（自然地理学专业论文）基于aster影像的dem与数字地貌制图研究——以福州盆地为例.pdf

福建师范大学学位论文使用授权声明 2 0 0 5 7 8 7专 业自然些堡茔所呈交的论文( 论文题目：基于a s t e r 影像的d e m 与 数字地貌制图研究一以福州盆地为例) 是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。本人了 解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交的学位论文并允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名芬7 堕指导教师 签名日期毋。曾牟多月芗目 签名墨浩硼 巾，w 签名寸嘞l ：j 摘要 本文以福9 、h 盆地为研究区，探索一种基于a s t e r 影像的新的数字地貌制图方 法。其研究步骤为：首先利用a s t e r 影像的立体像对提取研究区的d e m ，并利用 此d e m 制作研究区内的绝对高程图、地形起伏度图、坡度图、山体阴影图、三维 立体图、等高线地形图和地形剖面图等地貌形态示量图：接着，利用a s t e r 影像 的可见光和短波红外波段数据划分地貌成因类型；最后在a r c g i s 软件环境下进行形 态与成因信息的叠加，并将处理过程模型化。整个制图过程将遥感、地理信息系统、 地貌与制图有机结合，在传统地貌制图研究的基础上，只需输入a s t e r 影像即可 完成相应的地貌解译，从而可最大限度地减少不必要的野外实地考察，使地貌制图 工作得以在短时间内迅速完成。 关键词：数字地貌；地貌制图；遥感；a s t e r ；地理信息系统 a b s t r a c t t h i ss t u d yt a k e sf u z h o ub a s i na sas t u d ya r e at oa p p r o a c han e wg e o m o r p h o l o g i c m a p p i n gm e t h o db a s e do na s t e ri m a g e t h er e s e a r c hs t e p sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t l y , e x t r a c t sd e mo ft h es t u d ya r e af r o mt h ea s t e r i m a g ea n dm a k e ss o m em o r p h o m e t r i c m a p so ft h es t u d ya r e aw i t ht h ed e m ，s u c ha st h ee l e v a t i o nm a p ，r e l i e fd e g r e em a p ，s l o p e m a p ，h i l l s h a d em a p ，t h r e e - d i m e n s i o nm a p ，c o n t o u rm a p ，t e r r a i ns e c t i o np l a n ea n ds oo n t h e n ，h a sac a u s i n gd i v i s i o no fg e o m o r p h o l o g i ct y p e sw i t ht h ed a t ao ft h ev i s i b l el i g h t b a n da n ds h o r t w a v ei n f r a r e db a n do ft h ea s t e ri m a g e f i n a l l y , p r o c e s s e st h e g e o m o r p h o l o g i ci n f o r m a t i o nb o t ho ns h a p ea n dc a u s eu s i n gt h ef u n c t i o no f “o v e r l a y a n d “s p a t i a lj o i n ”i na r c g i ss o f t w a r ee n v i r o n m e n t ，a n dm a k e st h ep r o c e s sm o d e l i z e d b a s e d o nt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n to ft r a d i t i o n a lg e o m o r p h o l o g i cm a p p i n g ，t h ew h o l e o p e r a t i o n i n t e g r a t e sg i s ，r s ，g e o m o r p h o l o g ya n dm a p p i n gt o g e t h e r , a n dt h ec e r t a i ng e o m o r p h i c t y p ei n f o r m a