毕业论文：基于GDEM的区域地形起伏的获取和应用.docVIP

本科生本科生毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 题题 目：目：基于基于 GDEM 的区域地形起伏的的区域地形起伏的获获取取 和和应应用用 专业专业代代码码： ： 070703 作者姓名：作者姓名： 泮光孝泮光孝 学学 号：号： 2007201976 单单 位：位： 环环境与境与规规划学院划学院 指指导导教教师师： ： 肖肖 燕燕 2011 年年 5 月月 31 日日 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指 导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的相应责任。 学位论文作者签名： 日期 指 导 教 师 签 名： 日期 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 目录目录 引言引言-1 1 1 数据资料与案例区概况数据资料与案例区概况-1 1.1 数据资料-1 1.2 案例区概况-2 2 2 应用方法应用方法-2 3 3 应用案例应用案例-3 4 4 结语结语-8 参考文献参考文献-9 致谢致谢-10 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 摘要摘要 本文利用 ASTER 采集的高精度 GDEM 数据，基于数字高程模型（DEM）空间分 析方法，使用获取区域地形起伏的关键技术：高程阈值法（Threshold Value） 进行了淮河流域部分地区地形起伏的信息获取。结果证明，GDEM 数据的各项指 标适合进行区域地形起伏信息获取；高程阈值法在区域地形起伏信息获取方面比 较简便可行。 关键词：关键词：区域地形起伏；高程阈值法；空间分析；高程；GDEM 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） Abstract In this paper, high-precision GDEM ASTER data collected based on digital elevation model (DEM) spatial analysis methods, using the terrain to get the key technology areas: elevation threshold for parts of the Huaihe River Basin terrain access to information. Results show that, GDEM data for the indicators of regional topography information; elevation threshold in the undulating terrain with relatively simple and feasible access to information. Key words: Local topographic；Elevation thrshold；Spatial analysis；Elevation；GDEM 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 1 基于基于 GDEMGDEM 的区域地形起伏的获取和应用的区域地形起伏的获取和应用 引言引言 河流地貌的形成和发育研究中越来越关注地壳演化过程的地表过程证据。随 着科学技术的发展，地貌、地表过程的研究也由定性化逐步的转变为半定量-定 量化研究阶段1。区域地形起伏（Local Topographic Relief）是指在一定区域范围 内的最大高程值与最小高程值之间的差值2-3，其反映区域地表的切割剥蚀程度， 可以深刻表征区域构造活动强度的差异，常常被应用于河流、造山带等发育演化 特征的研究4-5。地形分析作为活动构造、新构造研究的主要方法和手段，在此 同时也是地貌、地表过程研究的重要组成。区域地形起伏是构造作用与地表剥蚀 过程相互作用的结果3。地形起伏分析是地貌研究的必要手段，一般通过地形图 的目视判读获取。传统地形分析方法主要通过纸质地形图或者是野外调查获取原 始数据进行分析，如地形起伏分析、高程点采集、地形剖面分析等6。近年来， 随着科学技术的迅速发展，DEM 空间分析技术也得到了不断的发展和完善，这 为区域地形起伏的获取和应用的研究提供了更为方便和快捷的技术支持。 GDEM 数据相比于 SRTMDEM 数据有着更高的精度，为全球尺度的地形地 貌研究提供了更高精度的数据保证7。本文通过 DEM 空间分析方法，基于高精 度的 GDEM 数据，利用高程阈值法获取淮河流域（部分）地形起伏信息。 1 数据资料与案例区概况数据资料与案例区概况 1.1 数据资料数据资料 本研究区域采用高精度的 GDEM 作为基础研究数据。ASTER 数据生成的全 球数字高程模型 Global Digital Elevation Model（GDEM） ，相比于 SRTMDEM 数 据，GDEM 数据的精度更高，为全球尺度的地形地貌的研究提供了更高精度的 数据保证。GDEM 数据的精度达到了 30 米，相比于 SRTMDEM 精度提到了 9 倍， 海拔精度为 7-14 米。GDEM 是日本经济产业省（METI）和美国航空航天署 （NASA）合作使用的一种高精度 DEM 数据。每个 GDEM 分片包含两个压缩文 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 2 件，一个数字高程模型 （DEM）文件和一个质量评估（QA）文件。每个数据文 件的文件名根据分片几何中心左下（西南）角的经纬度产生。例如， ASTGTM_N40E116 文件的左下角坐标是北纬 40 度，东经 116 度。 ASTGTM_N40E116_dem 和 ASTGTM_N40E116_num 对应的分别是数字高程模 型（DEM）和质量控制（QA）的数据。ASTER GDEM 是采用全自动化的方法 对 150 万景的 ASTER 存档数据进行处理生成的，其中包括通过立体相关生成的 1264118 个基于独立场景的 ASTERDEM 数据，再经过去云处理，除去残余的异 常值，取平均值，并以此作为 ASTER GDEM 对应区域的最后像素值。纠正剩余 的异常数据，生成全球 ASTER GDEM 数据。 1.2 案例区概况案例区概况 淮河发源于河南省南部桐柏山主峰太白顶，东流经河南，湖北，安徽，江苏 四省，在三江营南流入江，北流入海。