8-9数字高程模型数字地形分析.ppt

1、数字地形分析,基础地形分析 坡度、坡向、坡形、曲率、粗糙度 表面积、体积、土方量 山体阴影、平面晕渲图 剖面分析 可视性分析 地形特征提取 地形特征点提取 平面等值线追踪 水文流域分析,主要内容,坡度（Slope）：过地表一点的切平面与水平面的夹角。 坡向（Aspect）：地表面上一点的切平面的法线在水平面的投影与该点的正北方向的夹角。 联系与区别：都是点位参数，只有理论意义，不具备地理意义。,x,Z,Y,基础地形分析坡度、坡向,坡度地理意义,注：适用于南半球，北半球则正好相反,坡向地理意义,坡度：,Slope为坡度，Aspect为坡向，Slopewe为X方向上的坡度，Slopesn为Y方向上

2、的坡度。 Slopewe、Slopesn的计算如下：,坡向：,方法1：,方法2：,基于规则格网的坡度、坡向计算,坡度：,坡向：,基于不规则三角网的坡度、坡向计算,坡度、坡向应用,1坡度选择。坡度和坡向对果树生长发育有一定影响。同一坡向不同坡度，对温、热、水分都有不同程度的差异。如南坡，10度坡太阳直接辐射量为平地的116，20度坡为130。表土的含水量， 5度坡为52 38， 20度坡为 34 78，随坡度增大而降低。土壤冻结深度，5度坡在20厘米以上，15度坡则为5厘米，但坡下低洼地冷空气沉积，坡顶则寒冷，不易栽培。选择葡萄栽培的适宜坡度5度20度的斜坡地为好，15度坡最为合适。 2坡向选择

3、。坡向不同，光照、湿度、热量、风量也不同。一般南坡、东南坡、西南坡，所获得太阳光热量大。北坡、东北坡，西北坡，则较冷凉。南坡与北坡近地面 20厘米处气温平均相差04，80厘米深土层，南坡比北坡地温高45。葡萄喜光、喜温，以选择南坡为宜。但南坡温、湿度变化较大，水分蒸发量大，融雪、解冻比北坡早，因此必须加强水土保持工程。由于山地地势非常复杂，南、北方气候差异悬殊，但在中纬度的低山区，北坡水分蒸发量少，土壤墒情好，植被密生，土质较肥沃，土层较深厚，也能栽培葡萄树。,葡萄种植的地形条件,1、纬度和海拔： 世界上大部分葡萄园分布在北纬20-52度之间及南纬30-45度之间，绝大部分在北半球。海拔高度一

4、般在400-600米。中国葡萄多在北纬30-43度之间海拔的变化较大，约200-1000米，河北怀来葡萄分布高度达1100米，山西清徐达1200米，西藏山南地区达1500米以上。纬度和海拔是在大范围内影响温度和热量的重要因素。2、坡向和坡度： 在大地形条件相似情况下，不同坡向的小气候有明显差异。通常以南向（包括正南向、西北向和东南向）的坡地受光热较多，平日气温较高。坡地的增温效应与其坡度密切相关。一般坡地向南每倾斜1度，相当于推进1纬度。受热最多的坡地角度约为20-35度（在北纬40-50度范围）。葡萄因较耐干旱和土壤瘠薄，可以在相对不大范围内发育根系，所以比其它果树更适宜在坡地上栽培，然而坡

5、度越大水土流失越严重，因此，在种植葡萄时应优先考虑坡度在20-25度以下的土地。3、水面的影响： 海洋、湖泊、江河、水库等大的水域，由于吸收的太阳辐射能量多，热容量较大，白天和夏季的温度比陆地低，而夜间和冬季的温度比内陆高。因此，临近水域沿岸的气候比较温和，无霜期较长。临近大水面的葡萄园由于深水反射出大量的蓝紫光和紫外线，浆果着色和品质好，所以选择葡萄园时尽量靠近大的湖泊、河流与海洋的地方。,坡度、坡向应用,坡度是评价耕地质量的主要指标，也是衡量土地利用是否合理的一个关键因子。借助地理信息系统、3D技术，准确分析耕地坡度信息，对土地调查具有重要意义。,第二次全国土地调查耕地坡度分类图制作流程,