t i o ni nt h es t u d ya r e ac a nb ei n t e r p r e t e do n l yb yp u t t i n gt h ea s t e ri m a g e t h i sm e t h o dm a yr e d u c eu n n e c e s s a r yf i e l ds u r v e ya sm u c ha sp o s s i b l ea n da c c o m p l i s h g e o m o r p h o l o g i cm a p p i n gi nm u c hs h o r tt i m e k e yw o r d s ：d i g i t a lg e o m o r p h o l o g y ；g e o m o r p h o l o g i cm a p p i n g ；r e m o t es e n s i n g ； a s t e r ；g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m i i i!- o 中文又捅 地貌是自然地理环境的重要组成部分，并在一定程度上控制着其他生态与环境 因子的分布与变化。正如地图是地理学的第二语言一样，地貌图在自然地理研究、 农业生产、生态环境保护和国防建设等方面都发挥着巨大的作用。我国的地球科学 家曾在一系列国家大型项目支持下，对我国地貌进行了长期、系统和深入研究，积 累了大量的珍贵资料。然而，由于各种各样的原因，时至今天，全国1 ：1 0 0 万地貌 制图工作尚未完成，一大批宝贵的地貌图、野外考察资料和图片濒临失散，有部分 资料因时代久远已不幸遭受损坏；而且随着一些老专家的谢世还可能进一步导致一 些资料的永久性丧失。在这种情况下，很有必要针对老一辈科学家研究所获得的一 些地貌资料进行集成与数字化更新，并在新的技术条件下不断探索出更加有效的新 的地貌制图方法，以使众多科学家的心血不至白费乃至衍生出更高的价值。 传统地貌制图以手工和野外调查等方式为主，其主要方法是从大比例尺地形图 中提取地貌信息，并通过制图综合以形成过渡图，同时补充各种相关的制图内容。 这种制图方法精度较高，且在界线不确定的地区，借助野外实地调查确可获得众多 地貌信息。但该方法工作量大而历时长，难以满足信息时代的要求。随着遥感和地 理信息系统等技术的飞速发展，借助于遥感图像解译和g i s 空间分析，越来越多的 地貌制图工作将可望能在室内完成，并能在较短的时间内推陈出新。因此，利用现 代化的g i s 工具，探索一种新型高效统一的数字地貌制图方法己日显迫切。 有鉴于此，本文选择福州盆地为研究区，尝试探索基于a s t e r 影像的数字地 貌制图方法，其具体研究涉及以下7 个方面： ( 1 ) 通过大量查阅国内外地貌制图的相关文献，在认真研究已有的地貌分类系 统和分类方法的基础上，提出该研究区的地貌分类方案。在对绝对高程分级的研究 时发现：当地因地势普遍较低，如按全国的分级标准，则该区除几处高耸的孤峰可 归为中海拔外，其他的山地几乎均为低山。而对这种情况，全国的分级指标就很难 客观地反映当地实际地貌的特征，故将低、中海拔的分界线由1 0 0 0 m 修订为8 0 0 m 。 ( 2 ) 利用a s t e r 影像的立体像对，分别依托e n v i 的d e m e x t r a c t i o n 模块和 a s t e r d t m 插件提取了研究区的d e m ，并进行误差纠正；继而以实测地形图( 1 - 5 0 0 0 0 ) 为参照，对由这两种方法生成的d e m 进行比较并验证其精度。结果显示： i i i 由d e m e x t r a c t i o n 生成的d e m 的纹理较为粗糙，且存在两个异常的高值斑块，其 中有几处的高程值甚至大幅度超过了提取时所设置的最大值。进一步对照原始影像， 发现这两个异常的高值斑块分布区均为大云层所覆盖，这表明该提取方式受云层干 扰强烈。而由a s t e r d t m 生成的d e m 的纹理则较为细腻，过渡平滑，且受云层 干扰小，未出现明显的高程跳跃。然而，由于本文使用的是该款软件的d e m o 版， 该版本在其生成的d e m 图像中人为地制造出一个“误差区 。通过仔细观察，可 发现误差区像素值与实际值之间存在一定的联系，由此利用s p s s 软件对二者进行 了拟合，最终得出误差纠正算法，并据此对误差区进行了纠正。 ( 3 ) 进行地形起伏度计算的窗口分析实验，通过对各试验区基于不同统计窗口 采集数据的反复比对，可确定出一个由d e m 计算地形起伏度的最佳统计窗口。为 此，在研究区内建立了三个试验区，分别求出各个实验区内1 3 种尺寸的栅格窗口下 的地形起伏度，并将统计结果以窗口尺寸为横轴，以地形起伏度为纵轴制作点折线 图，由折线图及此后的对比实验中得出了本研究区的最佳统计窗口尺寸。 ( 4 ) 计算并制作绝对高程、地形起伏度、三维立体、等高线、坡度、山体阴影、 剖面等地貌形态特征示量图，并将绝对高程图与地形起伏度图叠加，生成研究区的 地貌形态类型图。 ( 5 ) 首先了解遥感岩性解译的基本原理，接着对a s t e r 影像进行图像增强处 理，同时尝试寻找能较好区分岩性的波段组合；而后综合运用主成份分析法、波段 运算法、最大似然分类法、波谱角填图法等遥感图像处理方法分别对研究区的成因 类型进行划分。各种分类方法的比对显示，最大似然法的分类效果最好，究其原因， 可能与分类单元的性质有关。堆积和侵蚀剥蚀这两个信息层，各自并非对应着某种 单一的岩性，而可能与多种岩性有关，即与不同岩性的组合体有关。通常，这种组 合体的光谱特征不可能像其组成成分那样具有可资分析的很清晰的光谱特征，而只 能获取一个相对的、模糊的界限。在这种情况下，最大似然分类法正好满足了这一 识别要求，故其分类效果最佳。 ( 6 ) 对地貌制图的g i s 处理过程进行建模，并提供模型参数设置接口，供用户 自主设定具体参数以增强制图方法的通用性。 ( 7 ) 在所构建的d e m 的基础上，进行地貌三维漫游和飞行演示制作，以便用 户能对研究区地貌建立起一个总体性的直观印象。 通过以上各步骤，研究区的数字地貌制图的各种实验得以圆满完成。该制图方 i v 法利用遥感图像分类来进行地貌成因判别，可省却以往人工目视解译之苦，从而能 大幅度地提高地貌制图的工作效率；而模型的可共享性更大大提高了该制图方法的 通用性，用户只需拥有a s t e r 影像即可完成一系列相应的地貌制图。整个制图过 程将遥感、地理信息系统、地貌与制图有机地结合起来，实现了地图的数字化和信 息化，这对于提高自然地理学的研究水平，更好地服务于经济建设、环境保护和国 防建设等均具有重要意义。 v 第1 章数字高程模型( d e m ) 和数字地貌制图 研究进展 1 1d e m 与数字地貌制图及其研究意义 数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，d e m ) 是用一组有序数值阵列形式表 示地面高程的一种实体地面模型，是数字地貌模型( d i g i t a lg e o m o r p h d o g ym o d e l ， d g m ) 的一个分支。一般认为，d g m 是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡 度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中d e m 是 零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在 d e m 的基础上派生而成。d e m 作为一种空间数据库，以栅格的形式将数据组织在 一起，其承载的显式信息是高程数值，并具有其他丰富的隐含信息。这些隐含信息 不是孤立的栅格单元所能发现的，必须基于大量具有一定空间关联的格网数据。由 于d e m 中的空间数据往往是海量的，人们因此常陷于一种“数据爆炸而知识贫乏” 的窘境，所以，对d e m 进行空间数据挖掘，尤其是深层次的空间数据挖掘就显得 越来越重要。 d e m 的表示方法有数学分块曲面表示法、规则格网表示法和不规则三角网 ( t r i a n g u l a ri r r e g u l a rn e t w o r k ，t i n ) 表示法等，其主要表示模型则有规则格网模型、 等高线模型、不规则三角网模型及层次模型等。d e m 是地理信息系统空间数据库 中最重要的组成部分之一，通常是构成地形数据和进行地形分析的基础。与传统地 形图相比，d e m 具有易于以多种形式显示地形信息、精度不损失、易于实现自动 化与实时化等特点，可以实现地形因子的自动提取，在测绘、水文、气象、地貌、 地质、土壤、工程建设、通讯、气象、军事等国民经济和国防建设以及自然科学和 人文领域有着广泛的应用。如在工程建设上，可用于土方量计算、通视分析等；在 防洪减灾方面，d e m 是进行诸如汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、 淹没分析等水文分析的基础【1 ，2 】。 目前，世界上主要发达国家都纷纷建立了覆盖本国的d e m ，基于d e m 的g i s 空间数据分析方法被广泛应用于国民经济建设各领域。我国已完成了1 ：4 0 0 万、1 ： 1 0 0 万及1 ：2 5 万比例尺d e m 的建设，而更高精度的1 ：5 万比例尺d e m 也正在 积极建设之中。随着g i s 技术的成熟与广泛应用，不同空间尺度的d e m 将在科学 研究、国民经济与国防建设等领域发挥越来越大的作用，为实现地形分析的自动化、 规范化创造了十分有利的条件。 地貌是地理环境中一项最基本的要素，是地球表面各种变化和形态特征的通称。 地貌与国民经济建设关系十分密切，农、林、牧、渔业等生产，以及城镇、交通、 矿山、水库和渠道等建设都离不开对区域地貌条件的分析。地貌研究对于优化和配 置资源、合理调整产业结构、协调区域经济平衡发展、促进农业和农村现代化、加 快城市化进程、实旌经济社会可持续发展等，无不具有深远的战略意义，更对当前 国内外最为关心的生态修复与环境建设具有重要的指导意义【3 1 。 地貌制图是介于地貌学和制图学之间的一门边缘学科，其研究对象是在成因分 类的基础上进一步进行地貌划分和组合，如地貌类型或地貌类型综合体。