論述數字高程模型及空間地形分析方法及原理

⑴ 利用數字高程模型自動提取耕地坡度

土地資源 數字高程模型 坡度 GIS 耕地

1 引 言

查清坡耕地資源狀況並進行科學評價，對於促進經濟發展，科學制定土地資源開發利用規劃及生態退耕規劃，具有重要意義。坡耕地是旱糧、經作、果樹等的生產基地，在農業生產上舉足輕重。由於大多數坡耕地是順坡開墾，地埂不完善，表土受沖刷，耕層沙化；而且重用輕養，耕作粗放，少施或不施有機肥，以致土壤有機質含量低，氮磷鉀養分缺乏，土壤酸度大，耕層淺薄而受旱，造成農作物產量較低。但坡耕地面積大，土層深厚，環境條件優越，水熱充足，增產潛力很大。針對存在問題，需要摸清坡耕地的准確數量、分布、權屬情況並進行科學評價，然後才能制定相應的對策進行科學改良。

另一方面，人類進入農業文明以來，寫下了一部毀林開荒的歷史。聯合國《2000年全球生態環境展望》指出，人類對林木和耕地的需求，已使全球森林減少了35%，其中30%的森林變成農業用地，難以支撐人類文明的發展。中國也不例外。毀林開荒在中國延續了幾千年，「民以食為天」是歷代政府制定各種政策的重要基礎。從新中國成立到20世紀90年代中期，糧食問題一直困擾著我國的發展，毀林擴張農田的步伐一天也沒有停止過。到目前為止，全國25度以上的坡耕地達9100多萬畝。包括毀林開荒在內的種種糧食增長措施，使我國用世界上7%的耕地養活了22%的人口。對全人類來說，這是一個了不起的貢獻。但是，為此付出的生態代價也是慘重的。由於長江、黃河上中游不合理的耕作方式和毀林開荒，每年輸入長江、黃河的泥沙量達20億噸，其中2/3來自坡耕地。坡耕地開墾造成了水土流失、土地沙漠化，最終使生態環境不斷惡化，退耕還林勢在必行。從20世紀最後幾年開始，隨著糧食問題的根本解決，有了更多地關注生態問題的可能性。1999年，黨中央、國務院總攬全局，審時度勢，抓住有利時機，做出了「以糧食換生態實施退耕還林工程」的重大決策，幾千年的毀林開荒的做法將徹底終結。應該說，這是一個偉大的歷史轉折。

要開發改良坡耕地，要退耕還林，就需要准確掌握坡耕地的分布及坡度級別。目前各地土地管理部門進行坡耕地調查時採用的是初始土地詳查時所調查的坡度數據，這些坡度數據是通過人工或半人工的方式得到的，數據的准確性難以全面核實，這樣就勢必影響到省、市乃至全國匯總數據的准確性。隨著計算機數據處理能力的提高，自動測量儀器的廣泛使用以及制圖技術的發展，使得利用計算機自動准確地提取坡耕地坡度、分布成為可能。在遙感圖像正射糾正的過程中要使用到DEM。一般情況下，當糾正完畢之後，DEM數據就閑置起來了，DEM數據是來之不易的數據，價格比較昂貴，應該深入開發提高其利用率，讓其發揮更多的作用。本文針對如何利用現有的先進技術，來實現坡耕地自動提取問題進行了探討。

2 關於數字高程模型DEM

2.1 數字高程模型概述

20世紀50年代中期，美國麻省理工學院攝影測量實驗室主任米勒（C.L.Miller）提出了一個一般性的概念：數字地面模型（Digital Terrain Models，即DTM）。此後，DTM發展迅速，並在包括GIS在內的許多領域中有著廣泛的應用研究。數字高程模型（Digital Elevation Models，即DEM）是DTM的一種特例，兩者都是描述地面特性的空間分布的有序數值陣列。空間分布是由X、Y水平坐標系統或經緯度來描述的。

與DTM不同的是，DEM的地面特徵是高程值Z，而不是描述土壤類型、植被類型和土地利用情況等屬性值。目前，真三維（3D）GIS還處在研究階段，DEM仍然是GIS表現3D地形的主要2.5維手段。GIS中常用的DEM是：基於2.5維表現形式的規則網格（GRID）和三角網（TIN），以及基於二維平面形式表示的等值線圖。GRID是用一組大小相同的網格描述地形表面，它能充分表現高程的細節變化，拓樸關系簡單，演算法容易實現，某些空間操縱及存儲方便；不足的地方是，佔用較大的存儲空間，不規則的地面特徵與規則的數據表示間存在不協調。TIN是用分散的地形點按照一定的規則構成的一系列不相交的三角形組成，它的優點是高效的存儲，數據結構簡單，與不規則的地面特徵和諧一致，可以表示纖細功能特徵和疊加任意形狀的區域邊界，但是TIN的實現比較復雜和困難。GRID常用的生成演算法有：反距離權插值（IDW）、雙線性插值、趨勢面插值、樣條插值、多層疊加插值面函數及克里金（Kriging）插值等；TIN生成演算法主要有：分割歸並法、逐點插入法和逐步生長法。

