6、fields based on DEM and develop the prototype system with open and practical function, complete the test of the prototype system with the DEM data of Loess Plateau. It provides a good theory and practice reference to estimate the area of agricultural land, at the same time; it improves the accuracy

7、of DEM in terrain model in g.（五號(hào)、Times New Roma n,行間距為固定值 20磅）Key words：（ 四號(hào)、 Times NewRoman） digital elevation models ；terraces；mathematical methods； prototype system （五號(hào)、 Times New Roman）（以上單獨(dú)成頁(yè),單獨(dú)成頁(yè)勺沒(méi)有頁(yè)眉）1 引言 （段前 12 磅，段后 6 磅，小三、黑體）1.1 選題背景與依據(jù) （段前 6 磅，段后 6 磅 ， 四號(hào)、黑體）梯田是人類(lèi)長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)原生黃土地貌形態(tài)進(jìn)行人工改造而形成的獨(dú)特地

8、形， 不僅包含復(fù)雜的 自然微地貌特征（如切割梯田的各種溝壑等） ，而且包含豐富的人工改造工程特征，具有重要的 科學(xué)研究?jī)r(jià)值。它具有攔蓄暴雨、地表徑流 , 保土保肥、方便耕作等作用，是治理坡耕地水土流 失的有效措施，而且它的通風(fēng)透光條件較好，有利于作物生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累，增強(qiáng)了抵御自 然災(zāi)害的能力，同時(shí)也使土地利用結(jié)構(gòu)得到合理的調(diào)整，因此梯田的建設(shè)是夯實(shí)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ), 改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件 , 實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。數(shù)字高程模型（ Digital Elevation Model ，DEM ）是國(guó)家基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的重要組成部分，它表 示地表區(qū)域上地形的三維向量的有限序列，即地表單元上高程的集合。通

9、過(guò)高程信息來(lái)記錄地形 的起伏，當(dāng)中蘊(yùn)含著各種地形地貌的結(jié)構(gòu)信息，其中包括梯田、等高線、山谷線、山脊線坡度、 坡向、地表粗糙度、地形起伏度、剖面曲率和平面曲率等。這些信息是進(jìn)行各種地學(xué)分析所必須 的信息。 研究國(guó)家已經(jīng)建立的各種比例尺 DEM 蘊(yùn)含了怎樣的梯田信息， 如何快速、 準(zhǔn)確的提取它 們， 對(duì)小流域梯田改造、 水文分析、 水土保持及生態(tài)恢復(fù)、 環(huán)境保護(hù)、 估算和檢核農(nóng)業(yè)用地面積、 改進(jìn)DEM地形建模精度等具有重要的指導(dǎo)和應(yīng)用價(jià)值。（五號(hào)、宋體，行間距為固定值 20磅）1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展自數(shù)字高程模型（DEM ）概念的提出，DEM的諸多理論問(wèn)題得到了深入的研究，DEM的及基于 DEM

10、數(shù)字地形分析的理論與技術(shù)方法體系正在形成。隨著全國(guó)多尺度的DEM 的相繼建立，它的應(yīng)用遍及地球科學(xué)、資源、環(huán)境、測(cè)繪與遙感、軍事、土木工程等領(lǐng)域，并發(fā)揮著越來(lái)越重 要的作用。在理論研究方面，DEM的不確定性、DEM的尺度效應(yīng)、DEM的地學(xué)分析、基于 DEM的數(shù)據(jù)挖掘都取得了較大的突破。在應(yīng)用方面，也從一般的地形因子提取、支持三維漫游等簡(jiǎn)單 應(yīng)用向更多的樣式、更廣泛的領(lǐng)域發(fā)展?？梢哉f(shuō)，DEM所代表的已經(jīng)不僅僅是一般的記錄海拔高 程的空間數(shù)據(jù)，還包括一些空間分析的思路、一種地學(xué)處理的方法。而對(duì)DEM 精度的研究，一直是攝影測(cè)量界的重要研究議題，隨著科技的發(fā)展，DEM 的精度也在逐漸提高，同時(shí)提出了

