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1、数字高程模型DEM,表面分析,DEM基本地形因子的计算方法流域水文分析地形指数地形分类,第一节、DEM基本地形因子计算,地形分析分类,基本地形因子计算,复杂地形分析,地形分析,坡度计算,。,地形水文分析,地形特征提取,可视性分析,坡向计算,。,粗糙度计算,可从DEM数据中通过地形分析方法得到的一些主要地形属性（据I.D.MOORE 等）,1、高程分级(矢量化、概化),高程影响地表物质和能量的分布；等间距或不等间距划分为若干高程等级，如用来区分丘陵、低山、中山、高山等，划分地貌类型。,ArcGIS命令,LATTICEPOLY lookup_table z_factor转换栅格中的坡度、坡向、高程
2、范围和边界成多边形SLOPE 根据查找表中的坡度等级生成多边形；ASPECT 根据查找表中的坡向等级生成多边形；RANGE 根据查找表中的高程等级生成多边形；NODATA 根据栅格单元是否有值或空值来生成多边形；BOX 生成最小矩形区域包含输入格网中的所有栅格EXTENT 按栅格的extent生成单个矩形框；,查找表,lookup_table 包含分类范围和相关输出多边形代码lookup item-PERCENT_SLOPE,DEGREE_SLOPE,ASPECT or RANGE作为lookup_table的索引字段.类型可以为I,B,F,N例如PERCENT_SLOPESLOPE-CODE
3、Data ranges31 0.0 slope=352 3 slope=5103 5 slope=10254 10 slope=25405 25 slope=40606 40 slope=60807 60 slope=80,2、平均高程,式中n的计算单元内栅格个数；h（Pk）为第k点的高程。ArcGISArcMpa下中查数据源，Catelog下查元数据ArcGISworkstation使用Describe查找分区平均值使用ZonalMean()获取,3、极值高程和高差,通过查原数据获得,4、区域相对高程,设参考高程为hm，则各栅格点上相对高程为：k=1，NArcGIS下使用newdemdem-
4、heght命令，其中Height可以为常量,Zonalmean、zonalmax、zonalmin、zongnalrange相对高差：相对于什么？,5、局部相对高差,格点面元是在格网DEM 的水平投影面上，以四个相邻格点(i,j),(i,j+1),(i+1,j+1),(i+1,j)为顶点的面积范围；格点面元的相对高差指在格点面元的四个格点中，最高点与最低点之差，按下式求算：,h=MAX(h00,h01,h02,h03)MIN(h00,h01,h02,h03),式中hij=(i,j=0,1)为四个格点的高程;ArcGIS-Grid的实现方法？Focalmax-Focalmin,6、剖面（Prof
5、ile）,用于检查和量测沿某条线的高度变化SURFACEPROFILE profile_info_table sample_distance,空间数据模型,ArcMap下剖面图生成,在ArcMap中添加数据，然后在3D Analyst工具条上选择该数据（图9.35）；使用Interpolate line工具创建线，以确定剖面线的起终点（图9.36）；使用Profile Graph工具生成剖面图（图9.37）；在生成的剖面图标题栏上点击右键，选择属性（Properties）项，进行布局调整与编辑（图9.38）；,计算曲面沿线长度,SURFACELENGTH z_factor sample_dis
6、tance surface_length_item计算沿弧段的曲面长度,空间数据模型,ArcGIS下表面长度计算,选择输入表面（input surface)，其值将用以进行插值生成三维线段）；选择包含二维线段的输入要素（Input Feature Class）;指定添加到要素属性表称，默认为SLength（可选项）；设定采样间距（Sampling Distance）在表面上计算长度的步距，当输入表面为TIN时，如前所述，默认采样间距以TIN表面上三角形边及结点与线段的交点自然分割；如为栅格表面，默认间距为栅格尺寸大小。此项亦为可选项。设置Z值转换系数，用于当平面单位与Z值单位不同时进行转换（可
7、选）,剖面积计算,根据某穿越地形表面的线路，求该线路垂直剖面积；具体计算时先求得该线路与DEM 格网边的所有交点Pi(Xi,Yi,Zi)，再按下面公式计算得到:,n 为交点数;Di,i+1 为Pi 与Pi+1 间距离。,7、坡度和坡向,坡度和坡向是表示地表面在地面某一点处的倾斜程度和倾斜方位的一个量；它是一个矢量，既有大小又有方向。某个点的坡度是其数值等于地表曲面在该点的切平面与水平面夹角，某个点的坡向是指该切平面上沿最大倾斜方向矢量在水平面上的投影的方位角；,坡度的表示,输出的坡度网格单位为度或百分数。,注意:坡度表示为0-90，0为代表水平面的情况，当坡度为90百分数为无贫大,坡度坡向的计