2.2 DEM的製作方法

DEM數據一般可向測繪主管部門獲取或向其購買。如果獲得符合投影規范和比例尺精度的DEM數據，可在GIS軟體下按一定范圍的Coverage進行裁剪就可以使用。例如可在ARC/INFO軟體GRID模塊下用GRIDCLIP命令進行。

如果不能獲取現成的DEM數據，也可以自己用地形圖生成。步驟如下：

（1）紙圖地形圖數字化及校準，即地形圖掃描和幾何糾正。

（2）高程信息的提取。包括：①對等高線進行屏幕矢量跟蹤；②對等高線標賦高程值；③編輯、檢查、拼接以生成拓樸關系。

（3）DEM生成。包括：①將生成的矢量圖在ARC/INFO軟體中用不規則三角網（TIN）進行內插，以使整個研究區域都含有高程值；②將TIN數據進行采樣，轉換為GRID數據。

（4）裁剪DEM數據。方法同前。

2.3 研究項目使用的DEM數據

數據精度是與地圖比例尺緊密相連的概念，不同的數據種類必須在一個統一的精度框架下進行集成。矢量數據必須在具體的投影類型和比例尺框架下進行編輯修正和制圖綜合；DEM數據精度亦是一個與比例尺密切相關的概念。研究表明，用1∶5萬地形圖生成的DEM數據，在中山地區用25～30米網格可以很好地保留地形信息，高山地區最好用20米網格間距，而低山和平地地區則可以用50米的網格間距。

本研究主要使用了國家測繪局按統一標准生產的1∶5萬比例尺DEM數據，其網格間距為25米。實驗區為位於河北省北部的隆化縣全縣，面積為5492平方千米。最低高程為660米，最高為1244米。原始數據格式為Coverage標准格式。經坐標轉換統一轉換為1980年西安坐標系。圖1為實驗區內一幅1∶5萬比例尺DEM灰度圖，圖2為經過暈渲處理後的DEM圖像。

圖1 DEM灰度圖

圖2 經暈渲處理後的DEM影像

3 坡度信息提取

3.1 利用DEM進行坡度計算的數學基礎

筆者在DEM的基礎上演化了坡度和坡向圖。坡度是指GRID中像素高程值的變化率，計算結果以度、小數或百分數的形式存放在像素屬性中。坡向是指GRID中每個像素麵的朝向，范圍為0～360度。其中0度代表北，90度代表東等。迄今為止，坡度和坡向的計算方法可歸納為五種：四塊法、空間矢量分析法、擬合平面法、擬合曲面法、直接解法。經證明，擬合曲面法是求解坡度的最佳方法。擬合曲面法一般採用二次曲面，即3×3的窗口（圖3）：

圖3 擬合曲面法二次曲面窗口

每一個點為一個高程點。點G的坡度的求解公式如下：

土地資源監測調查工程論文集[2]

其坡向計算公式為：

土地資源監測調查工程論文集[2]

式中：S為坡度；A為坡向；S_WE為東西向（X軸）上的坡度；S_SN為南北向（Y軸）上的坡度。X，Y軸上的坡度演算法共有四種，其中精度最高、計算效率最高的演算法為：

土地資源監測調查工程論文集[2]

公式中ΔG是GRID的網格間距。

3.2 坡度圖的生成

根據上述坡度計算數學模型，利用計算機自動處理生成坡度圖。坡度圖不應該按隨意級別生成，需要在生成坡度之前確定坡度的坡度表達級別，為了和日常工作中經常使用的坡度級別一致（即土地利用現狀建庫所需要的坡度級別），特製定坡度級別如下：

土地資源監測調查工程論文集[2]

根據此坡度級別，利用GIS軟體將DEM的網格信息自動提取出相應的Polygen，每個級別的Polygen由不同的顏色組成，並在Polygen的屬性中自動添加坡度級別代碼。所生成的坡度圖式樣如圖4所示，不同的顏色代表了不同的坡度。

圖4 坡度級別矢量圖

3.3 土地利用圖與坡度圖的疊加（坡耕地的提取）

經過以上處理之後，雖然整個圖幅范圍內的所有不同的坡度級別均已表示出來了，但我們並不知道哪裡是耕地，哪裡是非耕地，因此，需要採用其他技術手段來進行判別。要解決這個問題，一般有兩個方法：人工套合法和計算機自動處理法。人工方法已經非常落後，這里不再贅述，下面只探討自動處理法。

在土地利用資料庫建庫過程中，各種地類的圖斑均已被矢量化，把矢量化的土地利用圖經過坐標轉換並與DEM坡度圖數據配准之後（關於坐標系轉換與配準的方法，這里不再贅述，可參考相關資料），利用一般GIS軟體均有的空間分析功能，來自動計算各耕地圖斑的坡度。空間分析的基本原理如圖5所示。

空間分析是一種將兩層地圖要素疊加產生一個新的要素層的操作，其結果是原來的要素被分割、剪斷、套合，然後生成新的要素，新要素綜合了原來兩層要素所具有的屬性。也就是說，空間疊加，不僅產生新的空間特徵，還將輸入特徵的屬性聯系起來，產生新的屬性。空間疊加分為矢量數據和柵格數據兩種類型。對於矢量數據，採用矢量疊加方法，該方法對矢量的空間數據進行分割、剪斷、套合等操作，對和矢量相關的屬性進行連接，疊加結果是新的矢量數據和屬性數據。對於柵格數據則採用柵格加權疊加方法，該方法將兩個柵格文件的對應元素加權相加，作為疊加結果的對應元素。