11、 DEM精度描述指標(biāo)和評(píng)定方法，建立了 DEM 精度評(píng)價(jià)體系和精度模型，使得 DEM 的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì) DEM 應(yīng)用展開(kāi)了一系列的研究， 并取得了重要成果。 中科院水土 保持研究所李銳等在數(shù)字黃土高原及區(qū)域水土流失評(píng)價(jià)研究中取得重要的進(jìn)展1 ；劉昌明等在利用DEM進(jìn)行流域水文過(guò)程模擬等方面已有諸多成果2;傅伯杰等在基于RS、GIS的黃土高原景觀及基于DEM的土壤侵蝕規(guī)律研究3-4，閭國(guó)年等在基于DEM的黃土地形自動(dòng)識(shí)別與分割，取得了 令人矚目的研究成果 5-6 。此外， 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的湯國(guó)安、劉學(xué)軍等多年來(lái)一直致力于基于 DEM的黃土高原

12、數(shù)字地形分析研究，在基于DEM的黃土高原地貌形態(tài) 特征分析、黃土高原資源環(huán)境研究、黃土高原 DEM 及數(shù)字地形分析的不確定性、黃土高原 DEM 的破譜研究、黃土高原的高保真 DEM 、基于 DEM 的溝壑特征分析、基于 DEM 的山地氣候特征分 析、基于 DEM 的植被空間分異分析等領(lǐng)域進(jìn)行了全面而深入的研究，并取得了一系列令人矚目 的研究成果 7-8 。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用， 數(shù)字地形分析的研究也越來(lái)越受到人們的重視。DEM 的數(shù)字地形分析研究的主要內(nèi)容是地形因子的提取和地形特征的提取。地形因子有很多，分為微觀 因字和宏觀因子，常用的有微觀因子主要有坡度、坡向、坡度變率、坡向變率、

13、平面曲率、剖面 曲率、坡長(zhǎng)，常用的宏觀因子主要有破形因子、地形粗糙讀、地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表 切割深度。 這些地形因子具有明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式和物理定義， 可以在 DEM 上直接量算， 計(jì)算的結(jié) 果均具有實(shí)際的物理意義和量綱的量，可以通過(guò)實(shí)地或地形圖的量測(cè)而直接檢驗(yàn)。地形特征是地表形態(tài)和特征的定性表達(dá)，主要有山頂點(diǎn)、凹陷點(diǎn)、脊點(diǎn)、谷點(diǎn)、鞍點(diǎn)、平地 點(diǎn)、山脊線、山谷線、等高線、溝沿線、水系、梯田等，可以在 DEM 上直接提取，特點(diǎn)是定義明 確，但邊界具有一定的模糊性，難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)，地形特征的提取通常根據(jù)對(duì)高程點(diǎn)的空 間分布關(guān)系的分析、或?qū)Φ乇砦镔|(zhì)運(yùn)動(dòng)機(jī)理的簡(jiǎn)化建模，通過(guò)某種模擬算法而

14、實(shí)現(xiàn)，如確定水文 要素的流水路徑算法，提取結(jié)果通常以分類(lèi)的形式表達(dá)，并可利用常用的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行分類(lèi)檢 驗(yàn)。地形特征的自動(dòng)提取技術(shù)已經(jīng)有豐富的研究，如基于圖像處理技術(shù)的算法提取山谷線和山脊 線、基于地形表面流水物理模擬分析方法提取山谷線和山脊線、利用溝間地和溝坡地在形態(tài)和成 因上的差異進(jìn)行溝沿線的提取、基于地表徑流漫流模型提取水系等。梯田作為一種特殊的地形特征， 到目前為止還沒(méi)有人對(duì) DEM 中梯田的自動(dòng)提取技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng) 的研究過(guò)。 因此，本文通過(guò)分析不同地區(qū)梯田的形態(tài)特征及其在 DEM 的表現(xiàn)形式， 構(gòu)建基于 DEM 提取梯田的數(shù)學(xué)模型， 開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放性和實(shí)用性的基于 DEM 提取梯田的原型

15、系統(tǒng)， 并以黃土高原 的DEM數(shù)據(jù)為樣本，完成原型系統(tǒng)的檢測(cè)，為估算和檢核農(nóng)業(yè)用地面積，改進(jìn)DEM地形建模精度等提供理論與實(shí)踐參考。1.3 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)方案查閱文獻(xiàn)資料，分析不同區(qū)域梯田的形態(tài)特征及其在DEM中的表現(xiàn)形式，根據(jù)分析結(jié)果，構(gòu)建描述梯田特征的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)表達(dá)約束條件，基于ArcGIS Engine組件，開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放性和實(shí)用性的基于 DEM 的梯田自動(dòng)提取原型系統(tǒng)， 并以黃土高原梯田地形為檢驗(yàn)樣區(qū)， 完成原型系統(tǒng)的 實(shí)例測(cè)試。依據(jù)論文研究?jī)?nèi)容，構(gòu)建了如下的技術(shù)流程：（表格的表名在表上方，圖的圖名在下方，圖表名用小五黑體，圖表中文字用小五宋體。插圖與其圖題為一個(gè)整體，不得拆開(kāi)排寫(xiě)于

