第七章 坡面地形因子的提取
坡面地形因子提取
提取坡面因子注意点
遵循地貌形态学与地貌成因学的基本理 论 更复杂的坡面因子还须经过统计分析、 数模构建获得 微观坡面因子的提取可以通过数据直接 提取；宏观通过移动窗口分析完成。 信息源的尺度特征将影响提取精度
提取坡面因子的常用分析窗口
分析窗口分类 矩形窗口：以目标栅格为中心，分别向周围八 个方向扩展一层或多层栅格 圆形窗口:以目标栅格为中心，向周围作一等 距离搜索区，构成一圆形分析窗口。 环形窗口:以目标栅格为中心，按指定的内外 半径构成环形分析窗口 扇形窗口:以目标栅格为中心，按指定的起始 和终止角度构成扇形分析窗口
即坡度之坡度slopeslope简称sos是指在地表的坡向提取基础之上进行对坡向变化率值的二次提取亦即坡向之坡度slopeaspectsoa对上述坡度图再求一次坡度得到坡度变率sos对坡向图求坡度得到坡向变率soasoa误差产生的原因soa在提取过程中在不同的坡面上将会有误差的产生即在坡面的南北两侧北面坡由于在坡向算法将会有误差产生所以要对北坡的soa结果进行纠正因为从理论上讲soa在地表北坡上将产生误差北坡上坡向值范围为090和270360在正北方向附近15和345之间坡向差值只是30而在计算中却是差了330坡向变率误差进行纠正求取原始dem数据层的最大高程值用该值减原始dem数据层得到与原来地形相反的dem数据层即反地形dem数据
水流方向的算法
单流向算法（SFD）
多流向算法Байду номын сангаасMFD）
ArcGIS提取波长的步骤
坡 位
坡位是指坡面计算单元所整个大坡面的 地貌部位。例如，位于正地形还是负地 形等；处于沟间地还是沟坡地 黄土高原地区 该地区的区域地貌在垂直方向上划分为 沟间地、沟坡地和沟底地三种基本类型
数字高程模型 地形因素的提取
等高线三维可视化原理H=f（x，y）坡面地形因子提取1坡度打开Spacial Analysis工具依次选择表面分析、坡度、提取坡度，输出栅格命名为（坡度）2 坡向打开Spacial Analysis工具，依次选择表面分析、坡向，提取坡向，并将输出栅格命名为（坡向）3粗糙度打开栅格计算器，输入公式1/cos[DEM*3.14159/180),即可以得到地表粗糙度，并命名图层为地表粗糙度。
4地表起伏度选中DEM数据，打开Spacial Analysis\邻域分析、焦点统计、后选择统计类型为最大值，邻域类型为矩形记为max；同理再次打开Spacial Analysis\邻域分析、焦点统计、后选择统计类型为最大值，邻域类型为矩形记为min；打开Spacial Analysis，地图代数，栅格计算器，输入公式max-min，命名产生的图层为地表起伏度山脊线、山谷线提取操作步骤：1. 加载DEM 数据，设置默认存储路径，使用空间分析模块下拉箭头中的表面分析工具，选择坡向工具（Aspect），提取DEM 的坡向数据层，命名为A。
该DEM 的坡向数据如下图所示：2. 点击数据层A，使用空间分析模块下拉箭头中的表面分析工具，选择坡度工具（slope），提取A 的坡度数据层，命名为SOA1。
3. 求取原始DEM 数据层的最大高程值，记为H：由此可见该最大高程值H 为1153.79使用栅格计算器，公式为（H－DEM），求反地形DEM 数据如下：反地形DEM 数据层calculation 如下（可与原始DEM 相比较）：4. 基于反地形DEM 数据求算坡向值反地形DEM 数据层calculation 的坡向数据如下：5. 提取反地形DEM 坡向数据的坡度数据，记为SOA2，即利用SOA 方法求算反地形的坡向变率。
