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'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn不同分辨率DEM与坡度关系分析**康世伦，郑新奇（中国地质大学（北京）信息工程学院，北京，100083）5摘要：数字高程模型是地学研究分析中基础型数据，在GIS研究中，其他地形信息如坡度等须以DEM为基础进行提取，其数据分辨率的变化会对提取结果产生较大影响。坡度是地学研究中重要的研究参数，本文以凉水实验林场为研究区域，用2009年等高线数据建立多种分辨率DEM，在此之上提取出的坡度数据，进行对比分析，研究坡度与DEM分辨率的变化关系，10为实际应用中DEM分辨率的选择提供依据。主要研究内容和成果如下：（1）等高线建立的不同分辨率DEM的质量分析。DEM对于山地地形地貌特征能够得到比较真实的展现，在实验的精度要求之内，不同分辨率DEM提取的等高线数据与原始数据基本重合，弯曲程度相差在容许范围内，对于突出的山地特征的表现基本一致。（2）坡度与DEM分辨率的变化关系分析。DEM分辨率的降低时，坡度数据随之降低，缓坡15面积增大，陡坡面积减小，损失的地形信息增多。关键词：地图制图学与地理信息工程；数字高程模型；分辨率；坡度；对比分析AnalysisontherelationshipbetweenslopeandtheresolutionratioofDEM20KANGShilun,ZHENGXinqi(SchoolofInformationEngineering,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing,100083)Abstract:DEMisthefoundationtostudygeography.InGISresearch,otherterraindatalikeslopeshallbebasedonDEM,sotheprecisionofDEMwillaffectthesubsequentresearchsignificantly.Slopeistheimportantparameterintheinvestigation.ThispaperchoseLiangshuiExperimental25ForestFarmasthestudyarea,basedonthecontourdataof2009togetDEMandslope,throughcomparativeanalysistostudytherelationshipbetweenthem.SowecanknowmoreaboutDEMandslope,andgiveadviceforapplication.Themainresearchcontentsandresultsareasfollows:(1)ThequalityanalysisofDEM:forthesamearea,DEMbuildbyArcGIScanshowreal.Forthemountainfeatures,suchasridge,valley,valleyline,dividingline,assemblylinearebasically30thesame.(2)TherelationshipbetweenDEMandslope:whentheresolutionratioofDEMdecreases,slopedecreases,gentleslopedeceasesandsteepsloperises,thelossofterraininformationincreased.Underthe75m,averageslopeandDEMchangesapproximationshowalinercorrelation;exceedthat,theyshowlogarithmicfunctionrelation.35Keywords:CartographyandgeographicInformationengineering;Digitalelevationmodel;resolutionratio;slope;comparativeanalysisDEM(DigitalElevationModel)即数字高程模型，它采用有序数组阵列的形式表示地面高40程数据，是地理信息科学研究中的基础数据类型。在GIS研究中，以DEM为基础提取其它地形信息如坡度，坡向，剖面曲率等的技术已经得到越来越广泛的应用。坡度是地学研究中除高程外最重要，最活跃的地形参数，同时也是其它相关地理学应用分析模型中最主要的输[1]入参数，作为基础性数据，坡度数据的质量对于模型的成败及之后的应用具有举足轻重的作用。因此研究DEM分辨率对于坡度的影响就成为备受学术界中重视的前沿性课题。