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1、概述；DEM模型分析；DEM辅助模型分析；DEM分辨率对模型分析的影响第1页/共43页（一）（一）地学模型的类型和特点地学模型的类型和特点地学模型的类型和特点地学模型的类型和特点（二）地学模型中引入（二）地学模型中引入（二）地学模型中引入（二）地学模型中引入DEMDEM的必要性的必要性的必要性的必要性（三）基于（三）基于（三）基于（三）基于DEMDEM的地学模型分析方法的地学模型分析方法的地学模型分析方法的地学模型分析方法一、概述一、概述第2页/共43页1 1、地学模型按其建立的方法主要有以下三种类型：q概念模型：又称为逻辑模型，主要指通过观察、总结、提炼而得到的文字描述或逻辑表达式，常由此构
2、成专家系统的知识库；q数学模型：又称为理论模型，是应用数学分析方法建立的数学表达式，反映地理过程本质的物理规律；q统计模型：包括经验模型，是通过数理统计方法和大量观察实验得到的定量模型，具有简单实用的优点。（一）地学模型的类型和特点（一）地学模型的类型和特点第3页/共43页（一）地学模型的类型和特点（一）地学模型的类型和特点2 2、地学模型的独特特点：q空间性；q动态性；q多元性；q综合性；第4页/共43页（二）地学模型中引入（二）地学模型中引入DEM的必要的必要性性新的数据基础；在通过地学模型的构建研究地学问题的过程中，DEMDEM作为一个新的数据基础扮演着重要的角色。它是地球空间框架数据的
3、基本内容，是各种地学信息的载体，在空间数据基础设施的建设和数字地球战略的实施过程中都具有十分重要的作用，同时也是某些地学问题数字化定量研究的基础。新的研究手段；如地形结构层次是地貌学研究中的一个重要信息，过去通常是采用对地形图上高程注记进行统计来研究区域不同高程所占的面积，用各级高程注记出现的频数代替对面积的统计，这种方法效率低下，而且不确定性很大。DEMDEM引入以后，我们可以统计高程值在某一范围内的栅格的个数，从而很容易的求出研究区域内不同高程所占的面积。第5页/共43页（二）地学模型中引入（二）地学模型中引入DEM的必要的必要性性优化模型；DEMDEM的引入可以使某些地学模型得到优化，而
4、且可以基于DEMDEM本身构建模型来对地学问题进行研究。例如在地形描述精度、地形遮蔽度、太阳辐射等问题的模型中，DEMDEM自身就参与了模型的建立而且是这些模型的基础，而且在DEMDEM的基础上很方便快捷的进行各种因子的求取和运算以及进行多层面复合分析。与多学科的结合；DEMDEM在其它领域有着非常广泛的应用，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，DEMDEM是进行水文分析如汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础；在无线通讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等等，在各个方面DEMDEM都能发挥作用并带来方便。第6页/共43页（三）基于（三）基于DEM的地
5、学模型分析方的地学模型分析方法法1 1、以以DEM为主体的模型构建为主体的模型构建主要是指模型的数据源是DEMDEM或者来自于DEMDEM，模型分析的手段以DEMDEM及其派生数据DTMDTM（指由DEMDEM提取的与地形相关的信息）所表达的地形信息特征为逻辑依据，模型的目标是建立与地形、地貌相关的地学模型。这类的地学模型一般是表达连续分布地表现象的空间分布特征。第7页/共43页基于DEM模型分析方法DEM辅助模型分析DEM模型分析以DEM为主体DEM直接建模DEM多信息复合建模DEM直接应用DEM扩展应用DEM应用层次DEM参与程度面面积积高高程程曲曲线线积积分分地地形形遮遮蔽蔽度度DDEE
6、MM地地貌貌分分类类新新方方法法高程的计算高程和位置的计算土土方方量量的的计计算算水水库库库库容容量量洪洪水水淹淹没没气气候候资资源源空空间间推推算算辅辅助助遥遥感感影影像像纠纠正正气气象象水水文文土土壤壤地地貌貌地地质质灾灾害害是否复杂简单简单复杂图1DEM模型分析方法体系第8页/共43页（三）基于（三）基于DEM的地学模型分析方的地学模型分析方法法2 2、DEM的模型分析方法的模型分析方法 指DEMDEM与地学模型相结合的方法，即DEMDEM是如何参与模型的计算、判断、分析以及模拟等过程。（1）基于DEMDEM的直接应用分析；指DEMDEM在此类地学模型中，只是简单的用到其自身的数据特征、