8、算,拟合曲面法坡度的计算方法有很多，经证明，拟合曲面法是解求坡度的最佳方法；,一般采用二次曲面，使用一个3*3 窗口，每个窗口单元的中心有一高程点，,坡度坡向的计算公式,坡度坡向的计算公式,例子,(dz/dx)=(a+2d+g)-(c+2f+i)/(8*x_mesh_spacing)(dz/dy)=(a+2b+c)-(g+2h+i)/(8*y_mesh_spacing)rise_run=SQRT(SQR(dz/dx)+SQR(dz/dy)degree_slope=ATAN(rise_run)*57.29578,ESRI,ArcGIS中的SLOPE函数,SLOPE(,DEGREE|PERCENT
9、RISE),ArcGIS中的Aspect函数,ESRI,ASPECT(),注意坡向的规定,空间数据模型,ArcMap下坡度的计算步骤,选择用来生成坡度图的TIN表面；选择坡度单位（度/Degree或百分数/Percent）；设定高程转换系数（当输入数据所定义的空间参考具有高程单位时，自动进行转换计算）；指定输出图的栅格单元大小；,空间数据模型,ArcMap下坡向的计算步骤,（1）选择输入表面数据（Input surface）：（2）指定输出栅格单元大小；,8、Curvature地表曲率,profile curvature：坡度方向的曲率，区别凸坡和凹坡，剖面曲率影响水流的加速和减速，从而影响侵
10、蚀和沉积过程。Plan curvature：表示等高线方向的曲率，影响水流的聚集和分散（Converging/diverging flow）,剖面曲率的算法原理,待算格点面元的四个格点中，最高点与其对角点的连线称为格点主轴，主轴两端点高程的平均值与格点面元平均高程的比，称为格点面元凹凸系数（CD）：,式中hmax 为最高格点高程，hmax 为最高格点的对角格点高程，h 为格点面元高程的平均值，当CD 为正时，格点面元的实际表面为凸形坡，为负时为凹形坡；,ArcGIS计算方法,CURVATURE(,out_profile_curve,out_plan_curve,out_slope,out_as
11、pect)正的曲率值表示凸坡，负值表示凹坡，0表示平地,9、表面积计算,即求算格网表面的面积对于格网分解为两个三角形，然后求三角形的表面积，整个DEM的表面积为所有格网单元面积之和；对于TIN 则直接求三角形面积；求三角形面积使用每点的(x,y,z)值;,表面积计算公式,具体的计算公式为:,式中，Di 表示第i 对三角形两顶点间的曲面距离，S 表示三角形的表面积，P 表面三角形的周长的一半,10、投影面积计算,投影面积指的是任意多边形在水平面上投影的面积，可直接采用海伦公式进行计算，一种简单的方法是根据梯形法则，如一个多边形由顺序排列的N 个点(xi,yi,i=1,N)组成，并且第N 点与第1
12、 点相同，则水平投影面积计算公式如下，如果多边形顶点按顺时针方向排列，则计算的面积值为负，否则为正。,11、地表粗糙度,反映某一面积单元内地势伏变化的复杂程度格点面元的粗糙度（roughness）指格点面元所对应的DEM 上表面积与其水平投影面积之比,记为CZ:CZ=S 表面积/S 投影面积当CZ=1 时,粗糙度最小，格点面元的实际表面即为水平面;,12、体积计算,DEM 的体积可由四棱柱和三棱柱的体积进行累加得到，四棱柱上表面可用抛物双曲面拟合，三棱柱上表面可用斜平面拟合，下表面均为水平面或参考平面，计算公式分别为:,其中S3 与S4 分别是三棱柱与四棱柱的底面积,体积计算的ARCGIS命令
13、,VOLUMEbase-valueout-info-filez-factor输出结果：NAMEWIDTHOUTPUTTYPEN.DECTIN3232C-ZMIN412F3ZMAX412F3DATUM412F3AREA818F5 planimetric平面面积VOLUME818F5UNITS3232C-ZUNITS3232C-ZFACTOR412F3,空间数据模型,ArcMap下的步骤,选择输入表面（Input Surface）；设定参考平面的高程值；选择计算参考平面之上的体积还是之下的体积；设置高程转换系数，将高程坐标单位转换为平面坐标单位（可选）；根据需要，可选择Save/append st
14、atistics to text file 复选框，将计算结果保存到指定名称的文本文件中；进行运算（点击Calsulate statistics按钮），结果将显示在按钮之下，同时写入上步所指定的文本文件中。如有需要，可重新设置参数，然后重新计算。,14、挖方填方计算,通过对两个输入曲面进行对比，计算出挖方区域和填方区域CUTFILL z-factor,计算流程,15、山体阴影,HILLSHADE azimuth altitude ALL|SHADE|SHADOW z_factorAzimuth：太阳方位角Altitude：太阳高度角 SHADE 仅考虑 local illumination a