圖5 空間分析為圖斑自動賦坡度值

和矢量相關的屬性數據，或者矢量疊加得到的屬性連接表，可進一步作屬性統計分析，以便得出各種要素之間的定量關系。

在圖5中，深色部分為一耕地圖斑，空間檢索出來該圖斑包含有1°、2°、3°三種不同的坡度，軟體會自動進行加權取平均，得到最終的坡度（圖中大約為2.1°左右）。

將矢量土地利用現狀圖的圖斑屬性欄位中增加一「計算機坡度級別」欄位（避免與原有的「坡度級別」欄位沖突），經過空間分析即可得到每一圖斑的坡度級別並自動向該欄位賦值。需要說明的是，經過自動賦值後的土地利用現狀圖，不但實現了給耕地圖斑賦值，而且包括林地、居民地、水域等所有圖斑均包含了坡度值，這是前所未有的表示方法，為今後的進一步應用奠定了基礎。圖6為具有坡度級別的土地利用現狀圖。

圖6 具有坡度級別的土地利用現狀圖

4 計算機自動提取坡度成果與原土地詳查中的坡度資料比較

在隆化縣土地利用建庫完成的基礎上，將原來土地詳查的耕地坡度級別與DEM自動提取的坡度級別進行了比較。

隆化縣經土地更新建庫之後，總圖斑數量約35237個，其中，按初始詳查資料標注有坡度級別的圖斑有3934個（數量如此之少，其原因有二：一是由於原始詳查資料不完整，或建庫矢量化過程中丟漏所造成的；二是只標注了耕地，而其他用地沒有表示），我們將全縣所有的圖斑都進行了計算機自動坡度級別提取，現將這些標注有圖斑的坡度級別與計算機自動提取的坡度級別進行比較，其結果如表1。

為了驗證表中結果的准確性，本研究在進行土地更新調查的同時，對坡度級別進行了實地抽查，抽查圖斑數量在50個左右。結果發現坡度有誤差的圖斑（相差1個級別的），大部分為2度左右的耕地，2度為1、2坡度級別的分界線，在分界線附近易出現人機誤差，屬於正常情況。也對有粗差圖斑進行了抽查，結果表明計算機的結果是正確的，粗差確屬人為因素造成。

從表1中可以看出，在初始詳查的過程中，由於當時條件的限制，所估計的坡度值有47%左右是正確的，有47%左右存在著誤差（坡度級別相差1個級別），有7%的粗差。從統計數字來看，這些差別是正常的，恰恰反映了當時的處理手段的缺陷。這些缺陷在當時情形下是可以容忍的，也是無奈的，但對於信息化快速發展的今天，則是不可忽視的問題。同時，筆者感覺到現行坡度級別的劃分標准偏粗，以1級別為例，坡度為0～2度，實際工作中大家知道，0度的平地和2度的坡地有本質上的區別，把它們劃到一個級別之內，勢必會影響將來的深入應用。

表1 原有坡度級別與計算機自動提取坡度級別的比較

5 結 語

在目前土地利用資料庫建庫的過程中，如果繼續沿用初始詳查中的坡度資料，會帶來兩個問題：①原始資料的不準確性影響將來的深入應用；②在建庫過程中又會丟失一些坡度信息，使得原本不準確的數據更加不準確，而且採用預檢、驗收等手段很難檢查出其中的丟漏與正確性。為此，採用先進的技術手段對坡耕地進行重新評價勢在必行。利用DEM數據可以得到很好的坡度提取效果，1∶5萬比例尺的DEM是比較合適的品種。

現行的坡度級別分級標准偏粗，可能會給將來的深入應用帶來不利影響，建議改進坡度分級標准。在現有條件下，建議在土地利用建庫的過程中保留DEM數據，或建立DEM資料庫，為將來應用作好准備。

⑵ 武漢大學測繪學院

專業代碼、名稱及研究方向 計劃招生人數 考 試 科 目 備 注
214測繪學院
（68778815） 85
070801固體地球物理學
01 地球重力場理論及應用
02 衛星重力及其應用
03 月球重力場的理論及應用
04 衛星重力學及應用
05 大地測量和地球重力場地球物理反演理論及應用
06 地球動力學數值模擬及應用
07 地殼運動與變形分析
08 地下工程地震預報
09 地震勘探
10 重力、地磁勘探技術及應用
11 電法勘探技術及應用
①101政治理論
②201英語或202俄語或212德語
③301數學一
④929重力學 復試採用筆試和口試相結合的方法進行，筆試的科目為：地球物理學原理
同等學力和跨學科加試科目：①地球概論②大學物理
081601大地測量學與測量工程
01 衛星導航定位技術及其應用
02 組合導航
03 基於位置服務
04 衛星定軌
05 現代測量數據處理理論與方法
06 現代大地測量基準建立與維持
07 物理大地測量學
08 深空大地測量學
09 海洋測繪
10 衛星重力測量理論及應用
11 地球物理大地測量
12 空間數據質量與挖掘
13 精密工程測量
14 變形監測分析
15 工業測量
16 移動測量與測量自動化
17 數近景攝影測量
18 地下工程測量
19 災害監測評估與預警
20 工程測量專用儀器與軟體
21 激光雷達數據處理及應用
22 新型遙感影像數據處理理論與方法
23 真三維景觀影像建模
24 超分辨圖像復原技術
25 數字攝影測量理論與方法
26 遙感信息處理與應用
27 圖像測量
28 地理信息系統及應用
29 極地測繪