16、兩頁(yè)。 圖題由圖號(hào)和圖名組成。圖號(hào)按章編排，如第 1 章第一圖圖號(hào)為“圖 1- 1”等。）1.4論文組織本文共有四個(gè)章節(jié)，第一章是總體概述，主要論述論文的選題背景、依據(jù)、國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展、研究?jī)?nèi)容和大致 的一個(gè)技術(shù)方案。第二章主要分析梯田的形態(tài)特征，通過(guò)分析梯田的自然形態(tài)特征和它在矢量地形圖、不規(guī)則 三角網(wǎng)和規(guī)則格網(wǎng)DEM中的表現(xiàn)形式，總結(jié)出梯田的形態(tài)特征。第三章是構(gòu)建基于格網(wǎng) DEM的梯田自動(dòng)提取模型，主要介紹構(gòu)建模型的算法和關(guān)鍵技術(shù)。 第四章是原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，主要介紹原型系統(tǒng)的功能和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，論述算法是如何實(shí)現(xiàn)的以 及最終測(cè)試的結(jié)果。第五章是論文的主要成果以及研究展望。2梯田形態(tài)特征分析2

17、.1梯田的自然形態(tài)特征我國(guó)幅員遼闊，梯田遍布全國(guó)各地，特別是水土流失比較嚴(yán)重的地方，因?yàn)榭捎行У胤乐?水土流失，創(chuàng)造良好的水、土生態(tài)環(huán)境，有利于耕作，提高作物產(chǎn)量。例如，黃土高原、東北、 龍脊、云南元陽(yáng)等地區(qū)都是大面積梯田覆蓋地區(qū)。我國(guó)黃土高原受特殊的地貌結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件和人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等因素的綜合作用使之成為 全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，而梯田是一種防止水土流失的有效方式，因此它是黃土高原基本農(nóng)田的重要組成部分。 從圖2-1黃土梯田的野外實(shí)景圖，可以觀察到它大致的形態(tài)，它呈階梯狀，坡度比較陡，修筑的梯田一般為水平梯田，梯田表面有局部的起伏，但起伏度很小，總體趨勢(shì)是以平直坡面為主。圖2-1陜西黃

18、土梯田圖2-2廣西龍脊梯田圖2-3 云南元陽(yáng)梯田龍脊梯田位于廣西境內(nèi)，它是壯族文化保存得最為完整的地區(qū)之一。龍脊地區(qū)山嶺綿延，地 勢(shì)高低不平，并不適宜開(kāi)展稻作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此發(fā)展出了獨(dú)具特色的梯田稻作形式。但由于山地 生態(tài)環(huán)境的限制，梯田大都比較狹窄。龍脊梯田地處海拔1916米的崇山峻嶺深處，梯田海拔最高處 1180米，最低 380米，垂直落差 800米，坡度大多在 26至35度之間，最大坡度達(dá) 50度，它是因山 就勢(shì)、 因地制宜而開(kāi)辟的修筑的梯田一般是復(fù)式梯田。 圖 2-2是龍脊梯田的野外實(shí)景圖， 我們可以 從實(shí)景圖中可以看出它大致的形態(tài)，它呈階梯狀，沿著陡峭的山坡層層向上分布，梯田表面是一

19、個(gè)平直坡面。元陽(yáng)梯田位于云南省元陽(yáng)縣的哀牢山南部，是哈尼族人世世代代留下的杰作。元陽(yáng)哈尼族開(kāi) 墾的梯田隨山勢(shì)地形變化，因地制宜，坡緩地大則開(kāi)墾大田，坡陡地小則開(kāi)墾小田，甚至溝邊坎 下石隙也開(kāi)田，因而梯田大者有數(shù)畝、小者僅有簸箕大，往往一坡就有成千上萬(wàn)畝。元陽(yáng)梯田規(guī) 模宏大，氣勢(shì)磅礴，綿延整個(gè)紅河南岸的紅河、元陽(yáng)、綠春及金平等縣，僅元陽(yáng)縣境內(nèi)就有17萬(wàn)畝梯田，是紅河哈尼梯田的核心區(qū)。元陽(yáng)縣境內(nèi)全是崇山峻嶺，所有的梯田都修筑在山坡上，梯 田坡度在 15度至 75度之間。以一座山坡而論，梯田最高級(jí)數(shù)達(dá)3000級(jí)，這在中外梯田景觀中是罕見(jiàn)的。 圖 2-3是元陽(yáng)梯田的野外實(shí)景圖， 它和其他的梯田一樣。