15、ngles;不考虑遮盖的影响。输出范围在0 and 255,0 表示黑，255表示亮.SHADOW 输出为0表示遮盖区，1表示非遮盖区,Shade选项,Shadow选项,空间数据模型,ArcMap下的操作,选择用来计算阴影的表面（input Surface）；设置太阳高度角和方位角设定高程转换系数；指定输出栅格单元大小 指定输出路径及文件名。,地表辐照度,计算辐照度需考虑日照条件（太阳赤纬、高度角、时角及大气状况）与坡面几何条件的相互关系。辐照度由下式决定：式中，大气透过率，与太阳高度和大气状况有关；Sc为太阳常数；Sa为太阳高度角，可由球面三角公式求出；t是时角；a、b为坡面方程系数；为坡度
16、。,空间数据模型,ArcGIS下的计算,16、生成等高线,TINCONTOURLATTICECONTOUR,17、视见分析,ARC/INFO中提供3种方法做视见分析：ARC中的VISIBILITYARCPLOT中的SURFACEVIEWSHEDARCPLOT中的SURFACEDRAPE,1）、VISIBILITY,ARC：VISIBILITY POLY|GRID FREQUENCY|OBSERVERS-输入栅格，做视见分析-输入的图层，为点或线，定义观测点.POINT-中的点定义观测位置LINE-线中的节点和拐点定义观测位置 POLY 输出结果为多边形 GRID 输出结果为栅格，每个栅格记录了
17、被观测的次数(FREQUENCY option),或者对应的观测点编码(OBSERVERS option).,视见分析的结果,2）、SURFACEVIEWSHED,SURFACEVIEWSHED 在定义的视见分析环境下，该命令高亮显示可视范围 SURFACEVIEWSHED 使用以下命令视见分析环境:SURFACEOBSERVER 设置观测点位置SURFACETARGET 设置目标点位置SURFACEEXTENT 设置分析的范围SURFACEVIEWFIELD 设置观测场（方位）（可选AUTO）SURFACERANGE 设置从观测点到曲面的距离限制SURFACERESOLUTION 设置临时结
18、果栅格的分辨率,3）、SURFACEDRAPE,SURFACEDRAPE MESH FISHNET|DIAGONAL|ALONGX|ALONGY distance lookup_table|linesymbol_grid item SURFACEDRAPE LOCATOR distance*SURFACEDRAPE XYZ z_valueSURFACEDRAPE 通过将对象叠置在曲面上，生成一个曲面视见范围，对象可以为线网孔、点或图形文件 MESH.叠置网孔线.LOCATOR.用于交互定位网孔线 XYZ.叠置点GRAPHICSFILE.叠置图形distance 网孔线之间的距离 在执行SURF
19、ACEDRAPE 前，必须使用SURFACE 命令设置当前处理的曲面，并且建立视见分析环境，然后再使用SURFACEDRAPE或SURFACEVIEWSHED命令,空间数据模型,ArcMap下的操作,选择计算表面（Input Surface）；设定观察点（选择用做观测点的要素图层）；设定高程变换系数；指定输出栅格单元大小；,第二节、地表水再分配分析,利用数字地形模型作为输入，通过确定栅格任意点上坡区域的贡献和下坡区的水流方向，勾画出水系并且对其相关特征定量化。利用DEM生成的流域和水系，是大多数水文分析的数据源，可用于决定洪水淹没范围分析，进行流域渗透水文的模拟研究。,1、地表水再分配的基本过
20、程,水系和流域的概念水系连接的类型径流过程洼地和峰的问题,1）、水系和流域的概念,水系（drainage system）为水在地表流动并且流向出口的网络。流域（drainage basin,watershed,basin,catchment,）是地表水和其他物质流向统一出口点(outlet,pour point)的区域。出口点为流域边界的最低点。两个流域的边界被定义为分水岭（drainage）,2）、水系连接的类型,水系可以理解为树，出口点为树根，树干为河沟，河沟的交点被称为节点或交点（node or junction.）。连接两个内流的节点，或连接节点和出口点的河沟叫做内流连接（interi
21、or links.）。外连接（Exterior links）定义为树最外面的分支。,3）、径流过程,水流的方向取决于每个点的坡向；水流的能量取决于地表坡度，陡的坡度产生大的能量，可以输送更多和更大的固体物质，并具有较大的侵蚀潜力；水平曲率用于区别斜坡是山脊或山沟，山脊和山沟分别导致水流的聚集和分散；,4）、洼地（sinks）和 峰（peaks）,DEMS中的错误通常划分为洼地（sinks）和 峰（peaks）。洼地（sinks）是比较高的邻域所包围的区域，洼地可以是自然形成的。峰（peaks）是被比较低的邻域所包围的地区，通常是自然地貌。洼地的数量在低分辨率时较多。另外当珊格的数据格式采用整形