7、高程和位置信息，而DEMDEM本身不需要进行任何复杂的操作与变换，是直接使用的结果。常见的地学模型有气候资源空间推算模型、辅助RSRS影响纠正、土方计算模型、实际库容量的计算模型等。第9页/共43页（三）基于（三）基于DEM的地学模型分析方的地学模型分析方法法（2）基于DEMDEM的扩展应用分析；指DEMDEM经过二次或多次变换后的结果作为数据源，或是作为模型分析的条件参与模型的运算。常用于土壤侵蚀模型；辅助RSRS影像的地物分类；滑坡、雪灾评价；分布式水文模型等。第10页/共43页 DEM模型分析模型分析数字高程模型空间几何关系高程信息特点概念模型数学模型计算机技术数学原理模型实现图2DEM
8、直接建模流程图第11页/共43页(一一)DEM直接建模直接建模指利用DEM的高程信息和其空间位置关系，建立空间几何关系或是地学原理的概念模型，应用数学方法和计算机计算技术，实现模型的运算和结果表达。以地形遮蔽度模型和面积高程曲线积分模型为例介绍 第12页/共43页 地形隐蔽度地形隐蔽度地形遮蔽度模型是一个与光照密切联系的概念，它主要反映由于地形遮挡的作用造成的地表接受光照不均匀的分布情况。模型建立思路是，首先计算测点的自身遮蔽角，然后沿着太阳入射方向，搜索入射路径上的所有格网点，并计算每个格网点与测点之间的高度角（仰角），再与该点的自身遮蔽角组成集合后，求取这个集合中的最大仰角，如果这个仰角大
9、于当前的太阳高度角，则该测点受到遮蔽，否则不被遮蔽。第13页/共43页地形隐蔽度地形隐蔽度地形遮蔽度是用来进行起伏地区日照条件分析的前提。判断A A点是否被B B点遮蔽，主要判断A A与B B之间的仰角是否大于太阳高度角，如果仰角大于太阳高度角则A A点被遮蔽，否则A A点不被遮蔽，即可见。太阳光线AB水平面山体图3地形遮蔽示意图第14页/共43页面积高程曲线积分面积高程曲线积分面积高程曲线积分是反映流域的发育阶段一种地学模型，它反映了地貌流域可被侵蚀的程度；它利用水平断面面积与其高程之间的关系建立模型，具体讲就是表示流域的水平断面面积与高出河口的相对高程之间的关系曲线；绘制高程曲线的方法很简
10、单，在纵坐标轴上划出高程（米），在横坐标轴上表示一定高程的等高线以上的面积（平方公里），这个面积指水平断面的面积；面积高程曲线积分方法分为两方面：流域分析和高程分析。第15页/共43页图4陕北黄土高原地区由北向南不同地貌类型区的面积-高程积分曲线第16页/共43页（二）（二）DEM多信息复合建模多信息复合建模 DEM多信息复合建模是以DEM为数据源并复合其提取的派生数据或是其它数据，共同构建反映地形信息的地学模型。即指以DEM及其派生的数据作为模型构建的主体，建立一种以技术流程为主体的概念模型，或是有一定表达式的数学模型，实现对地形信息和再生信息计算和可视化的目的；这类模型一般以统计分析、聚类
11、分析、叠置分析等方法在多信息数据支持下构建相应的概念模型和数学模型。第17页/共43页数字高程模型数字地面模型多层面复合信息统计信息概念模型数学模型统计模型结果输出可视化显示图5DEM多信息复合建模第18页/共43页 DEM辅助模型分析辅助模型分析DEM辅助模型分析是指DEM作为数据源、数据参量以及分析手段等方式参与模型的建立和实现；在这类模型中，模型的构建不依赖于DEM，但是DEM在模型的实现中不可或缺；根据DEM参与应用模型方式的不同，可分为基于DEM的直接应用分析和扩展应用分析。第19页/共43页（一）（一）DEM直接应用直接应用DEM直接应用于地学模型是指DEM不参与模型的构建，只是简
12、单的参与模型的计算，即DEM不需要做任何形式的变换。此类模型在没有DEM参与的情况下也能应用，但利用DEM后，提高了计算精度和工作效率。DEM应用模型：与高程和位置有关F=f(h)或者F=f(x，y，h)代入可视化显示与分析图6DEM直接应用分析流程第20页/共43页 1 1、以DEM高程为主的计算 图7土方量的计算示意图x原地面zy栅格大小（LLL）D假想标高o图8挖填方计算示意图x挖方zyD设计标高o填方（1 1 1 1）工程土方量）工程土方量 第21页/共43页 1 1、以DEM高程为主的计算 首先建立库区的数字高程模型；其次，利用遥感影像获得水域的面积并实测水位的高度，利用公式就可以获