传统的地 貌制图以手工和野外调查等方法为主，其工作量巨大而耗时长，已很难适应信息时 代的要求。随着遥感和地理信息系统等技术的飞速发展，大量需要在野外完成的地 貌制图工作应可转入室内完成。地貌是自然地理环境中最为活跃的要素之一，它通 过控制热量、水分的再分配而深刻地影响着地表的水文、土壤、生物等其他自然要 素。数字环境下表达地表形态的数字地形模型及数字地貌模型为人们研究这一要素 提供了便利，而高效获取地形高程数据手段的逐步完善更为这种研究提供了可能。 地貌制图是专题制图的内容之一，而数字地貌制图与传统的地貌制图有所不同。 首先，它在制图方法、制图过程、数据集成、数据存储与表达以及空间分析等诸多 方面都始终体现出数字特征，因此对于数字地貌制图方法的研究在提高地貌专题制 图的内容方面及技术方面均有重要意义【4 1 ；其次，数字地貌制图主要是以遥感数据 和d e m 数据作为主要的数据源，需借助于遥感与地理信息系统等先进技术以获取 制图的数字信息，因而不但在制图方法上优于传统的地貌制图，且其地貌分类指标 可完全实现定量化，还可将地貌信息以数字形式长期保存下来。 在数据存储和表达方面，数字地貌可实现各种不同地貌信息的集成。根据信息 集成方式的不同，数字地貌可分为松散式集成和完全式集成两种类型。其中松散式 集成是指将同区域所有类型的地貌信息存放在起，但并不生成包含所有信息的 总的地貌图层，各地貌类型属性可能在空间位置上存在差异，或不一定具有相同的 边界。而完全式集成则不仅可实现将所有地貌信息的松散集成，还可将所有地貌信 息集成到一个包含所有信息的完整图层中，其所有属性都具有相同的边界，或共用 同一套外部界线；在信息显示式查询时，任意一层都可单独成为一种地貌信息，从 而大大提高了其应用领域及使用的便捷性，便于不同研究者出于不同目的对地貌信 2 息进行提取与应用。 1 2 国内外研究进展 1 2 1d e m 构建方法研究进展 数字高程模型( d e m ) 是一定区域范围内规则格网点的平面坐标及其高程的数 据集或经度、纬度和海拔高度的数据集。d e m 用途广泛，数字地球、数字城市、 数字区调等工作及虚拟现实三维可视化的实现等都需要d e m 的支撑。传统d e m 的 构建有以下几种途径： ( 1 ) 通过将野外实测得到离散地面点数据直接用于构建t i n ，然后转换为d e m ； ( 2 ) 利用地形图数字化( 等高线矢量化插值) 构建d e m ； ( 3 ) 采用数字摄影测量法利用航摄立体像对构建d e m ； ( 4 ) 使用卫星遥感图像立体像对提取d e m 。 上述d e m 构建方法各具其优缺点，前三种方法精度较高，但需投入大量的人 力物力，且数据获取周期长；而第四种方法利用卫星影像立体像对以获取d e m ，可 直接对研究区域进行观测，其数据更新周期短，资金投入少【5 1 。随着微型传感器 及相关技术的不断发展，利用立体像对所提取的d e m 精度也越来越高，如使用s p o t 数据生成的d e m 精度可达到1 0 m 以内，而星载i n s a r 生成的d e m 精度可达到 米级，且平坦地区的精度优于山区的精度【6 1 。 目前，利用卫星数据提取d e m 的技术已经成为遥感发展的一个重要研究方向。 1 2 2 地貌制图与地貌分类系统研究进展 1 2 2 1 地貌制图国内外研究进展 在国际地貌制图研究及应用实践中，前苏联一直处于领先地位。马尔科夫认为 地貌应包括三方面内容，即地形形态、地形成因和地形年代 r l 。1 9 5 2 年出版的地 貌制图学是世界上首次完整系统地阐述地貌制图原理和方法的专著，该书总结了 前苏联地貌制图学的先进经验，认为地貌制图学为- i - j 专门学科，主要研究地貌制 图的原则和方法的发展史、地貌制图学研究对象的分类原则、在图上表现各种地貌 对象的方法、地貌图的分类、各种类型地貌图的内容及绘制原则与规则、地貌制图 法( 野外的及室内的) 、地貌图在国民经济中的应用等。 2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代，国际地貌调查和制图研究进入高潮。1 9 6 8 年成立了 国际地貌调查与制图委员会，全面推进地貌调查和制图的规范研究工作，并大大促 3 进了国际间的交流与合作。特别是在编制欧洲地貌图的过程中，各国地貌学家的国 际合作得到极大增强，由此进一步激发了国际地理学不同成员国的地貌研究兴趣。 此后各国都在积极推动和发展本国的地貌调查和制图。例如，前苏联完成了全国1 ： 4 0 0 地貌类型图，荷兰更是开展l ：1 万的全国地貌填图工作，并建立了相应的数据 库系统，1 ：2 5 0 万的欧洲地貌图编制更成为世界的典范。 近二三十年来的国际地貌制图的发展，以欧洲为主逐渐形成了一些共同关注的 研究课题及趋向： ( 1 ) 开展国际化统一图例和制图规范化的试验研究； ( 2 ) 为确保从根本上确立大比例尺地貌资料的可靠性，各国都普遍重视实地调 查、区域地貌的深入研究和具体制图规则的拟定； ( 3 ) 分析图和综合图的争议越来越激烈； ( 4 ) 部门和专题地貌图的编制； ( 5 ) 遥感技术和计算机技术应用于地貌制图中，使地貌图面貌大为改观，成图 速度大为提高。 中国的地貌制图与研究历史悠久，在长沙马王堆汉墓出土的两千一百年以前的 古地图可谓世界上最早的地貌图。