基于高分辨率DEM的地形特征提取與分析

1、第 35卷 第 1期 20121測(cè)繪與空間地理信息GEOMATICS SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGYVol35, No1Jan, 2012收稿日期 :20110908基金項(xiàng)目 :廣 西 自然 科 學(xué) 基 金 項(xiàng)目 (0832073 資助作者簡(jiǎn)介 :韋 金 麗 (1967 , 女 , 壯 族 , 廣 西 南 寧 人 , 高級(jí)工程師 , 北京 大 學(xué) 遙感 所 地理學(xué)與地理信息系統(tǒng) 專 業(yè) 碩士研究生 , 主 要 從事遙感 、GIS 應(yīng)用 與研究工作 。 基于 高 分 辨率 DEM 的地 形 特征提取 與 分析韋 金 麗 1, 2, 王 國 波 1, 2, 凌 子 燕

2、1, 2(1廣西基礎(chǔ)地理信息中心 , 廣西 南寧 530023; 2北部灣 (廣西 高分辨率衛(wèi)星遙感試驗(yàn)基地 , 廣西 南寧 530023摘要 :地 形特 征 是 人們 用 于 描述 空間 過 程變化 的 重 要 指標(biāo) , 地 形特 征 的 提 取 是 進(jìn) 行測(cè)繪 、 資 源 調(diào) 查 、 環(huán)境 保護(hù) 、 農(nóng) 林 種 植 、 城市 規(guī)劃 、 災(zāi)害防治 及地 學(xué)調(diào) 查 等 地理空間 相關(guān) 研究 的基礎(chǔ) 。 本 研究 以 寧 明 縣 為例 , 利 用 高 精度 DEM 進(jìn) 行數(shù) 字 地 形 分 析 , 實(shí)現(xiàn) 了高 效快速 、 客 觀 準(zhǔn)確 地 提 取 地 形特 征 參 數(shù) , 為 后 續(xù)涉 及空間信

3、息的 研究奠 定 了 基礎(chǔ) 。 關(guān)鍵詞 :DEM ; 坡 度 ; 坡 向 ; 坡 位 ; 地 貌 類型 中圖分類號(hào) :P208文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B文章編號(hào) :16725867(2012 01003304The Extraction and Analysis of Landform CharactersBased on High resolution DEMWEI Jin li 1, 2, WANG Guo bo 1, 2, LING Zi yan 1,2(1Guangxi Geomatics Center , Nanning 530023, China ; 2North Bay (Guangxi

4、High resolution Satellite RemoteSensing Test Base , Nanning 530023, China Abstract :The landform character is an important index to describe space transforming process , and the extraction of the landform character is the base for geographical researches , such as mapping , resource survey , environ

5、ment protection , farming and forestry plant-ing , city planning , disaster prevention and geosciencesHigh resolution DEM is applied to the digital analysis of the terrain in Ning-ming county and parameters of the landform character are obtained efficiently and objectively , which establishes the ba

6、se for further re-searches involved with geo informationKey words :DEM ; slope ; slope aspect ; slope position ; physiognomy0引 言地 形 特 征 提取 是 進(jìn) 行 測(cè)繪 、 資 源 調(diào) 查 、 環(huán)境 保 護(hù) 、 農(nóng)林 種 植 、 城市 規(guī)劃 、 災(zāi) 害 防 治 及地學(xué) 調(diào) 查 等 各 方 面 研究的 基礎(chǔ) , 快 速 準(zhǔn) 確 地 獲取 地 形 特 征 參 數(shù) 是 進(jìn) 行 地理空間 相關(guān) 研究的 前 提 。 傳 統(tǒng)的地 形 特 征 獲取 手段 耗 時(shí) 費(fèi) 力 , 獲 取

7、周 期長(zhǎng) , 受 人為 因素 影 響 較 大 , 精 度較低 , 為 解決 這些問題 , 本 研究 擬 用 高 精 度 的 數(shù) 字 高程 模型 進(jìn) 行 數(shù) 字 地 形 分 析 , 以 期 實(shí) 現(xiàn)高 效 快 速 、 客 觀 準(zhǔn) 確 地 提取 地 形 特 征 , 為 后 續(xù) 涉 及空間信息的研究 奠 定基礎(chǔ) 。數(shù) 字 高程 模型 (Digital Elevation Model ,DEM 是 通過 有 限 的地 形 高程 數(shù) 據(jù)實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 地 形 曲 面 的 數(shù) 字 化模 擬 (即 地 形 表 面 形 態(tài) 的 數(shù) 字 化 表 示 , 它 是 對(duì) 2維 地理空間 上 具 有 連 續(xù) 變 化 特 征