45本文研究的目的是探究DEM分辨率与坡度的关系，研究在一定地形下DEM分辨率的改变对于坡度生成的影响，以2009年哈尔滨凉水实验林场为研究区域，力图通过建立多种分辨率的DEM，并在此基础之上派生出的坡度数据，对坡度数据进行地统计学分析，比较作者简介：康世伦（1995-），女，硕士研究生，主要研究方向是地理信息系统及应用通信联系人：郑新奇(1963-)，教授，博士，博士生导师。主要研究领域是地理信息科学与技术，集约用地理论、方法与技术，空间数据挖掘，复杂系统仿真，土地评价与规划等.E-mail:zxqsd@126.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn平均坡度，最大坡度和标准差随DEM分辨率的变化规律，对坡度根据山地坡度分类标准进行分类，计算各种坡度的面积，对其进行对比分析，研究坡度随分辨率变化的变化量，变化50的趋势以及与之相关的地学研究其他重要参数的变化，加深对于DEM分辨率的尺度效应，坡度的衰减效应的理解，为实际应用中DEM分辨率的选择和坡度生成等参数设置提供一定依据，提高研究的精准度。1研究基础与方法1.1研究区域概况55凉水实验林场位于黑龙江省伊春市，地理位置为北纬47°6′49″~47°16′10″,东经128°47′8″~128°57′19″。林场全境为山地，总面积6394m，主干河流为凉水河，由北向南贯流全境，在林场西南角方向汇入永翠河，支流有常年流水和季节性流水的两类，其中常年流水的有向阳沟、击风沟、长春沟等。林场主山脉走向为南北方向，北部山脉中最高的是岭来东山，山体最高处可达707.3m，并从南到北逐渐升高，山脉最低处位于西南端，靠近永翠河的北60岸，最低为280m，林场平均海拔为400m左右。属于东北林业大学林业教学、科研的实验区。地理分布图如图1-1所示。图1-1凉水实验林场Fig.1-1Liangshuiexperimentalforest651.2数据来源实验所用数据为凉水实验林场2009年数字地形图，基础数据包括等高线数据和边界数据，如图1-2所示。70图1-2凉水地区等高线示意图Figure1-2SchematicdiagramofcontoursintheLiangshuiarea出于保证DEM精度的目的，需对基础据进行检查和修正，如检查等高线，修正边界偏差等。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn751.3技术路线本研究以2009年凉水实验林场的等高线数据为基础，利用ArcGIS软件生成不同分辨率的DEM并分别进行坡度提取，之后运用统计分析方法进行分析，以平均坡度，最大坡度和分类坡度面积为指标进行对比分析，比较不同DEM分辨率与所提取坡度的关系，技术路线如下图1-3所示。80图1-3研究技术路线Figure1-3Studythetechnicalroute1.4关键技术简述851.4.1DEM简述DEM即数字高程模型，是在区域范围内以数字形式量化表示地面高程数据的地学研究方法，是对于高程的离散化表示。DEM作为一种高程模型，在计算机中通常表示为高程矩阵，由规则格网单元构成，广义上的DEM还可用于泛指所有用数字形式表示地面高程的方法，如等高线，三角网法等。根据表示形式的不同，在科学研究中采用的最主要的表示DEM[2]90的几种模型是：规则格网模型，等高线模型，不规则三角网模型和层次模型。基于DEM[3,4,5]的地形属性的不确定性研究主要来自于：DEM误差，DEM的结构特征（如DEM分辨[6-11][12][13][12,13,14]率，DEM格网方向，DEM数据准确度等），地形属性算法。1.4.2尺度效应尺度是地学研究中的最显著特征之一，地学中对于地形表面的研究中，将连续变化的地95理现象割裂为离散的数据点进行采集分析，所以数据点的尺度效应对于地学现象的模拟演变有显著影响。尺度效应是指由尺度引起的研究对象在表达和分析上的变化。DEM作为一种离散化表达地表现象的方式，必然会在应用中受到各种尺度上的约束。如利用DEM提取的地形因子特征值受栅格尺寸的影响较大，特别是坡度的影响尤为明显。DEM分辨率较高时所得的坡度值比DEM分辨率较低得到的坡度值大。从较低分辨率中计算到的坡度值比从高[15]100分辨率中计算出的坡度值小。对于低分辨率DEM，其对基于高程值和流域长度的特征值[16]的估算更加精确，但对基于坡度的特征值就较低。1.4.3坡度的衰减效应[14]在研究中学者们注意到，随着DEM分辨率的降低，会发生坡度衰减现象，基于此之上提取的地貌和水文数据不能有效的表现地形的起伏，不能够为研究区域的土壤侵蚀和水文-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn105提供精度稳定，符合研究与应用要求的数据支持。基于此研究DEM分辨率对于坡度的影响状况和变化规律，坡度衰减效应对于地学研究的影响将大大减少，DEM在地学应用中能够得到更精准的指导。