13、得水库的实际库容量。V=s V=s(H-hi)S=s nS=s nV、S为水库实际库容和水域面积；s为DEM栅格象元面积；H为水库水位高程；h hi i为库域DEM各象元高程值；n为库域DEM象元数。（2 2）水库库容量 第22页/共43页 1 1、以DEM高程为主的计算 可以基于数字高程模型的数据结构，即采用栅格图像模式下特征点网格蔓延算法，计算在一定的降水量或洪水水位下的淹没区范围，并可以将结果三维可视化显示。洪水淹没区涉及的主要问题是洪水水位给定情况下的淹没区范围的确定。洪水水位数据可以通过测报装置获得，也可以是来自水动力水文模型计算、预测的数据。（3 3）洪水淹没分析 第23页/共43
14、页 2 2、基于DEM高程和位置信息的计算 由地面高差引起的影像象点位置的偏移是多山地区RS影像上的主要误差，利用DEM辅助遥感影像的几何纠正，就是为了减弱或消除这样的影响。考虑地面起伏对图像畸变的影响，必须将DEM格网点的X X、Y Y、Z Z坐标用中心投影共线方程变换到影像上去，从而获得正射影像。（1 1）DEM用于遥感影像的几何纠正 第24页/共43页2 2、基于DEM高程和位置信息的计算（2 2）基于DEM的气候资源的空间推算 图9基于DEM模拟气候资源的技术流程图气象因子回归方程数字高程模型（DEM）各因子的分值图总分值图区划结果图计算打分累加分区气象因子的确定年总降水量分布图年平均
15、温度的分布图最低温分布图最高温分布图第25页/共43页（二）（二）DEM扩展应用扩展应用DEMDEM扩展应用是指DEMDEM通过变换，以其提取的地形因子的形式作为模型的数据源，或是模型分析的手段，参与模型的计算和实现。DEMDEM并不参与模型的构建，只是为模型的实现提供各种条件和分析手段，也可称其为DEMDEM二级应用。DEM剖面分析地形因子提取分级统计地学模型可视化表达多层面叠置分析图10DEM扩展应用分析流程第26页/共43页 1 1、气候、气候 在气候资源模型的计算中引入在气候资源模型的计算中引入DEM，不仅可以提高计，不仅可以提高计算速度、增加模拟的精确性，而且还可对模型起到优算速度、
16、增加模拟的精确性，而且还可对模型起到优化的作用，如化的作用，如地形调节的气温模型地形调节的气温模型。在地形调节的气温模型中，在地形调节的气温模型中，DEM将参与气候模型的构将参与气候模型的构建，即以建，即以DEM所具有的地形信息（坡度、坡向）对传所具有的地形信息（坡度、坡向）对传统的气候空间分布模型进行修正，从而提高了模拟精统的气候空间分布模型进行修正，从而提高了模拟精度。度。第27页/共43页 2 2、土壤、土壤暴雨数据土壤数据土地利用数据DEM确定R值的计算方法确定K值的计算方法确定各类型的C值计算坡长和坡度由离散点栅格化计算年平均土壤侵蚀量数字化矢量.栅格数据转换计算P值土壤侵蚀量的分级
17、和输出图11土壤侵蚀数据处理流程图第28页/共43页 3 3、地质灾害、地质灾害TM数据数字化地图降雨统计数据判读等高线抽出、表面拟合航片现有图面资料等判读植被指数坡度、坡向海拔、坡型降雨分布图土壤图、地质图滑坡分布图滑坡及其影响因子空间分布图图形叠加运算及数量化方法滑坡及其影响因子空间关系DEM图12滑坡模型研究流程图第29页/共43页 4 4、地貌、地貌干涉合成孔径雷达系统阴影地貌图5M栅格分辨率DEM坡度图识别断层崖剖面图崖高Midsectionslopeangle图13基于DEM的断层崖识别流程图第30页/共43页 5 5、水文、水文DEM植被土壤辐射气温降水模型分布式输入模块蒸散发冠
18、层截留模型地表水模型土壤水模型地下水模型网格单元模型河流水模型 模拟的河川径流网格单元模型图14 14 基于DEMDEM的流域分布式水文模型结构框图第31页/共43页DEM分辨率对模型分析的影响分辨率对模型分析的影响 DEMDEM分辨率对所提取信息精度的影响，是DEMDEM不确定性研究的核心内容之一；从理论上讲，DEMDEM分辨率越高，意味着地面布设较多的高程采样点，地形模拟的精度就越高；然而，DEMDEM的数据量随分辨率的增加而呈几何级数增加，选择满足应用精度要求又充分顾及计算机容量与处理能力的最佳DEMDEM分辨率，无疑是科学家一直追求的目标。第32页/共43页（一）（一）DEM提取的地形