①101政治理論
②201英語或202俄語或212德語
③301數學一
④930大地測量學基礎或931計算機基礎 復試採用筆試和口試相結合的方法進行，筆試的科目為：測繪學概論
同等學力和跨學科加試科目：①測量學②GPS原理與應用
★081620 城市空間信息工程
01 城市地理空間框架與維持
02 數字城市理論與應用
03 城市公共安全應急管理
04 電子政務公共空間信息平台
05 城市不動產管理與評估
06 城市地下管網信息系統
07 城市虛擬現實技術與應用
08 城市空間信息智能服務
09 城市空間信息處理理論與應用 ①101政治理論
②201英語或202俄語或212德語
③301數學一
④932地理信息系統原理與應用 復試採用筆試和口試相結合的方法進行，筆試的科目為：GPS原理與應用或攝影測量與遙感
同等學力和跨學科加試科目：①數字測圖原理與方法②資料庫原理

214 測繪學院

初試科目考試內容及范圍 ：
1、《大地測量學基礎》考試范圍及內容
●
1) 大地測量學的大地測量學的發展簡史及展望
2) 坐標系統與時間系統
3) 地球重力場及地球形狀的基本理論
4) 地球橢球及其數學投影變換的基本理論
5) 大地測量基本技術與方法
●
1) 了解大地測量學的基本概念、發展簡史及未來展望，熟習經典大地測量與現代大地測量的區別，掌握大地測量學的定義和內容。
2) 了解行星運動的三大規律，掌握歲差、章動、極移；恆星時、世界時、歷書時、力學時、原子時、協調世界時的概念，以及它們之間的相互關系。
3) 了解坐標系統的基本概念，參心坐標系的建立方法，一點定位和多點定位的基本原理；了解北京54坐標系、80坐標系、新北京54坐標系的主要特點及其相互聯系與區別；了解地心坐標系的建立方法，掌握國際地球參考系統（ITRS）與國際地球參考框架（ITRF）的概念；熟練掌握幾種坐標系統的定義以及其相互換算關系；
4) 掌握地球重力位、地球重力、正常重力位、正常重力的概念及正常橢球、水準橢球、總地球橢球、參考橢球的概念；
5) 掌握正高系統、正常高系統、力高高程系統的概念；熟練掌握國家高程基準；
6) 掌握垂線偏差和大地水準面差距的定義與測定方法以及確定地球形狀的基本方法。
7) 熟練掌握地球橢球的基本元素及其相互關系；熟練掌握橢球面上幾種常用坐標系及其相互關系；熟練掌握空間大地坐標系與空間直角坐標系之間相互轉換的計算；
8) 熟練掌握橢球面上的幾種曲率半徑（子午線、卯酉線、任意法截線、平均曲率半徑）的計算；熟練掌握橢球面上子午線弧長計算公式與子午線弧長求大地緯度的計算方法；了解橢球面梯形圖幅面積的計算；
9) 熟練掌握大地線的定義，相對法截線的概念；熟練掌握大地線微分方程和克萊勞方程；
10) 熟練掌握大地主題正反算的定義；
11) 了解地圖數學投影的基本概念；掌握地圖數學投影的分類；熟練掌握高斯平面直角坐標系的定義與建立方法；掌握平面子午線角、方向改化、距離改化的定義及其計算；熟練掌握高斯投影的鄰帶換算方法；掌握橫軸墨卡托（UTM）投影與蘭勃特投影基本概念。
12) 了解國家大地控制網建立的基本原理及其方法，掌握現代大地測量技術（GPS、VLBI、INS、SLR）的概念；了解現代測量技術建立國家大地測量控制網的概況；
13) 掌握大地控制網與優化設計概念與方法，可靠性的概念，優化設計的分類；
14) 熟練掌握測角的主要誤差來源，精密測角方法（方向觀測法）及其限差要求；了解歸心改正；
15) 熟練掌握測距的基本原理，距離改正方法，測距的主要誤差來源以及測距精度的評定方法；
16) 熟練掌握精密水準測量誤差來源；
17) 理解與掌握大地測量數據處理的理論與方法；
2、《計算機基礎》考試范圍及內容
1. 數據結構緒論：數據結構的相關概念、演算法及演算法分析。
2. 線性表：線性表及其邏輯結構、線性表的順序存儲結構、線性表的鏈式存儲結構、線性表的應用。
3. 棧：棧的定義、棧的順序存儲結構及其基本運算實現、棧的鏈式存儲結構及其基本運算的實現、棧的應用。
4. 隊列：隊列的定義、隊列的順序存儲結構及其基本運算實現、隊列的鏈式存儲結構及其基本運算的實現、隊列的應用。
5. 串：串的基本概念、串的順序和鏈式存儲結構。
6. 數組和稀疏矩陣：數組的基本概念、數組的存儲結構、特殊矩陣的壓縮存儲；稀疏矩陣的三元組表示。
7. 遞歸：遞歸的概念、遞歸演算法的設計。
8. 樹和二叉樹：樹的基本概念、二叉樹概念和性質、二叉樹存儲結構、二叉樹的基本運算及其實現、二叉樹的遍歷、二叉樹的構造和哈夫曼樹。
9. 圖：圖的基本概念、圖的存儲結構、圖的遍歷、生成樹和最小生成樹、最短路徑和拓撲排序。
10. 查找：查找的基本概念、線性表的查找、樹表的查找、哈希表查找。