20、都是它呈階梯狀， 沿著陡峭的山坡 層層向上分布，梯田的表面有局部的起伏，但起伏度很小，總體上是一個(gè)平直坡面。總體上，梯田是呈條帶狀階梯式分布的，梯田的表面有局部起伏，但起伏度很小，可以近似 為平直的坡面。2.2 梯田的數(shù)字化表達(dá)2.2.1 梯田的不規(guī)則三角網(wǎng)表達(dá)不規(guī)則三角網(wǎng)是用一系列互不交叉、互不重疊的連接在一起的三角形來(lái)表示地形表面。它主 要通過(guò)節(jié)點(diǎn)（地形采樣點(diǎn)） 、三角形邊和三角形面之間的關(guān)系來(lái)顯式或隱式的表達(dá)地形散點(diǎn)的拓 撲關(guān)系。圖 2-4 是 1:10000 比例尺的黃土梯田在不規(guī)則三角網(wǎng)中的一個(gè)三維模擬圖，線狀要素為原 始采樣數(shù)據(jù)，紅色線是梯田邊沿線，藍(lán)色線是山脊山谷線，黑色線為計(jì)曲

21、線，灰色線是首曲線。 從圖中可以看出，梯田在不規(guī)則三角網(wǎng)中通常都是以平直面的形式存在的2.2.2梯田的規(guī)則格網(wǎng)DEM表達(dá)規(guī)則格網(wǎng)deMU由一系列規(guī)則分布的正方形格網(wǎng)連接在一起來(lái)表示地形表面。由于格網(wǎng)的規(guī)則性，格網(wǎng)點(diǎn)的平面位置隱含在格網(wǎng)的行列號(hào)中而不記錄，此時(shí)的DEM就相當(dāng)于一個(gè)n行m列的高程矩陣。圖 2-5是梯田在規(guī)則格網(wǎng) DEM 中模擬效果圖，從圖中可以看出，梯田區(qū)域圖像的灰度值 是一致的， 這也就說(shuō)明了梯田在規(guī)則格網(wǎng) DEM 中也是以平直面的形式存在的。 值得注意的是， 在 格網(wǎng) DEM 中，梯田的必須大于一定的區(qū)域面積才能被有所識(shí)別。2.3小結(jié)從野外梯田的自然形態(tài)和梯田在不規(guī)則三角網(wǎng)、規(guī)

22、則格網(wǎng)DEM中的表現(xiàn)形式中，可以發(fā)現(xiàn)，梯田的主要形態(tài)特征表現(xiàn)為：自然梯田表面雖有起伏，但在DEM中通常以平直面存在，此外，梯田的邊界到梯田內(nèi)部格網(wǎng)點(diǎn)的距離與提前邊坡的陡峭程度相關(guān)，邊坡越陡，梯田邊界離梯田內(nèi)部 格網(wǎng)點(diǎn)越近，可以根據(jù)這些特征，構(gòu)建基于DE的梯田自動(dòng)提取模型。3. 基于DEM的梯田自動(dòng)提取模型3.1模型總體結(jié)構(gòu)依據(jù)梯田的自然特征及其在 DEM中的表現(xiàn)形式，構(gòu)建基于 DEI自動(dòng)提取梯田的數(shù)學(xué)模型。該模 型通過(guò)判斷格網(wǎng)DEM的法向量是否平行來(lái)確定梯田區(qū)域。模型的結(jié)構(gòu)可以分為四部分，第一，提 取格網(wǎng)DEM勺法向量；第二，判斷法向量是否平行，確定潛在的梯田格網(wǎng)點(diǎn)；第三，構(gòu)建梯田平 面方程，