中国近代地貌制图始于2 0 世纪5 0 年代。其开展 与生产建设的需要密切相关并深受前苏联的影响。6 0 年代，地貌图在国家自然地图 集中已自成图组，基本上能反映出我国地貌的分布规律和区域分异状况。从5 0 年代 开始至6 0 年代中期，以地貌区划为中心的地貌制图工作，可谓我国地貌制图发展史 上的第一次高峰阶段。大约从6 0 年代中期开始，部门地貌或专题地貌制图进一步向 纵深发展，在沙漠制图、喀斯特地貌制图、冰川与冻土地貌制图和海洋地貌制图等 方面均取得了较大进展。与此同时，城市地貌制图这一新兴领域也悄然兴起。 在“六五 、誓七五 科学技术发展规划期间，结合“农业自然条件、自然资源 和农业区划研究”、“水土资源和土地合理利用的基础研究 等课题，开展了国家1 ： 1 0 0 万地貌图的编制研究，再次掀起全国性地貌制图活动的高潮，其规模、广度和 深度都是空前的，并成立了“中国l ：1 0 0 万地貌图编辑委员会”，由中国科学院地 理研究所主持，各省( 区) 都有委员参加。在全国地貌制图活动第二个高潮的推动 下，在“中国1 ：1 0 0 万地貌图编制实验研究”( 中国科学院科学基金资助项目) 告 一段落之后，几乎同时按以下两种学术思想开始了全国1 ：4 0 0 万地貌制图的编制研 究：由中国科学院南京地理与湖泊研究所主持编制的1 ：4 0 0 万中国及其毗邻地 4 区地貌图，该图更多地吸收了欧洲的地貌制图经验，采用以构造地貌为基础，突出 主导成因，并辅之以地貌形态的编制原则；中国1 ：4 0 0 万地貌图则在全国1 ： 1 0 0 万地貌图编制实验研究和我国第一部地貌制图规范基础上，对海拔等级划分标 准做出适当调整，并结合地形起伏度，以更为直观的地貌形态从总体上来反映大地 构造和地质构造的地貌轮廓。 总体而言，地貌制图的编制因其目的、用途和所持学术观点的不同，在成因作 用、营力侧重、制图表示手段，以至采用的制图比例尺等方面都会有所不刚8 1 。根 据不同的情况，广泛开展制图实践和理论方法探索，对推动地貌制图学科发展、生 产应用及国际交流都很有益。 另一值得注意的动向是，为配合遥感和地理信息系统技术的应用，地貌系统分 类分级及其实体信息的采集、储存、分析与应用，己成为一项很有发展前景和实际 应用价值的研究课题。地貌制图分析组合图例的采用及其不同层次的地貌图成果， 虽已为系统地建立地貌数据库打下了良好的基础，但仍需进一步明确其应用目标， 探讨技术方法和要求，适应新的客观形势，结合任务努力提高零星分散的地貌资料 的利用率，力求将区域地貌深入研究、地貌制图、遥感和地貌信息系统四者有机连 成一体，提高研究和服务水平【4 1 。 1 2 2 2 地貌分类系统国内外研究进展 地貌分类系统是研究地貌制图过程中的基本理论问题之一，是编制地貌图的基 础，科学合理的地貌分类是地貌图是否具使用价值的关键之一。地貌分类问题比较 复杂繁琐，目前尚无统一的方案。纵观不同派别和论点，其主要依据大致可归结为 按形态、按成因、按形态成因、按多指标综合等多种划分方式。但是在具体分类时， 又派生出多种多样的方案。据潘德扬先生的研究【4 1 ，仅1 8 8 4 至1 9 6 3 年间出现的分 类方案就多达5 7 种，其中对推进地貌制图有启迪和借鉴意义的分类思想主要有： 1 8 8 4 年，w m 台维斯提出按照成因的分类方法，主要以地质构造和侵蚀量为标准进 行地貌类型划分，并根据堆积作用、上升作用和破坏作用进行再分类；1 8 9 4 年，a 彭克提出按地表形态的分类方法，将地貌分为平原、山崖、河谷、山地、凹地和洞 穴等6 种基本类型；1 9 3 9 年，罗培克的分类注重成因与地貌形态景观表现关系的研 究；1 9 4 1 年，k k 马尔科夫的分类观点与其他学者最明显的差别，是重视考虑地形 特征与大地构造分区的关联性，并以此为高层次成因划分的标准；1 9 5 2 年，a n 斯 皮里顿诺夫主张综合考虑形态和成因进行地貌分类，据此详细划分出各种外营力类 5 型，如：重力的、坡积的、河流的、湖泊的、海洋的、冰川的、风成的、喀斯特的、 生物的、火山的、构造的、人为的等；1 9 5 4 年，c b 埃普什杰因提出了一个较为简 明的地貌形态成因分类，他主张在大的成因种类中只列出三项，即侵蚀构造地形、 构造剥蚀地形和剥蚀堆积地形；同期，h c 波多别多夫为测绘制图提出的地貌分类， 基本是直接从形态入手，并试图对各类形态给出定义。 我国地貌分类研究虽然较早，但在2 0 世纪5 0 年代以前长期处于停滞状态。5 0 年代以后，随着前苏联有关地貌分类专著的大量传入，加之我国经济建设的需要和 中国自然区划工作的开展，在地貌分类问题上进行了较多的讨论，其中有代表性的 地貌分类方案主要有三个： ( 1 ) 1 9 5 6 年，周廷儒、施雅风和陈述彭等先生在中国地形区划草案中，基 本采用形态指标将全国划分为平原、盆地、高原、丘陵、中山、高山等6 大类型【9 1 。 ( 2 ) 1 9 5 8 年，沈玉昌为配合中国地貌区划工作，提出以“成因 为地貌分类标 准的分类系统，针对中国陆地地貌类型，首先划分出5 大类，即构造地貌、侵蚀剥 蚀的构造地貌、侵蚀剥蚀地貌、堆积地貌和火山地貌，大类之下再分出类型，而类 型下又进一步划分出亚型【1 0 】。