6. 使用空间分析工具集中的栅格计算器，求没有误差的DEM 的坡向变率SOA，公式为SOA=(([SOA1]+[SOA2])－Abs([SOA1] －[SOA2]))/2其中，Abs 为求算绝对值，可点击右下侧将其查找出来。
坡度坡向的提取算法
坡度坡向的提取算法坡度和坡向是地形分析中的重要参数，用于描述地表的陡峭程度和方向。
坡度是指地面上其中一点的高程变化与水平距离之比；坡向是地面其中一点的最大上升率所对应的方向。
坡度和坡向的提取算法可以分为基于DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）和基于地图数据两种方法。
一、基于DEM的坡度和坡向提取算法：1.基于邻域方法的算法：-邻域方法是最简单直观的坡度和坡向提取算法。
它用其中一点周围的高程信息进行计算。
-坡度的计算可以通过求解一阶导数的总体梯度来实现，即将DEM网格转换为连续函数，并计算其梯度。
-坡向的计算可以通过计算DEM网格在横向和纵向方向上的导数，并根据求解出的导数来计算方向。
2.基于三角网格的算法：-三角网格是指将地表划分为许多小三角形，并且每个小三角形的节点均有确定的坐标和高程值。
-这种算法将DEM通过三角剖分得到三角网格，并通过计算每个小三角形的高程差和边长来求解坡度。
-坡向的提取可以通过计算每个小三角形的法向量来实现。
3.基于插值方法的算法：-插值方法是一种基于数据点之间的插值运算来推断未知值的方法。
-坡度和坡向的提取可以通过对DEM高程数据进行插值，并计算插值后数据的导数来实现。
-常用的插值方法包括反距离加权插值和克里金插值等。
二、基于地图数据的坡度和坡向提取算法：1.基于等高线的算法：-等高线是地图上连接同一高程点的线，通过等高线的间距和形状可以判断地形的陡峭程度。
-坡度的提取可以通过计算等高线的间距和高程差来实现。
-坡向的提取可以通过等高线的方向来判断，通常等高线会指向高程减少的方向。
2.基于流向的算法：-水流会沿着最陡峭的方向流动，因此流向可以用于推断坡度和坡向。
-该算法通过计算每个像素点的流向，然后根据流向来推断该点的坡度和坡向。
-常用的流向计算算法包括D8算法和D∞算法等。
以上是坡度和坡向的提取算法的一些简要介绍，实际的算法还需要考虑数据的精度、计算效率等因素，并结合具体应用做一些优化。
6 地形分析坡面因子提取
3.2 山脊线、山谷线的提取
求出已提取的概略地形特征线与DEM 格网 线的交点，在该交点附近的一个小区域， 对DEM 数据进行几何分析，即找出该区域 内与概略的地形特征线正交方向地形断面 上高程变化的极值点，该点即为该条地形 特征线的精确位置。
3.2 山脊线、山谷线的提取
平面曲率与坡位组合法 : 利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面 的正负地形，取正地形上平面曲率的大值 即为山脊，负地形上平面曲率的大值为山 谷。 提取的山谷和山脊可以通过曲率的值 来进行调节。
1，表示谷点 1，表示脊点 VR i，j 2，表示鞍点 0，表示其他点
(i+1,j-1)
(i+1,j)
(i+1,j+1)
差分算法示意图
山顶点
鞍பைடு நூலகம்点
图例
等高线
山顶点
鞍部
利用ArcView GIS 软件及DEM数据提取的山顶、鞍部
3.2 山脊线、山谷线的提取
山谷线 山脊线与山谷线
2.3 坡面复杂度因子
坡面复杂因子是宏观的地形信息因子，包括地 形起伏度、地形粗糙度、地表切割深度和沟壑 密度等 ；
地形起伏度：是在所指定的分析区域内所有栅 格中最大高程与最小高程的差，
RFi H max H min
.