23、提取完整梯田格網(wǎng)點(diǎn)；第四，依據(jù)梯田邊坡陡峭程度，加權(quán)確定梯田邊界位置。提取格網(wǎng)法向量的方法很多，文章中采用的是三階反距離平方權(quán)差分模型來(lái)提取，它有比較 好的計(jì)算精度問(wèn)。在判斷法向量是否平行時(shí)，先取任意相鄰不共線三個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)，判別其法向量是 否平行，如果平行則為可能的梯田內(nèi)部表面；然后采用外擴(kuò)法依次判別其他格網(wǎng)點(diǎn)是否是梯田表 面點(diǎn)；梯田內(nèi)部表面點(diǎn)確定后，再利用向量的夾角確定梯田的邊界；最后，整理完成整個(gè)梯田的 提取。3.2模型關(guān)鍵技術(shù)3.2.1地表法向量計(jì)算模型梯田內(nèi)部格網(wǎng)點(diǎn)的識(shí)別，首先要做的是計(jì)算地表法向量。劉學(xué)軍(2002, 2006)研究指出，在DEM&形數(shù)字解析分析中，三階反距離平方權(quán)差分

24、具有相對(duì)較好計(jì)算精度，因此本文也采用該模型提取DEM地形表面法向量。在DEM中，具有空間矢量特征的地形因子的自動(dòng)提取，通常采用基于空間矢量分析原理的差分計(jì)算方法完成，圖3.2.1.A，是3*3DEM格網(wǎng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)矢量，令矢量的基本矢量為(與XOZ面平行，與YOZ面平行)。的計(jì)算公式如下：Px = Pi .x,j 一 Pi,j =2 =x,0,2 xfxPy 二 Pi,j y - Pi y 二0,2 y,2 yfy式中：是x方向的高程變化率；是 丫方向的高程變化率?；鞠蛄客耆_定了微分單元在空間的特征，由可得地表微分單元法向量：ijkn,j = Px 匯 Py =2Z02Axfx02y2Ayf

25、y= -4LX=yfx,-4iXLyfy,4dy根據(jù)法向量就可以完成地形因子的自動(dòng)提取，而，的得計(jì)算可以通過(guò)三階反距離平方權(quán)差 分來(lái)求得，公式如下：（Zii,j2zi i,j 乙 ij 1 一 z,j _i 一 2zi 山 一 z 亠 1）fx 二8dZi 1,j J)(Zy,j 書(shū) * 2zi,j 舟 + z/,j 書(shū)zj2zi,j/-8d式中d為DEM格網(wǎng)大小。3.2.2梯田內(nèi)部格網(wǎng)點(diǎn)的識(shí)別取去任意不共線的三個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的法向量進(jìn)行混合積運(yùn)算，如果運(yùn)算結(jié)果為0,則三個(gè)法向量平行，格網(wǎng)點(diǎn)可能為梯田的內(nèi)部表面。假設(shè)a、b、c為任意的不共線的三個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的法向量，它們的混合積記為：CxCyCz通過(guò)三個(gè)

26、向量的混合積,可以確定一部分的梯田表面點(diǎn),還有一部分會(huì)遺漏， 如圖3-2所示:c L (a 匯 b ) c =ayazCx _axazCy +aaa ybybzbxbzbxbyCza baz bzaxaybxbyA、B、C三個(gè)點(diǎn)的法向量混合積不為 0，但是A、B兩點(diǎn)還是梯田內(nèi)部點(diǎn)，這就需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充, 補(bǔ)充的第一步是構(gòu)建梯田建平面方程：，則該點(diǎn)就為梯田內(nèi)部再將A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)帶入平面方程內(nèi)，得到，如果（為給定的閾值） 點(diǎn)。F圖3-2梯田內(nèi)部點(diǎn)的補(bǔ)充3.2.3梯田邊界線的提取梯田的邊界到梯田內(nèi)部格網(wǎng)點(diǎn)的距離與提前邊坡的陡峭程度相關(guān)，邊坡越陡，梯田邊界離梯田內(nèi)部格網(wǎng)點(diǎn)越近，依據(jù)這一特征可利用兩向

27、量的夾角來(lái)確定梯田的邊界。圖3-3中，n與口為格網(wǎng)的法向量，0為兩向量的夾角：圖3-3梯田邊界與向量夾角COSTXjXj + y：yj + zZj. x2 -y-Z2 y2 z2ni與nj的夾角越大，梯田的邊界線越靠?jī)?nèi)，越小越靠外。依據(jù)這已特征可以構(gòu)建加權(quán)距離算法確定梯田邊的具體位置。圖3-4是梯田邊界計(jì)算的示意圖，L為格網(wǎng)的大小，A、B是格網(wǎng)的頂點(diǎn),C為梯田邊界與格網(wǎng)連線的交點(diǎn) ，D為梯田邊界與格網(wǎng)對(duì)角連線的交點(diǎn)：圖3-4梯田邊界計(jì)算示意圖（簡(jiǎn)單線劃圖必須在word中做）設(shè)一個(gè)以為函數(shù)的權(quán)重P,C到 A的距離為：到A的距離為：此時(shí)，可以計(jì)算出C、D兩點(diǎn)的坐標(biāo)。計(jì)算公式為：式中為A、C兩點(diǎn)的方