2建立不同分辨率DEM1102.1使用ArcGIS建立DEM使用等高线数据建立DEM需要先用等高线数据创建TIN，再用所生成的TIN建立DEM。其中分辨率在tin转栅格的cellsize中设置（即将插值得到的Grid格式数据的栅格尺寸作为DEM的分辨率），本实验分别设置为5m，10m，50m，75m，150m，200m。实验生成DEM如图2-1所示。115图2-1不同分辨率DEMFigure2-1DifferentresolutionDEM2.2DEM质量评价DEM的精度会影响DEM的使用价值。DEM的质量评价包括两方面：平面精度和高程120精度。因为平面精度在实际使用中较易控制，所以一般的研究中将高程精度作为重点。本实验采用等高线套合法进行质量评价。分别用5m，10m，50m，75m，150m，200m的DEM提取的等高线与原始数据进行叠加显示，对比情况如图2-2所示。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图2-2不同分辨率DEM提取的等高线与原等高线对比示意图125Figure2-2ContrastingcontourlinesextractedbyDEMwithdifferentresolution总体看来，不同分辨率DEM提取的等高线数据与原始数据基本重合，弯曲程度相差在容许范围内，符合实验的精度要求，对于突出的山地特征，如山脊，山谷，沟谷线，分水线，流水线的表现基本一致，因此数据可用。1303坡度提取与对比分析3.1坡度提取基于上文提取出的不同分辨率DEM数据，利用ArcGIS软件的表面分析功能提取出相应的坡度。得到的坡度表面如图3-1所示。135-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图3-1不同分辨率提取的坡度示意图140Figure3-1Sketchmapforgradientextractionwithdifferentresolutions从坡度图中可以看到，随着DEM分辨率的降低，坡度变化趋向平缓，地形起伏程度变小。在此基础上提取平均坡度，最大坡度和标准差，平均坡度从7.12°到10.65°，最大坡度从89.09°降到58.90°，标准差从6.05到13.87，坡度变化图如图3-2，3-3，3-4所示。145图3-2平均坡度与DEM分辨率Figure3-2AverageslopeandDEMresolution-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图3-3最大坡度与DEM分辨率Figure3-3MaximumslopeandDEMresolution150图3-4标准差与DEM分辨率Figure3-4StandardDeviationandDEMResolution根据山地坡度分类标准：平坡（0°-5°），缓坡（5°-15°），斜坡（15°-25°），陡坡（25°-35°），急坡（35°-45°），险坡（45°以上），对坡度进行分类，并统计不155同分辨率下各种坡度的面积，统计结果如图3-5所示。图3-5不同DEM下坡度分类结果面积汇总表Figure3-5AreasummarytablefortheclassificationofslopeunderdifferentDEM由上表可得，随着DEM分辨率的降低，平坡面积逐渐增大，其他坡度面积缓慢减少，160变化明显，对于实际应用中的精度要求来说，这样的差异无疑是影响显著的，会对后续地学研究和模拟建模分析产生严重偏差。对比地形特征线的变化，沟沿线的坡度衰减效应表现的最为明显，坡度下降速率最快，其次是分水线，下降最为缓慢的是流水线流域。其他地形区域的坡度变化不明显，与已有地-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn形图比较，对于地形的还原度较高，误差在实验允许范围之内。165在地形信息的所示程度方面，随着DEM分辨率的降低，损失的地形信息呈现增多趋势，下降越快，损失越多，尤其对于地形起伏较大区域，变化更为明显。3.2对比分析对于上述表格进行研究可以看到，随着DEM分辨率的降低，平均坡度和最大坡度数据都在不同程度的降低，其中最大坡度的变化更为明显。在DEM分辨率没有超过75m时（本170实验中为5m，10m，50m，75m），平均坡度和DEM分辨率近似呈现线性相关关系，超过75m时，（本实验中为150m，200m），坡度的下降速率超过DEM分辨率的下降速率，趋[16]向对数函数关系。75mDEM分辨率内的实验结果与汤国安的结论基本一致。4结论本实验以东北林业大学凉水实验林场作为研究区域，2009年的等高线数据作为原始数175据，利用ArcGIS软件进行DEM建立，坡度提取和对比分析等数据处理操作，将处理结果以图表形式呈现，分析对比后得到如下结论：1）随着DEM分辨率的降低，平均坡度和最大坡度数据都在不同程度的降低，最大坡度的变化更为明显。