第4-地形分析讲解课件.ppt

1、第4部分 地形分析第一节 数字地面模型第二节 获取数字地面模型的数据源和方法第三节 地形制图第四节 地形表面分析第五节 流域一、DTM与DEM的概念o 1、数字地形地面模型DTM（Digital Terrain Model）是利用一个任意坐标场中大量选择的已知（x,y,z）的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，即DTM就是地形表面简单的数字表示。x,y为二维平面坐标，z为任意地面属性的第三维坐标，如高度、坡度、坡向、土壤等。2、数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)数字地面模型中的Z为高程时，则为数字高程模型。规则格网模型规则格网模型 不规则三角网模型不规则三角

2、网模型 等高线模型等高线模型二DEM的主要表示模型 1规则格网模型规则格网模型o 将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值。2）规则格网高程模型的优点 o a、很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统 o b、很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式。3）规则格网高程模型的缺点o a、不能准确表示地形的结构和细部。o b、格网DEM的另一个缺点是数据量过大，给数据管理带来了不方便，通常要进行压缩存储。2 不规

3、则三角网（TIN）模型 1）不规则三角形（TIN：Trangulated Irregular Network）表示法 利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点（各三角形的顶点）连接成相互连续的三角面（连接时，尽可能确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等）。2)2)、模型的表示、模型的表示 点文件点文件 三角形文件三角形文件 点号点号 坐标点坐标点 三角形号三角形号 顶点顶点 邻接三角形邻接三角形 N1 X 1 Y1 Z1 T1 N1 N5 N6 T2 T5 /N2 X 2 Y2 Z1 T2 N1 N4 N3 T1 T3 T6 N3 X 3 Y3 Z1 T3 N

4、1 N2 N4 /T4 T2 N4 X 4 Y4 Z4 T4 N2 N3 N4 T3 /T8 N5 X 5 Y5 Z5 T5 N8 N5 N6 T1 /T6 N6 X 6 Y6 Z6 T6 N4 N5 N8 T2 T5 T7 N7 X 7 Y7 Z7 T7 N4 N7 N8 T6 T8 /N8 X 8 Y8 Z8 T8 N3 N4 N7 T4 T7 /T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 N1N6N2N8N7N 3N4N53、等高线模型 o 等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知的高程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。如图

5、所示。DEMDEM的实例（的实例（1 1）DEMDEM的实例（的实例（2 2）2.1.2 静止三维图像静止三维图像DEMDEM的实例（的实例（3 3）第二节、DEM的数据采集一、一、DEMDEM的数据源及数据采集的数据源及数据采集 1、航空或航天遥感图像 这种方法以航空或航天遥感立体像对为数据源，用摄影测量的方法建立空间地形立体模型，量取密集数字高程数据，建立DEM。采集数据的摄影测量仪器包括各种解析的和数字的摄影测量与遥感仪器。2.2.地形图地形图 主要以国家近期地形图为数据源，从中量取中等密度地面点集的数字高程，建立DEM。其方法有下列几种：1）手工方法 采用方格膜片、网点板或带刻划的平移

6、角尺叠置在地形上，并使地形图的格网与网点板或膜片的格网线逐格匹配定位，自上而下，逐行从左到右量取高程。当格网交点落在相邻等高线之间时，用目视线性内插方法估计高程值。这种方法获取的是规则的格网DEM，它的优点是几乎不需要购置仪器设备，而且操作简便。2）手扶跟踪数字化仪采集 采集方式有：沿主要等高线采集平面曲率极值点，并选采高程注记点和线性加密点作补充；逐条等高线的线方式连续采集样点，并采集所有高程注记点作补充，这种方式适用于等高线较稀疏的平坦地区；沿计曲线和坡折线采集曲率极值点，并补采峰鞍线和水边线的支撑点，分别以等高线，峰鞍链和边界链格式存储。3）扫描数字化仪采集 这种方式采集速度最快，但数据

7、编辑修改较为复杂。3 3地面实测记录地面实测记录 用电子速测仪（全站仪）和电子手簿或测距经纬仪配合笔记本电脑，在已知点位的测站上，观测到目标点的方向、距离和高差三个要素。计算出目标点的x,y,z三维坐标，存储于电子手簿或袖珍计算机中，成为建立DEM的原始数据。这种方法一般用于建立小范围大比例尺（比例尺大于1：5000）区域的DEM，对高程的精度要求较高。另外气压测高法获取地面稀疏点集的高程数据，也可用来建立对高程精度要求不高的DEM。第三节 地形制图一 绘制等高线o 是以格网点高程数据或者离散的高程数据由栅格追踪法原理转换为矢量等值线所产生的。o 晕渲图是以通过模拟实际地面本影与落影的方法反映

8、实际地形起伏特征的重要的地图制图学方法。二 绘制地面晕渲n影响因子 n相对辐射量 n照明值计算 地貌晕渲图制作地貌晕渲图制作A vertical profile showing changes in elevation along a stream tributary.The profile has a vertical exaggeration factor of 1.0(i.e.,or no vertical exaggeration).三 绘制垂直剖面地形制图：剖面线地形制图：剖面线四 透视立体图的绘制o 立体图是表现物体三维模型最直观形象的图形，它可以生动逼真地描述制图对象在平面和空间