28、位角。同理可得D點(diǎn)的坐標(biāo)公式：式中為A、E兩點(diǎn)的方位角。依次將梯田邊界線與格網(wǎng)連線的交點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)，并將這些做標(biāo)串連接在一起就是梯田的邊界線了。3.3 小結(jié)這一章主要介紹的是梯田提取模型構(gòu)建的一些關(guān)鍵技術(shù)。識(shí)別和提取梯田的基本流程是：計(jì) 算地表法向量，識(shí)別梯田格網(wǎng)點(diǎn)，確定梯田邊界線，整合形成梯田分布圖。法向量的計(jì)算方法有很多，有簡(jiǎn)單差分、二階差分、三階不帶權(quán)差分邊框差分等等，這一章 主要介紹了利用三階反距離平方權(quán)差分模型來(lái)計(jì)算地表的法向量， 它考慮了不同距離上的點(diǎn)對(duì)中 心格網(wǎng)點(diǎn)偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算的影響，因此它的計(jì)算精度比較好。通過(guò)計(jì)算法向量的混合積來(lái)識(shí)別梯田內(nèi)部格網(wǎng)點(diǎn)， 并利用平面方程的方法對(duì)遺漏的

29、內(nèi)部點(diǎn)進(jìn) 行補(bǔ)充。邊界線的確定是利用兩個(gè)法向量間的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)引入一個(gè)以?shī)A角為函數(shù)的權(quán)重，來(lái) 計(jì)算梯田邊界與格網(wǎng)連線的交點(diǎn)坐標(biāo)。4. DEM梯田自動(dòng)提取原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4.1 原型系統(tǒng)概述4.1.1 原型系統(tǒng)主要功能基于DEM勺梯田自動(dòng)提取原型系統(tǒng)包括如下功能模塊，數(shù)據(jù)的讀入、數(shù)據(jù)的保存、數(shù)據(jù)操作、梯田自動(dòng)識(shí)別、地圖的基本功能有放大、縮小、漫游、平移、全屏顯示等，核心功能就是快速、 準(zhǔn)確的從DEM中提取梯田。圖4-1是原型系統(tǒng)核心功能及其界面，圖4-2是原型系統(tǒng)主界面。4.1.2 原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)DEM勺梯田自動(dòng)提取原型系統(tǒng)是基于ArcGIS Engine平臺(tái)、VS 2005.NET框架開(kāi)發(fā)

30、的。 ArcGISEngine是一個(gè)創(chuàng)建定制的 GIS桌面應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。ArcGIS Engine包括構(gòu)建ArcGIS產(chǎn)品ArcView 、 ArcEditor 、 ArcInfo 和 ArcGIS Server 的所有核心組件。使用 ArcGIS Engine 可以創(chuàng)建 獨(dú)立界面版本(Stand-AIone)的應(yīng)用程序，或者對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)用程序進(jìn)行擴(kuò)展，為GIS和非GIS用戶(hù)提供專(zhuān)門(mén)的空間解決方案。ArcGIS Engine 提供了 COM .NET和C+的應(yīng)用程序編程接口 (API)。這些編程接口不僅包括了詳細(xì)的文檔，還包括一系列高層次的組件，使得臨時(shí)的編程人員也能夠 輕易的創(chuàng)建ArcG

31、IS應(yīng)用程序。C#是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，他作為visual studio 中的一部分推出的。c#既保持了 c+中熟悉的語(yǔ)法，并且還包含了大量的高效代碼和面向?qū)ο筇匦?，用C#設(shè)計(jì)的組件可以很容易的轉(zhuǎn)換成 Web 服務(wù)， 可以以任意操作系統(tǒng)的任意語(yǔ)言從 Internet 上調(diào)用。 開(kāi)發(fā)人員可以定義特定域的屬性，并將它們應(yīng)用于任何語(yǔ)言元素如類(lèi)，接口等。4.2原型系統(tǒng)測(cè)試4.2.1實(shí)驗(yàn)樣區(qū)概述考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性，實(shí)驗(yàn)樣區(qū)選在陜北黃土高原，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為1:10000地形圖，在其基礎(chǔ)上修改編輯制作了梯田信息，據(jù)此依據(jù)國(guó)家1:10000 DEM標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)模式構(gòu)建了 1:10000 DEM數(shù)據(jù)，格網(wǎng)分辨率