中国1：100万DEM 提取的中国陆地区域地形起伏度图
2.3 坡面复杂度因子
3.2 山脊线、山谷线的提取
基本思想 首先用较稀的DEM格网 数据用地形流水物理分 析方法提取区域内概略 的地形特征线，然后用 其引导，在其周围邻近 区域对地形进行几何分 析来精确确定区域的地 形特征线。
概略DEM建立 地形流水物理模拟
坡长坡度因子的生成过程
坡长坡度因子的生成过程如下：1、要估算坡长因子，可以利用ARCGIS中的水文模块提取流水累积量。
流水累积量的计算，要先建立无洼地的DEM。
（见水文分析过程）利用jx_srtm 数据，先生产任意流向图：flowdir，再寻找洼地：sink，并计算洼地流域贡献范围：sink_watersh 。
再计算每个洼地的最低高程和出水口高程：zonalmin ，zonalmax，并可以求出洼地深度：sinkdep = zonalmax – zonalmin。
填充洼地：fill_jx_srtm。
并计算无洼地的dem的水流流向：flowdir_fill1。
然后计算流水累积量：flowacc。
2、根据坡长因子公式（参考文献：土壤侵蚀研究中的坡长因子评价问题）：L=(λ/22.13) m, λ=flowacc * cell size其中：m=n/(1+n)，n=(sinθ/0.0896)/(3.0*sin0.8θ+0.56)这里的θ用“jx_slope.img *3.1415926/180”替代依次得到图：n、m、l_yinzi(1) 根据raster calculator 中的公式，计算出n(Sin([jx_slope.img] * 3.1415926 / 180) / 0.0896) / (3.0 * Pow(Sin([jx_slope.img] *3.145926 / 180), 0.8) + 0.56)(2) 根据raster calculator 中的公式，计算出m(3) 根据raster calculator 中的公式，计算出l_yinziPow([flowacc] * 87.72085638 / 22.13, [m])对得到的l_yinzi（l_yinzi1.img）进行去除异常值：利用ERDAS中的图像增强工具，对异常值进行平滑处理。
这里，我们选择以下的运算模板：因此，得到图：l_yinzi_convolution.img。
坡面地形因子提取
坡面地形因子提取坡面地形因子是指地势起伏、坡度和坡向等地形特征对水文过程和地表径流产生的影响因素。
在地质、水文、环境科学等领域，坡面地形因子的提取对于河流流域水文建模和研究具有重要意义。
本文将详细介绍坡面地形因子提取的方法和应用。
一、坡面地形因子的意义坡面地形因子的提取是对地表形态特征的定量化描述，能够揭示地势起伏、坡度和坡向等地形特征对流域水文过程的影响。
坡面地形因子是进行流域水文模拟、水资源规划和管理的重要输入。
通过提取坡面地形因子，可以为降雨-径流模型提供输入参数，从而实现有效的水资源管理和洪水预测。
二、坡面地形因子的提取方法常见的坡面地形因子提取方法包括数字高程模型（DEM）分析、数学模型和基于遥感技术的方法，下面将详细介绍这些方法。
1.DEM分析数字高程模型是通过大地测量仪、全球导航卫星系统和激光雷达等工具测量得到的地表高程信息的数学模型。
通过DEM数据，可以计算得到坡度、坡向和流量累积等坡面地形因子。
在DEM分析中，常用的方法包括：-三点法和两点法计算坡度和坡向。
-河网提取方法，通过定义一个初始点，通过迭代计算，得到流域的水流路径和流量累积。
- Topaz提取方法，通过定义网格节点权重矩阵，计算得到坡面地形因子。
2.数学模型数学模型是基于地势起伏的数学描述和分析。
常见的数学模型包括：-岭线剖面模型，通过绘制几条平行于倾斜方向的线剖面，计算岭线特征。
- TPI（Topographic Position Index）模型，该模型通过计算每个像元与周围像元的高程差异，得到一个代表地形位置的指数。
-地势曲率模型，通过计算高程数据的梯度，得到地势曲率特征。
3.遥感技术遥感技术是通过对地表反射率、颜色和纹理等信息的获取，对地表特征进行解译和分类。
常见的遥感技术包括：-光谱解译，通过分析不同波段的光谱反射率，对地表特征进行分类。
-红外遥感，通过分析地表红外辐射的特征，对地形特征进行提取。
-激光雷达遥感，通过激光脉冲对地表进行扫描，提取地势起伏、坡度和坡向等地形信息。
GIS概论7_DEM与数字地形分析
GIS概论
李伟涛 liweitao_801225@
DEM与数字地形分析
基本概念
数字高程模型、数字地形分析
DEM采集与建立 数字地形分析
基本因子分析、地形特征分析、流域分析、可视性分析
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DEM空间插值方法—局部分块内插