1 9 6 4 年出版的中华人民共和国自然地图集的“中 国地貌图 按照内、外营力将中国划分为堆积平原、剥蚀平原和高原、剥蚀台原和 山地三大类，再按外营力划分出4 5 类二级类型。 ( 3 ) 1 9 8 7 年，“中国1 ：1 0 0 万地貌图制图规范”中采用的是形态与成因相结合 的方法，以纵向1 7 种形态和横向1 0 种成因组合而成的形态成因类型【1 1 l 。1 9 9 3 年， 陈志明先生主编的中国及其毗邻地区地貌图( 1 ：4 0 0 万) 采用多层表达的方式， 按照构造地貌进行分类。1 9 9 4 年，李炳元主编的中国1 - 4 0 0 万地貌图，在中国 1 5 幅1 - 1 0 0 万地貌图分类系统的基础上，划分出7 个基本形态；并按照中国地势特 征，划分出5 级海拔等级；最后组合出2 8 种基本地貌类型，其成因按照内外营力结 合分为1 5 种类型【1 2 j 。 总之，关于地貌制图分类系统，多数学者还是围绕一定的形态主体，从不同方 面去深化对各类成因条件的认识。不同形态等级的地貌实体，对应着它们的成因系 列关系，即使是以形态为主的划分方案，也从未放弃各类成因条件对各形态特征影 响的区域分析。因为任何地貌类型的形成都具有一定的成因，形态本身反映着成因， 而成因又控制着形态，一般情况下二者应是一致的。然而也有例外，即相似的形态 可能有不同的成因。如能采用多指标的成因限定，不同成因的相似形态将有可能被 6 区分开来。只有通过定形、定性与定量的密切结合，对地表形态的研究才有可能深 化j 其研究成果在生产中的应用价值才能得到体现。因此，从地貌制图的角度看， 接受形态成因的分类思想应是最佳的指导原则。 通过以上对数字高程模型( d e m ) 和数字地貌制图研究进展的综述、分析和评 价，所得到的启示将有助于本文后续将开展的各项具体研究。 7 第2 章研究区概况 2 1 研究区范围及地貌特征 本文选定的研究区为福州盆地，地处福建沿海，位于东经1 1 9 。1 7 4 5 。 - 一1 1 9 。2 6 7 1 8 ，北纬2 5 。5 0 7 2 2 - 2 6 。1 6 7 2 2 ，面积为1 9 9 2 k m 2 ，所涉及的行政区划单元包 括福州市辖区、福清市、闽侯县大部和长乐市局部。该区域地处中亚热带和南亚热 带的过渡范围，属典型的亚热带季风气候。区内地貌按成因划分属于流水地貌，依 形态差异则可划分为平原、台地、丘陵、小起伏山地等类型。图2 1 为针对该研究 区的d e m 叠加影像的效果图。 图2 1d e m 叠加影像效果图 f i g 2 - 1o v e r l a yr e s u l to fd e m a n da s t e ri m a g e 2 2 现有研究成果和数据资料 福州是福建省经济开发最早的地区之一，其地貌研究工作也有较长的历史。早 在上世纪3 0 年代，老一代地质工作者即结合区域地质调查、矿山开发和港口建设等 任务，开展对本区地貌的研究。如1 9 3 7 年林观得教授对福建沿海海岸地貌做过研究； 1 9 4 3 年高振西教授及后来的王宠教授等，也都曾对福州的地貌做过一定的研究。建 国以后，随着国民经济建设的逐步展开，地貌研究日益深入，发表了大量专门性的 地貌著作。从上世纪5 0 年代起，福建师大地理系席廷山教授等结合中国1 ：1 0 0 万 地貌制图工作，全面研究福建的地貌，先后发表和出版了一系列有关研究成果。7 0 年代福建省地质局水文地质队在福建沿海进行了1 ：2 0 万水文地质和工程地质的普 查工作，对沿海地区包括福州的地貌、第四纪和地质构造等都作了论述，8 0 年代在 9 福州、兴化湾、湄洲湾一带和厦门岛等地，也进行了1 ：5 万区域地质测量调查；在 此期间，福建省水文队与国家海洋三所合作，对沿海地区的海岸带及海滩，也作了 1 ：2 0 万地貌和第四纪地质调查。8 0 年代末期，在完成海岸带和海涂资源综合调查 中的重点河口、港湾的任务基础上，福建师大地理系组成了以余泽忠、林其东、席 廷山等人为课题负责人的闽江口研究小组，出版了闽江河口区动力地貌专著， 详细论述了闽江口地貌的分类，以及地质基础、外营力等方面的状况1 1 3 , 1 4 】。 在对以上传统研究成果深入分析的基础上，为进一步开展数字化研究，本文又 选取2 0 0 1 年5 月2 3 日的a s t e rl 1 b 影像数据作为提取原始地貌信息的基础数据资 料。将原始图像经过图像预处理后，其空间分辨率为1 5 米。该影像编号为： a s tl 1 b0 0 30 5 2 3 2 0 0 1 0 2 5 9 4 10 2 0 4 2 0 0 2 1 1 5 5 4 2 h d f ，其具体参数如下； o b s e r v a t i o ny 删m d d t i m e ： 2 0 01 5 2 32 ：5 9 ：4 1 a s t e r s c e n e i d ： ( 1 1 9 ，1 1 9 ，5 ) a s t e r o r b i t n u m b e r ：7 5 9 8 s o l a ra n g l e 带1 ：1 0 8 5 7 3 s o l a ra n g l e 静2 ：7 5 2 0 6 4 v n i rp o i n t i n ga n 百e ：2 8 7 3 0 0 m a p o r i e n t a t i o n ：8 2 8 2 8 5 s c e n ec e n t e r ：2 6 1 4 9 4 n ，1 1 9 2 1 2 e s c e n ec l o u dc o v e r ：5 q u a d r a n tc l o u dc o v e r ：8 2 , 8 4 此外，还选取了一部分辅助数据，主要包括：1 ：2 0 万地貌图，1 ：2 0 万水文地 质图，1 ：5 0 万地质图以及各类文字资料等。 