6、基础地形分析坡形,定义： 地形曲面在各个界面方向上的形状，凹凸变化的反映，是平面点位的函数。 反映了地形结构和形态。 影响着土壤有机物含量的分布，在地表过程模拟、水文、土壤等领域有着重要的应用价值和意义。,基础地形分析曲率,定义： 反映地表起伏变化和侵蚀程度的指标。一般定义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比。 粗糙度是能够反映地形的起伏变化和侵蚀程度的宏观地形因子，是衡量地表侵蚀程度的重要量化指标。,基础地形分析粗糙度,S为曲率，AreaS为格点面元趋势面面积，AreaH为格点面元面积。,粗糙度计算定义：,实现步骤： 实际应用时，当分析窗口为3*3时，可采用以下公式近似计算。 1

7、、根据DEM提取坡度因子S； 2、粗糙度：R=1/cos(S),基于规则格网的粗糙度计算,由于基于不规则格网的地表面积计算较为简单，可以将格网DEM的每个格网分解为三角形，从而简化规则格网地表面积计算。 计算三角形的表面积使用海伦公式：,Di表示第i（1i3）对三角形两顶点之间的表面距离， S表示三角形的表面积， P表示三角形周长的一半。 整个DEM的表面积则是每个三角形表面积的累加。,基础地形分析地表面积,投影面积指的是任意多边形在水平面上的面积，主要有两类计算方法： 1、直接采用海伦公式进行计算，只要将表面积计算公式中的距离改为平面上两点的距离即可； 2、根据梯形法则，如果一个多边形由顺序

8、排列的N个点（Xi，Yi ， i=1，N） 组成并且第N点与第1点相同，则水平投影面积计算公式为：,如果多边形顶点按顺时针方向排列，则计算的面积值为负；反之，为正。,基础地形分析投影面积,基于数字地面模型的体积计算实质上是计算地形表面和给定参考面之差，在实际应用中，这种差值计算往往被归类于土方计算，应用在工程施工、水利工程规划等方面。 对DEM进行挖或填后，土方量可由原始DEM体积V0减去新的DEM体积V1，乘以相应的物质密度求得。 V = V0 V1 当V0时，表示挖方； 当V 0时，表示填方； 当V = 0时，表示既不挖方也不填方。,基础地形分析体积,基于规则格网的体积计算可以将格网单元视

9、为平面，计算多个立方体的体积总和。,基于规则格网的体积计算,由于每一个空间三角形与其在指定计算高程平面上的投影都形成一个三棱柱和一个三棱锥，所以基于不规则三角网的体积计算最终归结为若干三棱柱和三棱锥的体积运算：对每个三棱柱计算其填、挖方量并加以累积，就可以得到最终结果。,基于不规则三角网的体积计算,基础地形分析土方量,通过分析比较两个表面模型前后的变化, 还可以计算填埋及挖掘土石方量。,分析或模拟地面的光照情况，产生地形表面的阴影图。 Hillshade 可测定研究区域中给定位置的太阳光强度和光照时间，并且对实际地面进行逼真的立体显示，增强地面的起伏感。 主要应用： 对地形起伏进行生动的表示，

10、从而显示不同土地利用类型在地形上的分布情况。 研究阳光的照射位置与公路上发生的车祸事件发生率之间的相关性。 分析农作物与太阳光照的关系。,基础地形分析山体阴影,由于地面的起伏，地面各点所接受的太阳辐照度是不相同的，其计算方法为：,el为太阳高度角， z为太阳方位角， 为当前点的坡角，为当前点的坡向。,太阳高度角=90度,太阳高度角=45度,基础地形分析平面晕渲图,基础地形分析剖面分析,在工程方面(如在公路、铁路、管线等的设计过程中)，常常需要制作剖面图。剖面图的制作是以DEM数据(GRID数据)或TIN数据为基础的 基于DEM数据进行“线插值” ，得到一条具有高程值的线段 计算具有高程值的线段

11、的剖面图,基础地形分析可视性分析,可视性分析（Visibility Analysis）的目的是分析观察者在三维空间中发现目标的概率。确定地形景观中点与点之间的相互通视能力，对军事活动中的航路规划、微波通讯网的规划以及风景旅游点的研究都有着重要的意义。,通视性分析Line of sight 显示两点之间的通视情况，从而判断从一个观察点是否可以看到目标物，回答了“从这里我可以看到哪个目标？” 。,可视域分析Viewshed Analysis 确定了从一个或多个观察点可以观测到的区域。回答了“从这里我可以看到什么？”的问题。,可视,不可视,两点可视性分析,全局可视域分析： 以观察点为中心，360度为