22、时，在低高差的地区洼地数量也会增多。当计算流向时，洼地会产生不合适的结果，在提取流向时剔除。DEM可能包含明显的水平条带，这来源于生成dem时的系统取样误差，这在平坦地表的整形珊格中非常明显。,2、流域河网、流域边界提取算法,基于栅格的地形分析技术在水文学中的应用，一般采用了OCallaghan和Mark的坡面流模拟方法，Jense和Domingue（1988）、Martz和De Jong（1988）、Garbrecht（1997）在此基础上做了改进，这种算法一般称之为D8（Deterministic eight-neighbours）算法；,D8算法示例,D8 模型,高程格网示例,格网流向模
23、型,水流聚集模型,算法流程图,空间数据模型,Arctooolbox_hydro,ArcGIS9将水文分析中的地表水流过程集合到ArcToolbox里，如图11.1所示。主要包括水流的地表模拟过程中的水流方向确定、洼地填平、水流累计矩阵的生成、沟谷网络的生成以及流域的分割等。,1）洼地的填充,洼地的出现可导致流向的计算错误。在某些情况下，可能有合理的洼地存在，这就需要对当地的地形情况有较多了解，以辨别真的洼地和错误。洼地和流向不确定的情况：（1）周围单元格的值高于处理的单元格的值（2）两个单元格间的水流互相流动（3）单元格在多个方向上有同样的高差。要精确的表示流向，应该对洼地进行填充；洼地可以用
24、Sink函数定位，并进行填充。,空间数据模型,填充洼地的过程计算洼地深度,1、利用SINK函数识别洼地Grid:sinks=sink(flowdir)2、利用WATERSHED函数生成每个洼地代表的流域区域Grid:sink_areas=watershed(flowdir,sinks),填充洼地的过程计算洼地深度,3、生成每个洼地流域范围内的最低高程值栅格Grid:sink_min=zonalmin(sink_areas,elevation)4、将洼地填充到沿洼地边界的最低高程值，使水流能流出洼地。表示为Sink_maxGrid:sink_max=zonalfill(sink_areas,el
25、evation)5、最低高程值网格减去最低高程值网格得到洼地深度栅格Grid:sink_depth=sink_max-sink_min洼地深度的计算便于下述fill指令确定z_limit的取值,填充洼地的过程填充,FILL SINK|PEAK z_limit out_dir_grid：表示连续曲面的网格：剔除洼地或山顶的输出网格SINK|PEAK：表示洼地将被填充或山顶将被削去z_limit 洼地和其出口点的最大高差或山顶与其相邻最高单元格之间的高差。洼地深度大于这个值，则该洼地不被填充；如果山顶与其相邻最高单元格之间的高差大于这个值，则山顶不被移去。默认情况下时填充所有洼地或移去所有山顶，而
26、不考虑深度。out_dir_grid 可选输出流向栅格,2）Flow Direction,按流向选最大坡度的原理，计算每个单元格流向其邻域的方向（流出方向）；如果到相邻栅格的坡度相同，则放大邻域以选择最陡的方向,流向的规定,ArcGIS流向命令,Grid:flow_dir=flowdirection(elevation),注意流向编码,3）Flow Accumulation,累积流表示流入该单元格的栅格数目；高的累积流可用于生成水系网；低的累积流表示局部的地形高区，可用于识别山脊；,ArcGIS中累积流的计算,FLOWACCUMULATION函数计算流入每一个上坡方向的栅格累积值作为这个栅格的
27、累积流。也可以考虑权重因子，比如降雨量；Grid:flow_acc=flowaccumulation(flow_dir,rainfall),4）流域河网的提取,确定上游集水区面积阈值；标注集水量累计值大于阈值的格网；将得到的图形进行矢量化处理；通过阈值调整控制生成河网密度；,水系网提取的ArcGIS,水系网可从FLOWACCUMULATION函数中得到的结果中勾画出来。通过使用地图代数表达式对累积流网格设置阈值，可以勾画出水系网。例如,要生成一个在无值背景上值1代表的水系网，可以使用：Grid:stream_net=con(flowacc 100,1)Grid:stream_net=setnu
28、ll(flowacc 100,1)上述单元格取值大于100的所有单元格被赋值为1，其它单元格被赋值为无值NODATA。,5）水系网级别的划分,水系定级是一种给水系网中的连接赋级别代码。目的是按水系的支流数识别和分类河谷类别。水系的某些特征可以通过其级别推断出来。例如，一级支流仅受坡面漫流的控制，它没有其它支流的水流贡献,它们极易受非点源污染的影响.Usage:STREAMORDER(,STRAHLER|SHREVE),STRAHLER/SHREVE,STRAHLER外连接总被赋值为1。但当同样级别的水系交叉时，水系级别增加。所以，两个第二级的水系交叉时，会生成第三级的水系。但当两个不同级别的水