11. 內排序：排序的基本概念、插入排序、交換排序、選擇排序、歸並排序、基數排序、各種內排序方法的比較和選擇。
3、《重力學》考試范圍及內容
《地球重力學》是地球物理專業的基礎課程；其主要任務是研究地球形狀、外部重力場、地球內部構造、板塊運動及變形的科學；要求學生掌握地球重力場的基本概念、重力測量的原理與方法，重力數據的預處理方法和分析方法；重力正反演與地球內部物質構造的研究方法；大地水準的理論與確定方法。
4、《地理信息系統原理及應用》考試范圍及內容
考試目的
地理信息系統是一門處理、分析和表達空間信息並具有多學科交叉特徵的新興學科，是許多相關學科專業的基礎課程，也是空間信息科學的重要研究方向。本大綱適用於測繪學院城市空間信息工程方向碩士生入學考試，要求考生對地理信息系統基本概念有較深入的理解，能夠系統地掌握空間數據處理、空間數據模型、空間信息分析的基本理論與方法，理解地理信息系統的主要工程化技術，並具有綜合地理信息系統分析問題和解決問題的能力。
考試內容
1.地理信息系統概論
(1)基本概念：信息、數據、地理數據、地理信息、信息系統、地理信息系統與其它信息系統間的關系
(2)地理信息系統及其類型：地理信息系統，地理信息系統類型，地理信息系統的構成
(3)地理信息系統的主要功能及發展趨勢
2.地理信息系統中的數據和數據模型
(1)數據涵義和數據類型：數據涵義，數據類型，空間數據的表示方法
(2)數據的測量尺度：命名量，次序量，間隔量，比率量
(3)地理信息系統的數據質量：基本概念，誤差分析，質量控制
(4)空間數據的元數據：元數據概念、類型、應用，元數據的獲取、管理，元數據的存儲和功能實現
(5)空間參照系：坐標系統、地圖投影
(6)空間數據模型：空間數據模型的類型、要素模型、場模型、網路模型、時空模型、三維模型
(7)空間關系：拓樸關系、度量關系、方向關系
3.空間數據獲取
(1)地圖數字化：地圖數字化、掃描矢量化演算法、矢量和柵格數據壓縮方法
(2)空間數據錄入後的處理：坐標變換、拓樸關系自動生成演算法
4.空間數據管理
(1)空間資料庫的基本概念：空間資料庫，數據與文件組織，GIS的內部數據結構
(2)柵格數據結構及其編碼：柵格數據結構，決定柵格單元代碼的方法，編碼方法
(3)矢量數據結構及其編碼：矢量數據結構，編碼方法
(4)矢柵結構的比較及轉換演算法
(5)空間索引機制與空間信息查詢：索引概念，索引類型，空間信息查詢
5.空間查詢與空間分析
(1)空間查詢與量算：空間查詢類型、空間量算類型
(2)空間變換與再分類
(3)典型空間分析：緩沖區分析、疊加分析、網路分析
(4)空間插值
(5)空間統計分析方法
(6)數字地形模型與地形分析：數字地形模型DTM、數字高程模型DEM、DEM的主要表示方法、DEM之間的相互轉換、DEM的建立方法、DEM的分析應用
6.空間數據表現與地圖制圖
(1)專題信息表現：地圖符號、專題信息、專題地圖的分類和內容，專題圖的表現形式
(2)專題地圖設計
(3)地理信息的可視化：基本概念，地學可視化的類型，虛擬地理環境
7.地理信息系統的相關知識
(1)空間建模的基本概念：空間分析過程及模型、空間決策支持模型、專家系統、數據倉庫與空間數據挖掘
(2)3S集成：遙感，全球定位系統，遙感與GIS的集成，全球定位系統與GIS的集成，3S集成
(3)網路GIS的基本概念
(4)GIS開發的基本方法：常用開發方法、一般開發過程

⑶ 數字地形圖,數字高程模型(DEM),數字地面模型（DTM)的區別是什麼,它們之間有什麼關系

在測繪領域,地形圖是一個專有名詞.國內的地形圖（國外的不了解）一般特指那些特定比例尺系列、有著固定分幅范圍的、全面表達地表面的地形、地物特徵的地圖.其內容特點是全面、均衡、不突出表達某種要素.一般包括：測量控制點、居民地、水系、交通、管線、地貌、植被等內容.數字地形圖的歷史形態是模擬地形圖,一般是紙質的.
地形圖上的地貌是用等高線、高程點、陡坎、陡崖等表達的.等高線和高程點,外加陡坎、陡崖及其比高構成了一種「高程模型」.通過對他們的判讀,可以得到對地表高程的總體印象,是對實際地貌的一種模擬.數字地形圖上的等高線和高程點是數字高程模型的一種.不規則三角網、規則格網都可以是數字高程模型,其核心特點是都可以對地表高程信息進行完整的模擬.
DTM是數字地形模型.地形是「地表形態」或「地貌形態」的簡稱.地形可以用高程來描述,也可以用坡度、坡向等信息來描述.數字地形模型包括數字高程模型、數字坡度模型、數字坡向模型等.
對應的還有一個DSM,是數字表面模型.DEM必須是高程信息,是地表的模擬,DSM可以是地物表面的模擬,包括植被表面、房屋的表面,對DSM進行加工,去掉房屋、植被等信息,可以形成DEM.