32、5m。圖4-3是實(shí)驗(yàn)樣區(qū)的原始采樣數(shù)據(jù)，比例尺為1:10000，圖4-4是黃土梯田在TIN模型中的三維效果圖，圖 4-5是在常規(guī)格網(wǎng)DEM中的三維線框圖。4.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖4-6是在TIN中的原始梯田分布圖，圖 4-7至圖4-9是分別基于5m、15m和25m DEM識(shí)別和提 取的梯田分布圖。從圖中可以看出，凡是存在過(guò)梯田內(nèi)部點(diǎn)，且最小寬度大于等于15米，即大于等于3倍DEM格網(wǎng)大小的梯田點(diǎn)都被準(zhǔn)確識(shí)別和提取，而對(duì)于小于3倍DEM格網(wǎng)大小的梯田的識(shí)別具有不確定性，能否識(shí)別與DEM格網(wǎng)的具體布設(shè)位置有關(guān)?；貢r(shí)養(yǎng)蜩折殽 二x抽企倍楓圖駄椅田11車(chē)動(dòng)峑根扭信總軸護(hù)慝工且曲喪日，盤(pán)日紳壯莎蟲(chóng)O世當(dāng)

33、牢祈soLJn 函回 耳十-+目Itrr tc4L0hLirtrkC4L5rtEltvitaon322!. 32 - 1240 3SO2.&4 m 22- 0 I1B3.% - 3202.64門(mén)匪細(xì)-11&3 % 314B.599 - 1I55.Z8； HZ7. 919 - lL40.5fl9叮 09 .潮-1127 91930W. 553 - 1D0Q.239托升.冊(cè) 1030 9&9ozn弘D2TI LOn03! L5n452042 (H,彳E7O3T2 45 IToJataviJrb 1圖4-6在TIN模型中的原始梯田分布圖4.4小結(jié)這一章主要闡述了基于 DEI提取梯田原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)

34、現(xiàn)，以及原型系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試。研究 表明，基于AE開(kāi)發(fā)GIS專(zhuān)題體統(tǒng)，簡(jiǎn)潔方便，適宜于非專(zhuān)業(yè)初學(xué)人員。論文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的原型系統(tǒng) 包含了 GIS地圖操作的基本功能，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證了梯田識(shí)別與提取模型的有效性。通過(guò)套合疊加分析顯示，論文構(gòu)建的基于空間向量變化識(shí)別與提取梯田的模型，能夠有效識(shí)別和提取最小寬度大于等于 3倍DEM格網(wǎng)大小的梯田點(diǎn)都被準(zhǔn)確識(shí)別和提取，具有很好的實(shí)用價(jià) 值。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)也證實(shí) DEM能夠真實(shí)描述最小寬度大于等于 3倍DEM格網(wǎng)大小的梯田信息，對(duì) 于小于3倍DEM格網(wǎng)大小的梯田的描述具有不確定性，能否識(shí)別與提取與DEM格網(wǎng)的具體布設(shè)位置有關(guān)。5. 結(jié)論與討論5.1 主要成果1、依據(jù)

35、梯田的實(shí)景圖和在格網(wǎng) DEM中的表現(xiàn)形式，論文凝練提出了 DEI梯田描述的基本特征：自然梯田表面雖有起伏，但在 DEM中通常以平直面存在，此外，梯田的邊界到梯田內(nèi)部格網(wǎng)點(diǎn)的 距離與提前邊坡的陡峭程度相關(guān)，邊坡越陡，梯田邊界離梯田內(nèi)部格網(wǎng)點(diǎn)越近。2、依據(jù)DEM梯田描述的基本特征，論文構(gòu)建了基于地表空間向量變化的梯田識(shí)別與提取模型， 主要技術(shù)環(huán)節(jié)為地表法向量場(chǎng)的建立、依據(jù)法向量是否平行識(shí)別梯田內(nèi)部格網(wǎng)點(diǎn)、基于點(diǎn)是否共 面標(biāo)識(shí)別梯田邊緣梯田點(diǎn)、依據(jù)依據(jù)法向量夾角加權(quán)確定梯田邊界。3、 基于ArcGIS的AE GIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模板及技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于 DEM勺梯田識(shí)別與提取原型系 統(tǒng)，并以黃土高原1:

36、10000 DEM為測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試驗(yàn)證了論文構(gòu)建的梯田識(shí)別與提取模型的有效 性。測(cè)試結(jié)果顯示，論文構(gòu)建的基于空間向量變化識(shí)別與提取梯田的模型，能夠有效識(shí)別和提取最小寬度大于等于3倍DEM格網(wǎng)大小的梯田點(diǎn)都被準(zhǔn)確識(shí)別和提取，具有很好的實(shí)用價(jià)值。5.2 研究展望1 、梯田是人類(lèi)長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)黃土地貌形態(tài)進(jìn)行人工改造而形成的獨(dú)特地形，不僅包含復(fù)雜的 微地貌特征，而且包含豐富的人工改造工程特征，具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。專(zhuān)門(mén)針對(duì)梯田進(jìn)行DEM研究的在國(guó)內(nèi)外還不多見(jiàn)。隨著科技的日新月異，DEM數(shù)據(jù)的精度將會(huì)大大提高，DEM勺理論將更加完善，為針對(duì)梯田進(jìn)行 DEM研究提供了理論基礎(chǔ)，反過(guò)來(lái)，通過(guò)基于DEM對(duì)梯田

37、的快速、準(zhǔn)確的提取以及更深入的研究，可以建立梯田DEM特有的理論和方法體系，使其成為傳統(tǒng)DEM勺理論與方法的重要完善和補(bǔ)充，同時(shí)也為高精度梯田DEI在小流域改造、水文分析、水土保持以及生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。2、論文研究主要識(shí)別和提取的是理想的平直面梯田，實(shí)際DEI數(shù)據(jù)中還存在少量的依山而建的圓弧狀梯田，如何識(shí)別和提取它們需要進(jìn)一步深入研究。同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)依據(jù)梯田的基本形態(tài) 特征，實(shí)現(xiàn)基于DEM勺梯田動(dòng)態(tài)模擬分析，對(duì)農(nóng)業(yè)規(guī)劃、水土保持等具有重要的意義，這一方面 的研究具有很好應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn) (小三、黑體，段前 6 磅，段后 6 磅)1 胡良軍，楊勤科，李銳基于GIS

38、的區(qū)域水土流失評(píng)價(jià)研究.土壤學(xué)報(bào)，2001, 38(2):2 劉昌明，李道峰，田英等基于DEM的分布式水文模型在大尺度流域應(yīng)用研究地理科學(xué)進(jìn)展，2003, 22(5) :3 付博杰，汪西林.DEM在研究黃土丘壑區(qū)土壤侵蝕類(lèi)型和過(guò)程中的應(yīng)用水土保持通報(bào)，1994，8(3):17-214 Fu Bbojie , Yang Zzhijian and Wang Yyanglin et al A mathematical of soil moisture spatial distribution on the china (D) (5):5 閭國(guó)年 ， 錢(qián)亞?wèn)| ， 陳鐘明 流域地形自動(dòng)分割研究 遙感學(xué)報(bào)

39、, 1998, 2(4):6 閭國(guó)年 ， 錢(qián)亞?wèn)| ， 陳鐘明 基于柵格數(shù)字高程模型提取特征地貌技術(shù)研究 地理學(xué)報(bào),1998, 53(6) :7 周啟鳴，劉學(xué)軍數(shù)字地形分析科學(xué)出版社，2006.8 湯國(guó)安，劉學(xué)軍，閭國(guó)年.數(shù)字高程模型及地學(xué)分析的原理與方法科學(xué)出版社，2005.9 朱紅春，湯國(guó)安，張友順，等DEM提取黃土丘陵區(qū)溝沿線水土保持通報(bào),200310 劉澤慧，黃培之.DEM數(shù)據(jù)輔助的山脊線和山谷線提取方法的研究測(cè)繪科學(xué)，2003.(五號(hào)、宋體，行間距為固定值20磅，懸掛縮進(jìn)2.06字符)附 錄:關(guān)鍵程序代碼 (小三、黑體,段前 6 磅,段后 6 磅)差分計(jì)算主程序:(五號(hào)、宋體)public float， Difference( float ， DEM， int nCols， int nRows， int Step， float， JuanjiMatrix， float JuanjiCoef)float ， mDifferenceValue = new float nCols， nRows;for (int ColNo = 1; ColNo nCols - 1; ColNo+)for (int RowNo = 1; RowNo nRows - 1; RowNo+)float mDifference