12、视域角，对分析范围内的所有点进行连线可视性分析，对其中所有的可视点进行编码，从而可以形成一幅可视域矢量图，就是全局可视域分析的目的。该功能可用于确定研究区域内给定地面高度具有最大可视域的位置，例如用于无线电发射塔的自动定位、了望塔选址等。,连线可视域分析： 在指定视线的方向及视域的范围的条件下进行。,单点可视域分析,可视域分析显示了在一个区域内从一个或多个观察点可以观察到的区域范围。 在输出的Viewshed数据中，属性Value表示了对于一个可视位置，有多少观察点可以看到此位置。,利用DEM提取地形特征点，可通过一个3*3的网格，判断中心网格与8个邻域店的高程关系，来确定特征点类型。,地形特

13、征提取地形特征点,地形特征提取平面等值线追踪,水文分析与计算是对所研究的水文变量或过程，作出尽可能正确的概率描述，对防止水旱灾害和开发、利用、保护水资源的工程或非工程措施的规划、设计、施工以及管理运用有着重要的意义，也是DEM数据应用的一个重要方面，主要用于研究与地表水流有关的各种自然现象比如：洪水水位及泛滥情况或者可以划定受污染源影响的地区、以及预测当改变某一地区的地貌时对整个地区造成的后果等。 在城市和区域规划、农业及森林等许多领域对地球表面形状的理解很重要。这些领域需要知道水流怎样经过某一地区，以及这个地区的地貌的改变会以什么样的方式影响水流的流动。,地形特征提取水文分析,DEM水平和垂

14、向的分辨率、DEM生成过程的内插、以及内插精度和网格单元内高程信息取平均等原因造成DEM中存在凹陷洼地和平地。 洼地：区域地形的集水区域,洼地底点(谷底点)的高程通常小于其相邻近点(至少八邻域点)的高程。 通过消除洼地的处理可以生成无洼地DEM。在无洼地DEM中，自然流水可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。因此，借助无洼地DEM可以对原数字模型区域进行自然流水模拟分析。,水文分析数据预处理,洼地填平算法Moran和Vezina算法 首先用一个极大高程水面数据将原始地面的DEM数据表面淹没，然后移除DEM上多余的水，最后得到的高程数据就是填洼处理的高程数据。 、对DEM数据初始化，除了边界外，用一

15、极大临界水面高程数据将原始地面上DEM数据表面淹没。 、通过迭代方法将W值逐步减小，最后W会收敛于Wf ,Wf代表的高程点数据既是填洼后的数据。 平地垫高算法 Martz和Garbrecht算法 用高程增量叠加算法处理平地。对平地范围内的单元格增加一微小增量，每个单元格的增量大小是不一样的，就可以消除平地。,数据预处理方法,D8算法： A、如果最大落差值小于0，则赋以负值以表明此格网方向未定； B、如果最大落差值大于或等于0，且最大值只有一个，则将对应此最大值的方向值作为中心格网处的方向值； C 、如果最大落差等于0，且有一个以上的0值，则以这些0值所对应的方向值相加。在极端情况下，如果8个邻

16、域高程值都与中心格网高程值相同，则中心格网方向值赋以255； D 、如果最大落差值大于0，且有一个以上的最大值，则任选一个方向作为水流方向。 被处理栅格单元同相邻8个栅格单元之间坡降的算法为： Slope=Dz/Di 式中: Slope为两个栅格之间的坡降； Dz为两个栅格单元之间的高程差； Di为两个栅格单元中心之间的距离。,水文分析水流方向,原始DEM 矩阵,水流方向矩阵,水流方向提取结果,区域地形每点的流水累积量，它可以用区域地形表面的流水模拟方法获得。 规则格网表示的数字地面高程模型每点处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流到低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数字矩阵计算每点处所

17、流过的水量数值，便可以得到该区域汇流累积量。,水文分析汇流累积量,水流方向矩阵,汇流累积量矩阵,汇流累积量提取结果,河网的提取采用的是地表径流漫流模型，通过模拟地表径流的流动来产生水系。 A、在无洼地的DEM上计算出每一个栅格的水流方向矩阵； B、根据自然水流由高处流到低处的自然规律利用水流方向矩阵计算出汇流累积量； C、当汇流累积量达到一定值得时候，就会产生地表水流，所有汇流累积量大于临界值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络就是河网。 在实现的过程中要确定汇流能力阈值，不低于该阈值的 单元格标记为水系组成部分，该方法简单，直接产生连续的 流线段。,水文分析提取栅格河网,单阈值20,单阈值100,提取栅格河网结果,河流的分级一般依据河流的流量、形态等因素进行，不同级别的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流累积量越大，一般是主流，而级别低的河网则一般是支流。 两种常用的分级方法： A、Strahler 分级： B、Shreve分级：,水文分析栅格河网分级,将所