8、地理現(xiàn) 象 的 模型化 表 達(dá) 和 過 程 模 擬 。 數(shù) 字 地 形 分 析 (Digital Terrain Analysis , DTA , 是 指 在 數(shù) 字 高 程 模型上 進(jìn) 行 地 形 屬 性 計(jì)算和 特 征 提取 的 數(shù) 字 信息 處 理技術(shù) 。 DTA 技術(shù)是 各 種與地 形 因素 相關(guān) 空間 模 擬 技術(shù)的基礎(chǔ) 。地 形 特 征 根據(jù) 地 形 要 素 的 關(guān) 系 特 征 和計(jì)算 特 征 , 可以 歸 納 為地 形 曲 面 參 數(shù) (parameters 、 地 形形 態(tài) 特 征 (fea-tures 、 地 形 統(tǒng)計(jì) 特 征 (statistics 和 復(fù) 合 地 形 屬

9、性 (com-pound attributes 1。 其 中 , 地 形 曲 面 參 數(shù) 具 有明 確 的 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 式 和 物 理 定義 , 可 利 用 數(shù) 字 高程 模型 進(jìn) 行量 算 , 如 坡 度 、 坡 向 、 平面 曲 率 、 坡 面 曲 率 、 地 形 起 伏 度 、 粗糙 度 、 切 割 深 度 等 。 本 研究 主 要 探 討 的是地 形 曲 面 參 數(shù) 的 提取 。1研究 區(qū)域 與數(shù) 據(jù)寧 明 縣 位 于 廣 西西 南 部 (北 緯 2135' 2223' 、 東 經(jīng)10654' 10741' , 面 積 3695km 2, 地 勢(shì) 自

10、 東 南 向 西 北 傾 斜 。 東 南 部 為 土 山 區(qū) , 中部 為 土 丘陵 區(qū) , 西 部 及 北 部 為 巖 溶丘陵 , 北 部 靠 中 為 明 江 河 谷 平 原 。 此 次 研究的 內(nèi) 容 主 要用 于 林 業(yè) 生 產(chǎn) 力 的 分 析 , 涉 及 坡 度 、 坡 向 、 坡 位 及地 貌 類 型 等地 形 特 征 的 提取 。此 次 研 究 采 用 的 高 分 辨 率 DEM 數(shù) 據(jù) 比 例 尺 為1 10000, 格網(wǎng)間 距 5m , 覆 蓋 寧 明 縣 全境 。 寧 明 縣 DEM 暈渲 圖如圖 1所 示 。圖 1寧 明縣 DEM 暈渲 圖Fig1DEM shading m

11、ap of Ningming county2方 法21坡 度地 面 坡 度 實(shí) 質(zhì) 是一 個(gè) 微 分 的 概念 , 地 面 上 每 一 點(diǎn) 都 有 坡 度 , 它 是一 個(gè) 微 分 點(diǎn) 上 的 概念 , 是地 表 曲 面 函 數(shù) z =f (x , y 在 東 、 西 、 南 、 北 方 向 上 的高程 變 化率 的 函 數(shù) 。 在實(shí) 際 應(yīng)用 中 , 坡 度 有 兩 種 表 示 方 式 :一 是 坡 度 (degree of slope , 即 水 平面 與地 形 面之 間的 夾 角 ; 二 是 坡 度 百 分 比 (percent slope , 即 高程 增 量 (rise 與 水 平

12、增 量 (run 之 比 的 百 分 數(shù) 。 如圖 2所 示 。圖 2坡度 的 表 示 方法Fig2Presentation of slope擬 合 曲 面 法 是 解求 坡 度 的 最 常 用 的 方法 。 擬 合 曲 面 法 , 一 般采 用 二 次 曲 面 , 即 在 3 3的 DEM 柵 格 分 析 窗 口 中 進(jìn) 行 , 每 個(gè) 柵 格 中 心 為一 個(gè) 高程 值 , 分 析 窗 口 在 DEM 數(shù) 據(jù) 矩陣 中 連 續(xù) 移 動(dòng) 完 成整個(gè) 區(qū)域 的計(jì)算工作 。 常 用 的 計(jì)算 f x , f y 的 方法 是 三 階 反 距離 平 方 權(quán) , 其 計(jì)算 公 式 為 :f x =z

13、 i1, j+1+2z i , j+1+z i+1, j+1z i1, j12z i , j1z i+1, j18g f y =z i+1, j+1+2z i+1, j +z i+1, j1z i1, j12z i1, j z i1, j+18g(1g 為格網(wǎng)間 距 。利 用 ArcMap 3維 分 析 工 具 可以 依 據(jù)上 述 算 法 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) DEM 進(jìn) 行 坡 度 分 析 。22坡 向坡 向 為地 表 面 上 一 點(diǎn) 的 切 平面 的 法 線 矢 量 珗n 在 水 平 面 的 投 影 珗n xoy 與 過該 點(diǎn) 的 正 北 方 向 的 夾 角 (如 表 1中 的 坡 向 示意圖 所