局部分块内插是将地形区域按一定的方法进行分块，对每 一分块，根据其地形曲面特征单独进行曲面拟合和高程内 插。 分块方法：一般按地形结构线或规则区域分块，分块大小 取决于地形复杂一定宽度的重 叠，或者对内插曲面补充一定的连续性条件。 优点：简化了地形的曲面形态，每一分块可用不同曲面表 达，同时得到光滑连续的空间曲面。不同的分块单元可使 用不同内插函数。 常用内插函数：线性内插、双线性内插、多项式内插、样 条函数、多层曲面叠加法等。
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DEM与数字地形分析
基本概念
数字高程模型、数字地形分析
DEM采集与建立 数字地形分析
基本因子分析、地形特征分析、流域分析、可视性分析
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数字地形分析
一、基本因子分析
1、坡度
2、坡向
3、曲率 4、宏观地形因子
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数字地形分析
一、基本因子分析
1、坡度
当具体进行坡度提取时，常采用简化的差分公式，完整的数学表示为：
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数字地形分析
一、基本因子分析
2、坡向
对于地面任何一点来说，坡向表征了该点高程值改变量的最大变化方向。 在输出的坡向数据中，坡向值有如下规定：正北方向为0°，顺时针方向 计算，取值范围为0°～360°。
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数字地形分析
一、基本因子分析
3、曲率
基于GIS的坡面地形因子提取与分析
基于GIS的坡面地形因子提取与分析作者：王娜娜徐珍陈伟华来源：《安徽农学通报》2017年第12期摘要：该文基于GIS软件和DEM数据，提取并分析一阶、二阶及复合坡面地形因子中的坡度、坡向、剖面曲率、地表粗糙度、高程变异系数5种地形因子。
结果表明：榆中县坡度变幅为0°～70.7213°；坡向分析中阳坡占总面积的45.04%，阴坡占53.87%；剖面曲率在0～4.90379范围内变化；地表粗糙度的变幅为1～4.39377；地形高程变异系数在0～0.0912272范围内变化。
通过对该区域坡面地形因子的提取，分析在这些地形因子的作用下该区域水土流失与土壤侵蚀的趋势，为榆中县进行水土保持定量研究提供科学依据。
关键词：地形因子；GIS；坡面；DEM中图分类号 S157 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）12-0165-03Absrtact：Based on the GIS and DEM data，five terrain factors，including slope，the slope direction，section curvature，surface roughness and coefficient of variation，are extracted and analyzed for the first order，two order and composite slope terrain factors. The results showed that the gradient of Yuzhong County was 0°～70.7213°，the sunny slope was 45.04% of the total area，the shade slope was 53.87%，the section curvature changed in 0～4.90379，the variation of surface roughness was 1～4.39377，the coefficient of variation varied within 0～0.0912272. Through the extraction of topographic factors in the area，the trend of water loss and soil erosion under the action of these terrain factors is analyzed，which provided scientific basis for the quantitative study of Yuzhong County soil and water conservation.Key words：Terrain factors；GIS；Slope；DEM地形分析是认知地形环境的重要方式，地形因子的提取对水土流失、土地利用及生态评价研究具有重要作用，不同研究尺度下研究的地形因子不一。