平均坡度从7.12°到10.65°，最大坡度从89.08°降到58.90°，标准差从6.05到13.87。地形损失信息也呈现增多趋势。在实际地学研究和实际应用中，应该对180此给予充分重视，根据精度要求选择合适的DEM分辨率，以免失真现象严重，影响研究结果。2）在DEM分辨率没有超过75m时，平均坡度和DEM分辨率变化近似呈现线性相关关系，超过75m时，，坡度的下降速率超过DEM分辨率的下降速率，趋向对数函数关系。3）在地形特征线的变化方面，随着DEM分辨率的降低，沟沿线的坡度衰减效应表现185的最为明显，坡度下降速率最快，其次是分水线，下降最为缓慢的是流水线流域。4）在DEM的建立方面，利用ArcGIS建立的DEM，对于山地地形地貌特征能够得到真实的表现，采用等高线套合法进行质量评价时，不同分辨率DEM提取的等高线数据与原始数据基本重合，弯曲程度相差在容许范围内，符合实验的精度要求，对于突出的山地特征，如山脊，山谷，沟谷线，分水线，流水线的表现基本一致。190[参考文献](References)[1]刘学军.DEM结构特征对坡度坡向的影响分析[J].地理与地理信息科学,2004,16(2):22-26.[2]BUTLERC.DerivedfromDigitalElevationModels[J].EarthSurfaceProcessesandLandforms,1999,24(3):557-562.[3]邬伦.地理信息系统：原理、方法和应用[M].北京：科学出版社,2001:52-60.195[4]TANGGA.Aresearchontheaccuracyofdigitalelevationmodels[M].Beijing:SciencePress,2000.[5]FLORINSKYIV.Accuracyoflocaltopographicvariablesderivedfromdigitalelevationmodels[J].INT.J.GeographicalInformationScience,1998,12(1):47-61.[6]吴险峰,刘昌明,王中根.栅格DEM的水平分辨率对流域特征的影响分析[J].自然资源学报,2003,18(2):148-154.200[7]THOMPSONJA,BELLJC,BUTLERCA.Digitalelevationmodelreso-lution:effectsonterrainattributecalculationandquantitativesoil-land-scapemodeling[J].Geoderma,2001(100):67-89.[8]ARMSTRONGRA,MARTZLW.Topographicparameterizationincon-tinentalhydrology:astudyinscale[J].HydrologicalProcesses,2003(17):3763-3781.[9]CHANGK,TSAIB.TheeffectofDEMresolutiononslopeandaspect205mapping[J].CartographyandGeographicInformationSystems,1991(18):69-77.[10]GARBRECHTJ,MARTZLW.Gridsizedependencyofparametersfromdigitalelevationmodels[J].ComputerandGeosciences,1994,20(1):85-87.[11]FLORINSKYIV,KURYAKOVAGA.Determinationofgridsizefordigitalterrainmodelinginlandscapeinvestigationsexemplifiedbysoilmoisturedistributionatamircoscale[J].INT.J.GeographicalInformation210Science,2000,14(8):815-832.[12]JONESKH.AcomparisonofalgorithmsusedtocomputehillslopeasapropertyoftheDEM[J].ComputerandGeosciences,1998,24(4):315-323.[13]CARTERJ.TheeffectofdataprecisiononthecalculationofslopeandaspectusinggriddedDEMs[J].Cartographic,1992,29(1):22-34.215[14]李志林,朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉大学出版社,2003.-8- 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