29、系交叉时，则不会产生水系别的增加，例如，第一和第二级的水系交叉不会产生第三级的水系，而保持较高级别的水系等级。Shreve法计算水系网中的所有连接数，外连接被赋值为1，但对内连接其级别数是增加的。例如，两个一级支流交叉时会产生二级支流，而一级支流和二级支流交叉时则生成三级支流。,6)水系矢量化,STREAMLINE(,out_item,weed),空间数据模型,7)Flow_length,空间数据模型,8）Stream_link,9）ArcGIS流域的划分,watersheds=watershed(flow_dir,pour_points)BASIN(),ArcGIS中的流域命令,将流向网格作
30、为输入，可以利用WATERSHED或 BASIN 函数生成流域。Grid:watersheds=watershed(flow_dir,pour_points)对任意单元格可以勾画流域，在WATERSHED函数中可以利用SELECTPOINT函数标记流域出口点(pour points)。Grid:watersheds=watershed(flow_dir,stream_link),空间数据模型,流域盆地的划分Basin,算出所有外流区域,小结：ArcGIS中的处理流程,空间数据模型,第三节、地形（地貌）分类,地形位置指数,空间数据模型,Benthic Habitat Pilot Area,DMW
31、R,空间数据模型,Fagatele Bay National Marine Sanctuary,2001 bathy,空间数据模型,Algorithm compares each cells elevation to the mean elevation of the surrounding cells in an annulus or ring.,bpi=int(bathy-focalmean(bathy,annulus,irad,orad)+.5),-3m-,|-2-|,|-4-|,resolution=3 mirad=2 cells(6 m)orad=4 cells(12 m),Bath
32、ymetric Position Index,空间数据模型,Crests(2)Depressions,Negative bpi=depressionPositive bpi=crestZero bpi=constant slope or flat,(3)Flats(4)Slopes,Broadscale Zones from BPI,空间数据模型,Bathymetric Position Index,Measure of where a point is in the overall land-or“seascape”Compares elevation of cell to mean ele
33、vation of neighborhood,空间数据模型,Narrow depression 8.Open slopesLocal depression on flat 9.Local crest in depressionLateral midslope depression 10.Local crest on flatDepression on crest 11.Lateral midslope crestBroad depression with anopen bottom 12.Narrow crestBroad flat 13.Steep slopeShelf,A surficia
34、l characteristic of the seafloor based on a BPI value range at a combined fine scale&broad scale,slope&depth,Finescale Structures from BPI,空间数据模型,BPI Zone andStructureClassificationFlowchart,Emily Lundblad,OrSt M.S.Thesis,86,Fine BPI,+,+,Broad BPI,Slope,Step One,Step Two,Step Three,Bathymetry,BenthicTerrain,Step Four,ClassificationDictionary,BTM Methodology,空间数据模型,Structure Classification Decision Tree,空间数据模型,Emily Lundblad,OrSt M.S.Thesis,空间数据模型,Fish Abundance&BPI,Courtesy of Pat Iampietro,CSU-MB,ESRI UC 2003,