⑷ 數字高程模型與相山地貌

數字高程模型(DEM)是對地球表面地形地貌的數字表達、模擬(Michael，2000)。DEM在軍事領域、在交通路線勘察設計、水利建設工程、環境影響評價、電訊、城市規劃和災害評價等領域都有較成熟的應用(李志林等，2003;郭鵬等，2003;張行南等，2004)，DEM在地質學中的應用相對較新，但應用范圍越來越廣泛，優勢也越來越明顯(劉少峰等，2005;張會平等，2004;李遠華等，2005)。

本節通過相山DEM數據，研究了相山鈾礦田地貌形體特徵，並探討了地貌形體與鈾礦空間分布的關系。

一、DEM數據獲取

DEM數據可通過多種途徑獲取，如地形圖等高線的數字化、航空攝影測量技術、立體衛星遙感技術、激光高度測量遙感技術和合成孔徑雷達遙感技術(SAR)等。相山DEM數據(記為xsdem)是從1∶5萬地形圖上獲取的。研究區所涉及的1∶5萬標准幅地形圖為陀上幅、宜黃縣幅、二都幅、樂安縣幅，採集時所使用的軟體平台為MapGIS6.5，投影變換參數如下:坐標系類型為大地坐標系，投影類型為高斯－克呂格(6°帶)投影，橢球參數為北京54/克拉索夫斯基，坐標單位為m，網格15m×15m。作業流程見圖4－8。相山地區數字高程模型(DEM)見圖4－9。

圖4-8 由等高線地形圖生成格網DEM的作業流程

圖4-9 相山地區數字高程模型(DEM)

二、地貌發育階段

相山地區處亞熱帶氣候區，高溫多雨，風化較強烈，現代地貌為構造侵蝕－剝蝕中低山、丘陵類型，呈現為中央高四周低、山脈呈北東向展布的地勢特點。相山主峰海拔高程1219.2m，四周一般在200～400m，谷底標高80～100m，平均高程248.6m，標准差181.2，水系由中央向四周呈放射狀分布，地形切割較強烈。

一個地區的地貌發育過程是構造、營力和時間的函數。在構造抬升的基礎上，外動力侵蝕剝蝕作用下，該地區的地貌發育過程(時間)可以分為幼年期、壯年期與老年期等幾個地貌發育階段(楊達源，2001)。

Strahler(1956)認為，根據任何一個流域地形的高程曲線形態，就可以判別該流域地形發展階段，根據他的研究，不同地形階段的高程曲線形態如圖4－10a。

華南鈾礦保存因素探索

Strahler研究了許多天然高程曲線及相應的流域地形圖，結果發現未均衡的幼年期與均衡的壯年期之間的界線，大致與60%的高程積分值相當，均衡的壯年期與老年期(殘丘階段)之間的界線，大致與＜35%的高程積分值相當。

根據基於DEM的面積－高程曲線的計算方法(湯國安等，2005)，我們繪制了相山地區面積高程曲線(圖4－10b)，計算出面積高程曲線積分值約14.66%，＜35%，地表侵蝕嚴重，屬老年期的殘丘地形。

誠然，相山地區地表總體侵蝕嚴重，上白堊統南雄組紅砂岩剝了的厚度超過6km(張星蒲，2001)，但由於組成地表物質的岩性差異和地質構造活動強度不同，區內不同部位的侵蝕剝蝕程度和地貌形體特徵也是不一樣的。

三、岩石地貌特徵

岩石是構成地貌形體的物質，岩石的物質成分、岩石的結構構造、岩層的產狀與破碎程度、岩石物質的化學穩定性等對風化剝蝕作用、地貌的形態特徵及其發展變化的速度、區域地貌類型、地貌結構等有重要影響(楊達源，2001)。

相山地區主要出露3套岩性:①上白堊統南雄組紅砂岩和第四系蓋層，其中南雄組紅砂岩主要分布在相山地區西北部;②與成礦有關的相山火山－侵入雜岩，分布在相山地區的中部，其中抗風化能力較強的碎斑熔岩分布面積220km²，占火山－侵入雜岩體面積約70%;③作為基底的震旦－寒武系變質岩、花崗岩，分布於相山地區的南、東或東北部。

在ErdasImagine8.6平台通過xsdem.img求取的相山地區平均坡度圖像記為xs-demslope.img。將Q、K₂n、K₁e、K₁d、T₃a、Z、λζπ、γπ、γ₅、γ₃img二值圖像分別與xsdem.img和xsdemslope.img圖像相乘，可獲取不同地層岩性的平均高程、平均坡度等地形參數(表4－4)。