2 3 研究区内地貌分类系统( 形态和成因相结合) 地貌分类是地貌制图的基础，是地貌制图学研究中的重要理论问题之一。目前 国际地貌分类尚无统一的标准，而国内外研究者提出的众多见仁见智的分类方案也 反映出要建立个包罗万象的统一的分类方案来反映地貌的所有差异的确非常困难 【1 5 】。现有的地貌分类系统大体上可分为按形态、按成因、按形态成因、按多指标综 合等多种方式，本文采用的是形态与成因相结合的分类原则。在基本地貌形态上， 主要将据d e m 计算出的绝对高程与地形起伏度相结合，划分出山地、平原等基本 地貌形态类型共4 类( 见表2 - 1 ) 。在一级成因流水地貌的基础上，进一步将基本地 1 0 貌形态类型与基本地貌次级成因类型相结合，可得出该研究区内的基本地貌类型分 类系统( 见表2 2 ) 。 表2 - 1 研究区基本地貌形态类型 t a b 2 1b a s i cg e o m o r p h o l o g i cs h a p et y p e so ft h es t u d ya r e a 一 低海拔 8 0 0 m中海拔8 0 0 3 5 0 0 m 地形起伏度 平原( 0 - 3 0 m )低海拔平原 台地( 3 0 7 0 m )低海拔台地 中海拔台地 丘陵( 7 0 2 0 0 m )低海拔丘陵中海拔丘陵 小起伏山地( 2 0 0 5 0 0 r e )小起伏低山小起伏中山 表2 - 2 研究区内地貌分类系统 成因次级成因起伏度绝对高程地貌类型 堆积平原低海拔堆积平原 堆积低海拔 低海拔堆积台地 流 台地 低海拔侵蚀剥蚀台地 中海拔中海拔侵蚀剥蚀台地 低海拔低海拔侵蚀剥蚀丘陵 侵蚀剥蚀丘陵 水 中海拔中海拔侵蚀剥蚀丘陵 低海拔侵蚀剥蚀小起伏低山 小起伏山地 中海拔侵蚀剥蚀小起伏中山 1 1 第3 章基于a s t e r 影像的数据处理与d e m 构建 3 1a s t e r 数据产品及其数据的预处理 3 1 1a s t e r 数据产品 a s t e r ( a d v a n c e ds p a c eb o r n et h e r m a le m i s s i o na n dr e f l e c t i o nr a d i o m e t e r ，高 级星载热辐射反射辐射计) 是美国航空航天局( n a s a ) 与日本国际经贸商业部 ( m e t i ) 合作研发的高分辨率卫星成像设备，属于高级多光谱遥感成像仪，其使用 平台为t e r r a ，轨道为太阳同步近极地轨道，轨道高7 0 5 k m ，运行周期9 8 。8 8 分钟，下 行过赤道地方时为上午1 0 ：3 0 7 1 5 ，地面重复访问周期为1 6 天，主要用于解决土地 利用与覆盖、自然灾害、短期天气变动、水文等方面的问题【1 6 ，1 7 1 。a s t e r 是第一台 用于制图和温度精确测量的星载高空间分辨率多通道热红外成像仪，该设备由3 个子 系统组成，即可见光和近红外子系统( v n i r ) ( 3 个波段) 、短波红外子系统( s w 瓜) ( 6 个波段) 、热红外子系统( t m ) ( 5 个波段) ，各子系统的地面分辨率分别为1 5 m 、 3 0 m 、9 0 m 。表3 1 中列出了各个子系统的相关参数，其中v n i r 子系统下的第三波段 除垂直向下成像之外还有一个后视成像，两者时间相差5 5 s ，由此产生的立体像对具 有重要的地形解译意义，是提取d e m 的基础【1 8 , 1 9 , 2 0 。 a s t e r 数据在地表发射率、温度反演等方面的应用潜力很大。ko g a w a 等研究 表明，利用a s t e r 估计的发射率值r m s e 为0 0 1 3 1 6 , 1 7 , 2 1 】。其他研究人员利用s w i r 数据来判断水体的浑浊度、水体表面的运动情况及地表岩石的判别等。a s t e r 还与 m o d i s 合作研制成一种新的用于地球科学研究的仪器m a s t e r ( m o d i s a s t e r a i r b o r n es i m u l a t o r ) ，用于辅助星上a s t e r 仪器的反演和其他校准工作。利用v n i r 子系统3 n 和3 b 的数据可以生成高质量的d e m 数据。据测试评价，a s t e r 的d e m 高度精度约为5 - 5 0 m ，从a s t e r 立体数据中产生的地图比例尺约为1 - 5 0 0 0 0 - 1 - 2 0 0 0 0 0 。t h i e r r y 等利用加拿大r o c k y 山区的数据生成d e m ，其误差能控制在一个 像素以内( 1 5 m ) 。 