19、因子的不确定提取的地形因子的不确定性性 图15DEM所提取的地面坡度随着DEM分辨率的变化而变化的特征5m35m15m25m45m55m坡坡度度0 0.5.55 5.10.101010.15.151515.20.202020.25.252525.30.303030.35.353535.40.404040.90.90第33页/共43页（一）（一）DEM提取的地形因子的不确定提取的地形因子的不确定性性实测与DEM计算所得地面坡度误差黄土塬黄土残塬黄土低丘黄土梁状丘陵黄土粱峁丘陵黄土丘陵沟壑坡度实地采样点数113170249243456597坡度中误差（度）1m分辨率0.0790.1970.1880
20、.2640.7930.7562.5m分 辨率0.0840.2050.1900.3910.9151.3735m分辨率0.1930.3240.3190.6981.0031.78312.5m分辨率0.6482.7933.4053.8024.8876.94125m分辨率1.9734.8665.1586.9617.40911.001 表1 1 不同分辨率DEMDEM提取地面坡度中误差实测结果统计 第34页/共43页（一）（一）DEM提取的地形因子的不确定提取的地形因子的不确定性性图10.36 DEM所提取的黄土高原地面坡度随分辨率降低而变化的回归模型图16DEM所提取的黄土高原地面坡度随分辨率降低而变化
21、的回归模型 第35页/共43页（二）（二）DEM分辨率对地学模型的影响分辨率对地学模型的影响以径流对DEMDEM分辨率的敏感性分析为例进行说明。基于DEMDEM建立径流模型时，选取不同分辨率的DEMDEM，提取的流域面积、河网结构、高程等空间参数相差较小，但是坡度相关的变化较大，不同分辨率的DEMDEM对流域径流量也有很大影响。第36页/共43页（二）（二）DEM分辨率对地学模型的影响分辨率对地学模型的影响项目实测值mm模 拟 值(1)mm模 拟 值(2)mmRE1/%(1)RE2/%(2)19921591631112.5230.19199369603710.1446.381994117916
22、913.6841.0319952840232517.86199616513510812.1234.55199723301730.4326.0919981941811616.727.01199929422110.3427.592000951068511.5810.53均值98947013.6127.91 表2 2 基于不同DEMDEM模拟的年径流量 第37页/共43页（二）（二）DEM分辨率对地学模型的影响分辨率对地学模型的影响年份图17 17 基于不同DEMDEM的年径流量对比径流量(mm)第38页/共43页（三）如何确定适宜的（三）如何确定适宜的DEM分辨分辨率率一般与研究的目的密切相关；如
23、果是宏观大范围的研究，一般可以选用小比例尺度的DEMDEM，即DEMDEM的栅格分辨率较低；如果是精细的小范围的研究，当然要选择高分辨率的DEMDEM。还与DEMDEM在地学模型中的作用有关；如果是作为模型计算的判断条件，如DEMDEM辅助遥感影像分类，DEMDEM分辨率的差异对模型的计算结果影响不大；如果是利用DEMDEM提取的地形信息作为基础数据层面参与模型的计算，则必须重视分辨率对结果的影响 第39页/共43页（三）如何确定适宜的（三）如何确定适宜的DEM分辨分辨率率确定适宜的DEMDEM分辨率的合理方法DEM分辨率与目标数据之间的直接关系；指如果能建立DEMDEM分辨率与目标数据之间的
24、量化关系，则可以根据误差限定的范围，直接反求出DEMDEM合适的分辨率。利用模型输出结果的差异性确定DEM分辨率 ；指较困难建立或不可能建立DEM分辨率与模型输出结果之间的量化关系时，通过对比不同分辨率DEM模型计算的结果的差异性，直到差异大小符合要求为止，这时的DEM分辨率即可认为是适宜的。第40页/共43页没有任何一个模型是通用的，即使是物理过程模拟也具有区域性，所以在建立和修正模型时，要注意模型的适用范围和模型的可塑性，建立参数和研究区域之间的定量的关系，使参数的获得更容易、更准确，同时，在采用模型时，不要生搬硬套，要因地制宜，灵活选用。结语结语第41页/共43页思考题思考题 1、说明基于DEM的地学模型分析的方法有哪些？2、分别说明DEM直接建模与DEM多信息复合建模的方法特点与差异 3、DEM是如何辅助进行地学模型分析的。4、如何确定适宜的DEM分辨率？5、说明GIS技术的出现，对传统地学建模与地学模型的分析方法带来什么变化。第42页/共43页感谢您的观看。第43页/共43页