表4－4相山地區各地層岩性的地形參數

從表4－4可見，K₁e碎斑熔岩海拔高程平均值最大，高程變化范圍也最大，相山最高峰為碎斑熔岩，研究區的主幹山脈也主要由此岩性構成;γπ的露頭高程變化也較大，雖然主要的γπ分布在相山火山－侵入雜岩的東南邊緣和北緣，但在山脊上或山谷中都可出現γπ的小規模露頭。K₂n地層標高平均值最小，為96.37m，標高的變化范圍也最小，其標准差(Std.Dev)僅8.88，反映該地層主要分布在紅盆地內，地形起伏也不大。而Q地層雖然標高平均值不大，坡度平均值是最小的，但可分布在較高的山谷中，如在539m標高的山谷中也有Q的出露，表明Q是在新構造運動(造山運動)的過程或之後形成的。

在A－B剖面(圖4－11)上可見，相山西北部的地形較東南部要復雜，這是西北部構造較發育的地貌表現。在C－D剖面上則看不出西南部和東北部的地貌發育特徵的異同。NE向的斷裂構造對相山地區地貌形態具有重要的影響(張萬良等，2005)。

圖4-11 相山地形剖面圖

四、坡面復雜度因子提取及分析

坡面復雜度因子是宏觀地形信息因子，包括地形起伏度、最小侵蝕量、地表切割深度及高程變異系數等，它表徵了較大區域內高程信息的變異及組合特徵。本次研究基於DEM數據對這類信息因子進行提取並分析其與鈾礦空間分布的關系。

(一)地形起伏度

地形起伏度是指，在所指定的分析區域內所有柵格中最大高程與最小高程的差(湯國安等，2005)，可表示為如下公式:

RF_i=H_max－H_min式中:RF_i是分析區域內的地面起伏度;H_max分析窗口內的最大高程值;H_min是分析窗口內的最小高程值。

通過不同窗口的分析試驗，顯示碎斑熔岩的地面起伏度較大，圖4－12為分析窗口為100×100(1.5km×1.5km)時的地面起伏度及鈾礦分布圖，碎斑熔岩目前處於較強烈的侵蝕狀態，鈾礦床與地形起伏度的關系較復雜，地形起伏度過大或過小似乎都不利於鈾礦床出現。

圖4-12 相山地區地形起伏度與鈾礦分布圖

(二)最小侵蝕量

最小侵蝕量是反映地表侵蝕程度的指標，可定義為地面某點的鄰域范圍的最大高程與該鄰域范圍內的平均高程的差值。可用以下公式表示:

D_i=H_max－H_mean式中:D_i是地面每一點的最小侵蝕量;H_max是一個固定分析窗口內的最大高程;H_mean是一個固定分析窗口的平均高程值。

圖4－13是分析窗口為100×100的最小侵蝕量與鈾礦分布圖，從圖中可以看出，鈾礦多分布於最小侵蝕量140～280m的區域，之外的區域，鈾礦床出現的概率小。

圖4-13 相山地區最小侵蝕量與鈾礦分布關系圖

(三)地表切割深度

地表切割深度是指地面某點的鄰域范圍的平均高程與該鄰域范圍內的最小高程的差值(湯國安等，2005)。可用以下公式表示:

D_i=H_mean－H_min式中:D_i是地面每一點的地表切割深度;H_mean是一個固定分析窗口內的平均高程;H_min是一個固定分析窗口的最低值。

地表切割深度直觀地反映了地表被侵蝕切割的情況，同時也代表了未來侵蝕量的最小估值，並對這地學現象進行了量化。

圖4－14是分析窗口為100×100時的相山地區地面切割深度圖，表明相山地區東南部較西北部地面切割深度大，相山東南部未來侵蝕量的最小估值要大於西北部。這種地貌演變的動力學基礎是，更新世以來的以隆升、掀斜運動為特徵的新構造運動，致使相山地區由西北向東南抬升逐漸增強。

(四)高程變異系數

高程變異系數是反映分析區域內地表單元格網各頂點高程變化的指標(湯國安等，2005)，它以格網單元頂點的標准差S與平均高程 的比值來表示:

華南鈾礦保存因素探索

圖4－15是分析窗口為100×100的相山地區高程變異系數及鈾礦分布圖，大型礦床處於高程變化系數0.12～0.42之間，平均高程變化系數約0.25，中小型礦床處於高程變化系數0.12～0.36之間，平均高程變化系數約0.23，礦點處於高程變化系數0.12～0.30之間，平均高程變化系數約0.18。看來，鈾礦床礦點多分布於高程變異系數由大變小的過渡帶，即高程變異系數＞0.5或＜0.2，都不利於鈾礦床的出現，太大可能表示鈾礦床尚未完全剝露，太小可能意味著侵蝕作用太強，鈾礦床大多都已剝蝕了。礦田東部的628礦床屬鹼交代類型，是相山礦田下部鈾礦化的代表(ZhangWanliangetal.，2005)，目前處於高程變異系數較小(0.19)的區域，較強烈的剝蝕作用已使礦床出現近礦根部相的產物。