a s t e r 数据已在许多研究领域得到广泛应用，其应用范围较之t m 数据更为广 泛，以下为其8 个重要的应用领域【1 6 , 1 7 , 2 1 】： ( 1 ) 遥感关键参数反演。与t m 数据相比，a s t e r 数据在热红外拥有更多波 段，其波谱分辨率更高。由此，可计算全球与区域尺度上的土壤水分和植被的蒸腾 和蒸发量。将a s t e r 数据与地面风速、空气温度和空气湿度观测数据相结合，将 1 3 “地气”作为一个整体，对低层大气温度、湿度垂直廓线与陆面温度、比辐射率等 进行参数同步反演，可计算“地气 的水汽通量和热通量，这对于植被受旱状况评 价和作物估产，以及全球水分平衡和碳循环研究等均具有重要意义。 表3 - 1a s t e r 影像数据参数 t a b 3 1t h ed a t ap a r a m e t e ro fa s t e ri m a g e 谱段范围空间分辨率 光学子系统波段辐射分辨率绝对精度量化级 ( “m ) ( m ) 1o 5 2 加6 0 可见光近红外 20 6 3 加6 9 1 5 n e a p s 0 5 4 8 b i t s ( v m r ) 3 n0 7 8 o 8 6 3 b0 7 8 - 4 ) 8 6 41 6 0 1 7 0 n e a p s 0 5 52 1 4 5 2 1 8 5 n e a o 一 i 3 短波红外 62 。1 8 5 - 2 2 2 5 n e a p 一 1 1 3 3 04 8b i t s ( s m r ) 72 2 3 5 - 2 2 8 5 n e a 9 一i 3 82 2 9 5 - 2 3 6 5 n e a o 一 i o 92 3 6 叽2 4 3 0 n e a p 一 i 3 1 08 1 2 5 8 。4 7 53 k ( 2 0 0 ，2 4 0 k ) 1 18 4 7 5 8 8 2 52 k ( 2 4 0 一2 7 0 k ) 热红外 1 28 9 2 5 - 9 2 7 5 9 0 n e a p s 1 0 0t h e n v a l u e j = 0 8 3 3 珠v a l u e j - 1 1 8 0 4 2 e l s e v a l u e 【j 】= v a l u e j 】 n e x t j n e x ti 3 2 2 2 对相对d e m 进行校正以完成绝对d e m 的构建 将已有控制点的高程数据与所生成的相对d e m 中的对应点的高程数据进行回 归分析，从中选择最佳的拟合曲线并用于相对d e m 中各像元高程值的校正。至此， 基于a s t e r d t m 插件的绝对d e m 构建得以完成。 3 3d e m 的质量控制及其精度评价 3 3 1d e m 的质量控制 d e m 点的误差是数字地面建模过程中所产生和传递的各种误差的综合。传统方 法生成的d e m 主要受以下几个因素的影响： ( 1 ) 地形特征。 地形特征决定了地形表达的难度，因而在影响最终d e m 精度的各种因素中扮 演了重要的角色。在地形的各种特征中，坡度被认为是最重要的描述因子，通常可 将坡度与坡长结合起来描述地形。 ( 2 ) d e m 原始数据的分布和密度 d e m 原始数据的分布是影响d e m 精度的另一个主要因素，数据的分布可用位 置结构和方位来描述，通常可采用矩形规则格网方式。d e m 原始数据的密度可根据 点的平均间距、单位面积点的数量及数据在空间变化上的截止频率等形式来确定， 它是影响d e m 精度的最重要因素。 ( 3 ) d e m 建模方法 d e m 可通过两种方法来建立，一种是直接由量测数据建立；另一种则通过从随 机点到网格点的内插处理过程以间接方式建立。从随机到内插的处理过程肯定会带 来地貌表达可信度的损失，原始数据的误差会通过建模过程传递到最终的d e m 。 ( 4 ) d e m 的自身特性 d e m 的自身特性将影响到d e m 与地表相互吻合的程度，从而也就决定了d e m 的精度，即对d e m 可视化表达的准确程度。 ( 5 ) 矢量数据状况 对矢量数据而言，由于采用的是以一定等高距的有限的等高线的方式来描述地 形，这就不可避免地会出现一定的误差而降低d e m 的精度。等高距越大，d e m 的 精度就越低。实验表明，由摄影测量等高线数据建立的d e m 的精度大约相当于等 高距的1 3 - 1 5 。若等高线数据是由现有地形图上通过数字化方式获取的，则会 因各种非线性因素( 如扫描仪误差、地图变形等) 导致原始数据精度降低，继而对 最终d e m 精度产生附加的影响，其精度大约为等高距的1 2 1 倍，特殊地区可 能达到等高距的两倍1 2 6 1 。 ，：墼短煎太堂昌二蝰殛堂位途塞 ( 6 ) 地面实际控制点状况 相对于通过内插生成d e m 的传统方法，由a s t e r 影像的立体像对提取d e m 的方法可避免某些因内插而产生的算法上的误差。但须指出，与带有飞行参数的 s p o t 等数据不同，a s t e r 影像数据的内部、外部定位需借助精确的地面实际控制 点，且地面控制点的数量应足够多并分布均匀。 本文通过反复实验发现，地面实际控制点的精