9、上分布的形态特征和构造关系。立体图模型有利于研究区域的轮廓形态、变化规律以及内部结构。第四节 地形分析 坡度和坡向分析 表面曲率分析 可视域分析。一、坡度坡向分析 （一）定义及表示（一）定义及表示 地表某点的坡度定义为水平面与过该点的切面之间夹角的正切值，在物理上定义为过该点的法线方向与垂线夹角的正切值；地表位置上高度变化率的量度。单位：百分数、度数 计算公式 slope=tgP=(z/x)2+(z/y)21/2式中的z/x、z/y一般采用2阶差分方法计算。一、坡度坡向分析 （一）定义及表示（一）定义及表示 地表某点坡向为坡面法线在水平面上的投影与正北方向的夹角。是斜坡方向的量度。单位：4个或

10、8个基本方向 计算公式 Dir=(-z/y)/(z/x)式中的z/x、z/y一般采用2阶差分方法计算。（二）计算坡度坡向的算法o 用格网（栅格）计算坡度、坡向的算法（P276-278）Fleming Hoffer Ritter Horn算法 Sharpnack算法o 用不规则三角网计算坡度、坡向的算法P278-279）o 剖面曲率地面上任一点位地表坡度的变化率，或者称为高程变化的二次导数。Slope of slopeo 平面曲率地面上任一点位地表坡向的变化率，它是一个反映等高线弯曲程度的指标，可以反映出地表所有的山脊线、山谷线。Slope of aspect二、表面曲率的计算等高线曲率：等高线

11、水平曲线曲率XYNZ坡向坡度坡度：法线与垂直方向之夹角坡向：法线在水以平面投影与正北方向之夹角剖面曲率：与等高线垂直的曲线曲率切曲率：与法线方向垂直的曲线曲率坡度、坡向与曲率坡度、坡向与曲率212222222322222322222222)1)(2)(2)1)(2Pr90180),(yxyxxyyyxxyyxxyxyxxyxxyxyyyxyxyyyyxxyxxxxxxyyxfffffffffffCurturveTangentialfffffffffturveContourCurfffffffffffrveofileCurtuffffarctgAspectffarctgSlopeyxfz切曲率：

12、平面曲率：剖面曲率：坡向：坡度：设地形曲面为：坡度、坡向与曲率的数学表达坡度、坡向与曲率的数学表达三、视域分析（一）视域分析定义及参数o 视域定义：从一个或多个观察点可以看见的地表范围。o 视域分析：要求第一含一个或多个观察点的图层；第二个输入数据室DEM或TIN。o 视域分析中的参数：1 观察点 2 观察方位角 3 观察半径（二）视域分析的应用o 设施的选址无线通讯o 住宅和度假区开发n1 基本概念 n2 流域分析流程 n3 流域分析因子n4 流域分析的应用 n5 ArcGIS中的Hydrology Function 第五节第五节 流域分析流域分析一一 基本概念基本概念流域、分水线、汇流区域

13、o 流域是指流经其中的水流和其它物质从一个公共的出水口排出从而形成一个集中的排水区域。o 流域盆地basin、集水盆地catchment或水流区域contributing area。Watershed数据显示了区域内每个流域汇水面积的大小。汇水面积是指从某个出水口（或点）流出的河流的总面积。出水口（或点）即流域内水流的出口，是整个流域的最低处。流域间的分界线既为分水岭。DEM无洼地DEM生成水流方向确定水流累计矩阵计算流域特征分析特征地貌分析山脊线、山谷线提取流域网络提取流域分割流域参数统计计算二二 基于流域分析流程基于流域分析流程三、流域分析的因子和主要功能（1）已填洼DEM（fill si

14、nks)（2）水流方向计算（Flow direction）（3）水流累积量Flow Accumulation（4）河网（5）河流链路 水流长度计算Flow Length（6）全流域Watershed 6657637252445065536068495047624949665258574859536460676264666467697571624966485364646467修改高程:等与周围最低点或周围高程的平均值1 已填洼DEM （fill sinks)当某个被考察网格的方向不能由相邻的 8个网格高程来确定的时候,考察范围扩大到更外一层的16个网格,以此类推,直至可直接确定为止。计算结果会生

15、成许多方向相对的网格方向，软件中将其定义为坑。然后将该坑内网格的高程，都修改成坑边缘最低点的高程，由此来消除坑。网格高程修改后有可能出现新的坑，为此需作多次高程修改。显然,此法因对高程的大面积修正会带来较大的误差。ArcGisArcGis中洼地处理方法中洼地处理方法2 水流方向计算（Flow direction）含义：水流离开每一个已填洼高程栅格单元时的指向 确定流向方法：八方向法算法思想：计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差（中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离）来确定的从Filled DEM数据（eleGrid）产生的水流方向矩阵（flowGrid）如下所示 3 水流累积量Flow Accumulation o 区域流水累积量矩阵表示区域地形每点的流水累积量o 基本思想是：以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往低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数字矩阵计算每点处所流过的水量数值，便可得到该区域水流累积数字矩阵。从水流方向数字矩阵（flowGrid）产生的流水累积量矩阵（accumGrid）4 河网o 给定临界累计值，流量累积栅格可导出河网。5 河流链路6 全流域o 基于拓扑的河流图层。o 流向栅格和河流链路作为基本输入数据勾绘流域。四 流域分析的应用o 自然资源管理和规划流域管理o 得到水文要素o 洪水预报与融雪径流模型等