圖4-14 相山地區地面切割深度與鈾礦分布圖

圖4-15 相山地區高程變異系數與鈾礦分布圖

礦床空間分布與侵蝕作用有關的地貌形態是否有關系是礦床學有待探索研究的新領域，本次研究只是涉及這一領域的一次試驗性工作。工作結果表明，相山地區地表總體剝蝕嚴重，且剝蝕程度不均，鈾礦空間分布與地貌形態有一定關系，表現在鈾礦床、礦點多出現在最小侵蝕量和高程變異系數由高變低的過渡區域，也就是說，鈾礦床、礦點的分布與地表剝蝕程度有關。

⑸ 基於DEM的數字地形分析有哪些應用

用途：

（1）在國家資料庫中存儲數字地形圖的高程數據；

（2）計算道理設計、其它民用和軍事工程中挖填土石方量；

（3）為軍事目的（武器導向系統、駕駛訓練）的地表景觀設計與規劃（土地景觀構築）等顯示地形的三維圖形；

（4）越野通視情況分析（也是為了軍事和土地景觀規劃等目的）；

（5）規劃道路線路、壩址選擇等；

（6）不同地面的比較和統計分析；

從數字地形分析的復雜性角度來看

DEM地形分析可分為基本地形信息計算和復雜地形信息計算兩類。基本地形信息主要包括坡度、坡向、地表租糙度、地形起伏度、剖面曲率、平面曲率等地形描述因子；復雜地形分析包括可視區域分析、地形特徵提取、水系特徵分析等。地形分析的內容與地形模型緊密相關，不同結構的DEM，其地形信息的提取也不完全相同。

以上內容參考：網路-DEM

⑹ 數字高程模型的建立方法

建立DEM的方法有多種。從數據源及採集方式講有：(1)直接從地面測量,例如用GPS、全站儀 、野外測量等;（2）根據航空或航天影像，通過攝影測量途徑獲取,如立體坐標儀觀測及空三加密 法、解析測圖、數字攝影測量等等;(3)從現有地形圖上採集，如格網讀點法、數字化儀手扶 跟蹤及掃描儀半自動採集然後通過內插生成DEM等方法。DEM內插方法很多,主要有整體內插 、分塊內插和逐點內插三種。整體內插的擬合模型是由研究區內所有采樣點的觀測值建立的。分塊內插是把參考空間分成若干大小相同的塊，對各分塊使用不同的函數。逐點內插是以待插點為中心，定義一個局部函數去擬合周圍的數據點，數據點的范圍隨待插位置的變化而變化，因此又稱移動擬合法。有規則網路結構和不規則三角網(Triangular Irregular Network, 簡稱TIN)兩種演算法。目前常用的演算法是TIN，然後在TIN基礎上通過線性和雙線性內插建DEM。用規則方格網高程數據記錄地表起伏的優缺點 ：優點：（X，Y）位置信息可隱含，無需全部作為原始數據存儲由於是規則網高程數據，以後在數據處理方面比較容易。缺點：數據採集較麻煩，因為網格點不是特徵點，一些微地形可能沒有記錄。TIN結構數據的優點：能以不同層次的解析度來描述地表形態.與格網數據模型相比,TIN模型在某一特定解析度下能用更少的空間和時間更精確地表示更加復雜的表面.特別當地形包含有大量特徵如斷裂線、構造線時，TIN模型能更好地顧及這些特徵。

⑺ 數字地形圖、數字高程模型(DEM)和數字地面模型（DTM)三者的區別是什麼

1. 數字地形圖的歷史形態是模擬地形圖，一般是紙質的。

2. 地形圖上的地貌是用等高線、高程點、陡坎、陡崖等表達的。等高線和高程點,外加陡坎、陡崖及其比高構成了一種「高程模型」。通過對數字高程模型（DEM）的判讀，可以得到對地表高程的總體印象，是對實際地貌的一種模擬.數字地形圖上的等高線和高程點是數字高程模型的一種。不規則三角網、規則格網都可以是數字高程模型，其核心特點是都可以對地表高程信息進行完整的模擬。

3. 數字地面模型（DTM）包括數字高程模型、數字坡度模型、數字坡向模型等。

4. DEM必須是高程信息，是地表的模擬；DSM可以是地物表面的模擬，包括植被表面、房屋的表面，對DSM進行加工，去掉房屋、植被等信息，可以形成DEM。

⑻ 數字高程模型( DEM)

數字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)是通過有限的地形高程數據實現對地形曲面的數字化模擬(即地形表面形態的數字化表示)(焦超衛等，2005)，它是對二維地理空間上具有連續變化特徵地理現象的模型化表達和過程模擬，是一種對空間起伏變化的連續表示方法。由於高程數據常常採用絕對高程(即從大地水準面起算的高度)，DEM也常常稱為DTM(Digital Terrain Model)(湯國安等，2005;徐崇剛等，2005)。

數學意義上的數字高程模型是定義在二維空間上的連續函數H=f(x，y)。由於連續函數的無限性，DEM通常是將有限的采樣點用某種規則連接成一系列的曲面或平面片來逼近原始曲面，因此DEM的數學定義為區域D的采樣點或內插點P_j按某種規則ζ連接成的面片M的集合:

森林景觀格局與生態規劃研究:以長白山地區白河林業局為例

盡管DEM是為了模擬地面起伏而開始發展起來的，但也可以用於模擬其他二維表面的連續高度變化，如氣溫、降水量等。對於一些不具有三維空間連續分布特徵的地理現象，如人口密度等，從宏觀上講，也可以用DEM來表示、分析和計算。