14、示 ,x 軸 為 正 北 方 向 。 其數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 公 式 為 :Aspect =arctgf y f (x(2表 1坡 向 值 的 判斷Tab1Determination of slope aspect valuef xf y =arctgf y f (xAspect 坡 向 示意0 90=0=0 1027000 900=000090 0360+090 0180+0=0018000 90180+ 注 :上 述 情況 假 定 所 建 立 的 DEM 數(shù) 據(jù) 是從 南 向 北 獲取 的 , 且 x 軸 與 正 北 方 向 重 合 , 否 則 上 述 公 式 求 得 的 坡 向 值 , 還 應(yīng)

15、 加 上 x 軸 偏 離 正 北 方 向 的 夾 角 值 。采 用這 種 方法求 取 的 坡 向 分 級(jí) 比 較 詳細(xì) , 考慮到 林 木的生長(zhǎng) 以 及 便 于 研究 , 本 文 將 坡 向 綜 合成以 下 九 種 :平 緩 坡 (0 2 、 北 坡 (0 225 , 3375 360 、 東 北 坡 (225 675 、 東 坡 (675 1125 、 東 南 坡 (1125 1575 、 南 坡 (1575 2025 、 西 南 坡 (2025 2475 、 西 坡 (2475 2925 、 西 北 坡 (2925 3375 。23坡 位坡 位 是 指 研究 點(diǎn) 所 處 地 形 縱 剖 面

16、 的 上 下位置 。 從一定 意 義上 講 ,DEM 單 元 柵 格 坡 位 的 提取 核心 的工作是地 貌 部 位 、 地 貌 類 型 的 劃 分 。本 研究 引 入 地 形 位置 指 數(shù)進(jìn) 行 坡 位 的 求 算 。 地 形 位置 指 數(shù) (Topographic Position Index ,TPI 是 Andrew Weiss 在 2001年 ESRI 國 際 用 戶 大 會(huì) 上提 出 的 , 它 是地 形 分 類 體系的 基礎(chǔ) 參 數(shù) 2。 TPI 的 基 本 原 理是研究目 標(biāo) 點(diǎn) 與 其 鄰 域 高程 平 均 值 的 差 值 , 然 后 根據(jù) 差 值 的 正 負(fù) 和 大 小 來

17、 確 定 目 標(biāo) 點(diǎn) 所 處 的地 形 位置 , 如圖 3所 示 。TPI =Z 珔 Z (3 式 (3 中 ,TPI 為地 形 位置 指 數(shù) , Z 為研究 對(duì) 象 高程 值 , 珔 Z 為 鄰 域 高程 均 值 。圖 3TPI 取值 的意 義Fig3Significance of TPI value43測(cè)繪與空間地理信息2012年 TPI 的 取 值 與 鄰 域 的 范圍 大 小 密 切 相關(guān) 。 如圖 4所 示 , 在 一 個(gè)大 的 山 谷 中 有 個(gè) 小 山 包 , 以 小 山 包 頂 端 作為目 標(biāo) 點(diǎn) , 選 取 三 種 不 同 尺 度 的研究 范圍 ,A 的 范圍 僅 為 小 山

18、 包 最 高 點(diǎn) , 這 時(shí) 它 的 TPI 幾 乎 不受 周 邊 地 形影 響 , TPI 0; B 的研究 范圍 擴(kuò) 展 到 整個(gè) 小 山 包 , 此 時(shí) 山 包 的 最 高 點(diǎn) 位置 明 顯 高 于 四 周 的 其他 地 形 要 素 ,TPI 0; 當(dāng) C 的 分 析范圍 包 含 小 山 包 和 兩 邊 的 山 谷 時(shí) , 小 山 包 的 最 高 點(diǎn) 與 旁 邊 的 山 峰 相 比 高 度 明 顯 更低 , 此 時(shí) TPI 0。 由 此 可 見 , 應(yīng)根據(jù) 研究 對(duì) 象 或 現(xiàn) 象 選擇 與 其相 適 應(yīng) 的 鄰 域 尺 度 。 另 外 , 鄰 域 形 狀 可以 是 圓 形 、 環(huán) 形