全长皆约 1000 公里，总落差约 1100 米。 淮河流域分为上游、中游、下游三部分，地处我国东部，介于长江和黄河两流域 之间，位于东经 1115512125 ，北纬 30553636 ，面积为 27 万 km2。淮河流域西部、西南部及东北部为山区、丘陵区，其余为广阔的平原。 淮河流域地势起伏明显，山丘区面积约占总面积的三分之一，平原面积约占总面 积的三分之二。本文 GDEM 数据范围为部分淮河流域地区，数据范围为北纬 30.532.5 度，东经 116.5118.5 度。该区域位于淮河流域的西南部分，南部是大 别山区，高程在 3001774m；西部一般高程在 100200m。该地区多山地、河 流和湖泊，此外还有为数众多、星罗棋布的湖泊、洼地，地势起伏较为明显。由 于较多河流的作用，该地区河流地貌也较为明显。 2 应用方法应用方法 区域地形起伏是一定范围内最大高程值与最小高程值之间的差值，在地形剖 面图上，可以根据相邻的山脉峰顶与河道沟谷之间的高程差表示。基于 DEM 的区 域地形起伏则能够客观地表达地形地貌特征，这是因为，利用 DEM 数据可以获取 整个研究区范围的地形起伏特征，而不是仅仅得到选定剖面线尺度的地形参数。 这就在一定程度上弥补了传统地形剖面图绘制过程中剖面线位置选择具有主观性 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 3 的弊端。 本文中采用高精度的 GDEM 数据，使用高程阈值法（Threshold Value）进行 淮河流域地形起伏特征的获取。在获取淮河流域地形起伏特征的过程中采用了 ArcGIS 中 Spatial Analyst 空间分析模块。 高程阈值法是基于整个研究区范围的高程数据统计分析方法，这一方法是通 过设定采样阈值空间窗口（如 1km*1km） ，分别获取该阈值窗口内的最大高程值 和最小高程值，最后利用 DEM 栅格数据的差值运算，实现区域地形起伏的定量 化11。通过动态调整高程阈值窗口的大小（如 1km，5km 等） ，可以获取不同尺 度的区域地形发育特征，同时也可以进一步得到任意剖面形态的区域地形起伏信 息。以高程阈值分析结果为基础，定义相关剖面线的位置，能够快速实现诸如传 统方法获得的地形剖面参数11。 3 应用案例应用案例 随着空间分析技术的不断发展和应用，基于 DEM 数据的空间分析技术被广 泛的应用到地学研究领域，如美国西部 Rocky 山脉古新生代古地形面的重建8瑞 典西南部前寒武纪基底地形恢复等就是这一利用的典型9。基于 DEM 进行地形分 析，从而探讨造山带、高原山脉隆升机制的研究，是对传统活动构造、新构造研 究的进一步深入。DEM 被地学，特别是构造地貌和河流地貌等研究采纳，实现了 对传统研究手段的快速扩展10。同时，DEM 空间分析技术不断发展，对于传统的 利用纸质地形图进行地貌、地形分析的研究也必将带来新的视角和切入点。 基于 GDEM 获取区域地形起伏专题信息，基本原理就是进行最大高程值与 最小高程之间的差值运算获得，下面是高程阈值法在淮河流域区域地形起伏获取 中的具体应用。 在数据处理之前需要下载所需的淮河流域的 GDEM 高程数据（图 1） 。接下 了就可以采用高程阈值法来获得淮河流域（部分）相应的高程数据，首先需要激 活相应的 DEM 数据，然后在 Spatial Analysis 下使用栅格邻域计算工具 Neighborhood Statistics，设置 Statistic Type 为最小值，邻域类型为矩形（也可以 为圆形） ，邻域范围设置为 1*1，最后得到最小高程阈值统计结果（图 2） ，记为 A；以同样的方法，只需要把 Statistic Type 值设置为最大值，则可以得到最大高 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 4 程阈值统计结果（图 3） ，记为 B。最后，只需要在 Spatial Analysis 下使用栅格 计算器 Calculator，公式为A-B,最终得到是高程阈值法获取区域地形起伏数据 （图 4） 。 从选取的淮河流域高程数据（图 1）中可以看出，大部分地区高程小于 140 米，高程数值较大的地区分布在西南部、东南部的山区，这两个地区的高程一般 在 500 米以上。图 2 和图 3 分别为最小高程阈值法和最大高程阈值法对淮河流 域的统计分析结果。通过高程阈值法最终得到的地表起伏度专题图（图 4）可以 看出，所选取的淮河流域的总体地表起伏度不是很大，大部分地区的地表起伏度 在 38 米以下，有河流经过的山区有着较大的地表起伏度，一般会超过 100 米， 最大地表起伏度为 340 米。 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 5 图 1 淮河流域高程分级图 Fig 1 Altitude Classification Map of Huaihe River Basin 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 6 图 2 最小高程阈值统计结果 Fig 2 Minimum Elevation Threshold Results 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 7 图 3 最大高程阈值统计结果 Fig 3 Maximum Elevation Threshold Results 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 8 图 4 地表起伏度 Fig 4 Surface Amplitude 4 结语结语 本文基于 GDEM 高精度数据利用高程阈值法获取淮河流域（部分）区域地形 起伏信息。从最终获取的淮河流域地形起伏度来看，所选取淮河流域大部分地区 地势比较平坦，起伏度相对较小。只有在有河流经过的山地具有较大些的起伏度。 基于 DEM 空间分析技术，并结合传统地学研究方法，可以深入分析区域地形 地貌特征与地层岩性、构造发育程度之间的关系。基于 DEM 获取区域地形起伏 的方法，具有快捷、高校的特点，能够为区域构造，活动构造等地质研究提供基 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 9 础信息和参数，是地理信息技术空间分析功能在地学领域的典型应用。 参考文献参考文献 1 Summerfield M A. 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