19、、 方 形 或者定 制 的 不規(guī) 則 形 狀。 圖 4TPI 的 尺度 響 應(yīng)Fig4Scaling effect of TPI最 后 , 目 標(biāo) 點(diǎn) 的 坡 位 類 型可 由 TPI 指 數(shù) 與 坡 度 共 同 推 算 。 最 簡(jiǎn)單 的 方法 就 是 對(duì) TPI 設(shè) 定 閾 值 , 超 過 一 特 定 閾 值 為 山 脊 , 低 于 另 一 特 定 閾 值 則 為 山 谷 ,TPI 接 近 于 0則 為 平 坡 或者 中 坡 。 Andrew Weiss 提 出 考慮 鄰 域 像元 高程的 波 動(dòng) 性 、 根據(jù) TPI 偏 離 鄰 域 像元 高程的 標(biāo)準(zhǔn) 值 來設(shè) 定 閾 值 , 這 意 味

20、 著具 有相 同 TPI 值 的 像元 由于 所 在 區(qū)域 不 同 而 被 分 為 不 同的 坡 位 類 型 , 這取 決 于 它 們 各 自 所 在 的 鄰 域 。 其 分 類標(biāo)準(zhǔn) 如 表 2所 示 。SLOP POSITION =f (TPI , SLOP (4式 (4 中 ,SLOP POSITION 為 坡 位 , TPI 為地 形 位置 指 數(shù) ,SLOP 為 坡 度 。 表 2坡 位 分類 Tab2Slope position classification編 號(hào) 類 型 分 類 依 據(jù) 1山 脊 TPI 1SD 2上 坡 05SD TPI 1SD3中 坡 05SD TPI 05SD

21、 , Slope 5 4平 坡 05SD TPI 05SD , Slope 55下 坡 1SD TPI 05SD6山 谷TPI 10SD注 :SD 代 表 standard deviation from elevation , 即 TPI 與 鄰 域 像元 高程的 標(biāo)準(zhǔn) 偏 差 值 。圖 5進(jìn) 一 步 說 明了 鄰 域 尺 度 大 小 對(duì) 坡 位 分 類 的 影 響 。 本 研究 將根據(jù) 此原 理生 成 的 擴(kuò) 展 工 具 地 形 分 析 套 件Land Facet Corridor Designer 中 的 Topographic Position In-dex Tools 加載 到 Arc

22、Map 中 , 利 用 其即 可實(shí) 現(xiàn) 坡 向 的 自 動(dòng) 獲取 功 能。圖 5坡 位 分類的 尺度 響 應(yīng)Fig5Scaling effect of slope position classification24地 貌 類 型本 文 采 用 DEM 高程 分 級(jí) 、 坡 度 分 級(jí) 相結(jié) 合 的 方 式 , 對(duì) 地 貌 進(jìn) 行分 類 綜 合 , 結(jié)果 雖 然不 是 非常 精 確 , 但 基 本 能 反 映 寧 明 縣 的地 形 分 類 情況 。3分析結(jié) 果31坡度 分 級(jí) 圖寧 明 縣坡 度 分 級(jí) 圖 , 如圖 6所 示。圖 6寧 明縣坡度 分 級(jí) 圖Fig6Levels of slope

23、s of Ningming county將 坡 度 按 0 2 ,2 6 , 6 15 , 15 25 , 25 85 進(jìn) 行分 級(jí) , 并對(duì)各 級(jí) 坡 度 的 占 地 比 例 做 了 統(tǒng)計(jì) , 如圖 7所 示 , 該 研究 結(jié)果 基 本 反 映 了 寧 明 縣 的地 形 坡 度 情況 。 圖 7寧 明縣 各級(jí) 坡度 比 例Fig7Percentage of different slope of Ningming county32坡 向 分 布寧 明 縣坡 向 分布 及 坡 向 比 例如圖 8、 圖 9所 示 。圖 8寧 明縣坡 向 分 布 圖Fig8Slope aspect distribu

24、tion ofNingming county圖 9寧 明縣坡 向 比 例Fig9Slope aspect percentage ofNingming county從 圖 9可以 看 出 , 寧 明 縣 的 坡 向 比 例 比 較 平 均 , 百 分 比 在 115 135之 間 , 其 中 北 坡 向 的 比 重 相 對(duì)大些 , 而 西 南 坡 向 占 的 比 重 最 小 。33坡 位為 了 使 結(jié)果 更 好 地 適 合 林 業(yè) 產(chǎn) 量分 析 , 先 將 5m 格網(wǎng)間距 的 DEM 降 至 10m 格網(wǎng) , 經(jīng) 過 多 次 實(shí) 驗(yàn) 確 認(rèn) , 相 鄰 分 析 距 離 設(shè) 置 為 110m 110 m , 得 到 的 坡 位 結(jié)果 如圖 10所 示 。34地 形 分類地 形 分 類標(biāo)準(zhǔn) 見 表 3。寧 明 縣 地 形 分 類 如圖 11所 示 。圖 10坡 位 分析示意圖Fig