gis--数字地形分析

土方计算结果
基本规则格网的地表日照度计算
由于地面的起伏，地面各点所接受的太阳 辐照度是不相同的，其计算方法为：
Radiation Dim(sin(el ) cos cos(el ) sin cos(az ))
el为太阳高度角， αz为太阳方位角， α为当前点的坡角，β为当前点的坡向。
基本规则格网的体积计算
基于规则格网的体积计算可以将格网单元视为平面，计 算多个立方体的体积总和。
V Vi
i 1 N
基本不规则三角网的体积计算
由于每一个空间三角形与其在指定计算高程平面上的投 影都形成一个三棱柱和一个三棱锥，所以基于不规则三角网 的体积计算最终归结为若干三棱柱和三棱锥的体积运算：对 每个三棱柱计算其填、挖方量并加以累积，就可以得到最终 结果。
坡度分级图
中间成果 图幅整饰 成果 耕地坡度分级图
基本地形因子计算——曲率
定义： 地形曲面在各个界面方向上的形状，凹凸 变化的反映，是平面点位的函数。 反映了地形结构和形态。 影响着土壤有机物含量的分布，在地表过 程模拟、水文、土壤等领域有着重要的应用价 值和意义。
基本地形因子计算——粗糙度
定义： 反映地表起伏变化和侵蚀程度的指标。一般定 义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面 积之比。 粗糙度是能够反映地形的起伏变化和侵蚀程度 的宏观地形因子，是衡量地表侵蚀程度的重要量化 指标。
基于不规则三角网的坡度、坡向计算
Slope
坡度：
Slope
坡向：
2 2 nx ny
nz
2
Aspect
Aspect
ny nx
坡度、坡向应用
• 1．坡度选择。坡度和坡向对果树生长发育有一定影响。同一坡向不 同坡度，对温、热、水分都有不同程度的差异。如南坡，10度坡太阳 直接辐射量为平地的116％，20度坡为130％。表土的含水量， 5度坡 为52． 38％， 20度坡为 34． 78％，随坡度增大而降低。土壤冻结 深度，5度坡在20厘米以上，15度坡则为5厘米，但坡下低洼地冷空 气沉积，坡顶则寒冷，不易栽培。选择葡萄栽培的适宜坡度5度～20 度的斜坡地为好，15度坡最为合适。 • 2．坡向选择。坡向不同，光照、湿度、热量、风量也不同。一般南 坡、东南坡、西南坡，所获得太阳光热量大。北坡、东北坡，西北坡， 则较冷凉。南坡与北坡近地面 20厘米处气温平均相差0．4℃，80厘 米深土层，南坡比北坡地温高4℃～5℃。葡萄喜光、喜温，以选择南 坡为宜。但南坡温、湿度变化较大，水分蒸发量大，融雪、解冻比北 坡早，因此必须加强水土保持工程。由于山地地势非常复杂，南、北 方气候差异悬殊，但在中纬度的低山区，北坡水分蒸发量少，土壤墒 情好，植被密生，土质较肥沃，土层较深厚，也能栽培葡萄树。
坡度、坡向应用
• 坡度是评价耕地质量的主要指标，也是衡量土地利用是否合理的一个 关键因子。借助地理信息系统、3D技术，准确分析耕地坡度信息，对 土地调查具有重要意义。
第二次全国土地调查耕地坡度分类图制作流程
读入源数据 按县级行政区拼接 是否剪切？
分块DEM
DEM生成坡度 坡度图 重新分类 坡度分级栅格图 转换为矢量格式 坡度分级矢量 图 矢量数据编辑,去除细 碎多边形,边界光滑 二调：精度参数 土地利用图斑数据 参数：坡度分级表
水系
Watershed 流域
(Basin, Catchment, Contributing area)
基本地形因子计算——坡度、坡向
• 坡度（Slope）：过地表一点的切平面与水平面的夹角。 • 坡向（Aspect）：地表面上一点的切平面的法线在水平面的投影与该点 的正北方向的夹角。 • 联系与区别：都是点位参数，只有理论意义，不具备地理意义。
Z Slope 坡度 坡向
描述地表面 描述该点高程值 描 述 在该点的倾斜程度。改变量的最大变化方向。 决定地表面局部 影响地表物 地面接收阳光和重新分 作 质流动与能量转换 配太阳辐射量的重要地 用 的规模与强度，制 形因子，直接造成局部 约生产力空间布局。 地区气候特征差异，影 响各项农业生产指标。 Y x
1 N 1 S ( X i Yi 1 X i 1 Yi ) 2 i 1
如果多边形顶点按顺时针方向排列，则计算的面积值为负；反之，为正。
基本地形因子计算——体积
基于数字地面模型的体积计算实质上是计算地形表面和 给定参考面之差，在实际应用中，这种差值计算往往被归类 于土方计算，应用在工程施工、水利工程规划等方面。 对DEM进行挖或填后，土方量可由原始DEM体积V0减去 新的DEM体积V1，乘以相应的物质密度求得。 V = V0 – V1 当V>0时，表示挖方； 当V < 0时，表示填方； 当V = 0时，表示既不挖方也不填方。
基本地形因子计算——投影面积
投影面积指的是任意多边形在水平面上的面 积，主要有两类计算方法：
1、直接采用海伦公式进行计算，只要将表面积计算公式 中的距离改为平面上两点的距离即可； 2、根据梯形法则，如果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点相同， 则水平投影面积计算公式为：
数字地形分析及特征提取
主要内容
• 基本地形因子计算
坡度、坡向、曲率、粗糙度 面积、体积 地表日照度
• 地形特征提取
沟脊值提取 水文分析 可视性分析
地形因子的分类
地形因子
微观因子
宏观因子
坡 度
坡 向
坡 度 变 率
坡 向 变 率
平 面 变 率
剖 面 变 率
剖 长
剖 型 因 子
地 形 粗 糙 度
地 形 起 伏 度
S P( P D1 )( P D2 )( P D3 ) 1 P ( D1 D2 D3 ) 2 Di X 2 Y 2 Z 2 (1 i 3)
Di表示第i（1≤i≤3）对三角形两顶点之间的表面距离， S表示三角形的表面积， P表示三角形周长的一半。
整个DEM的表面积则是每个三角形表面积的累加。
Slope为坡度，Aspect为坡向，Slopewe为X方向上的 坡度，Slopesn为Y方向上的坡度。 Slopewe、Slopesn的 计算如下：
方法1： 方法2：
e1 e3 Slopewe , 2 cellsize
Slopesn
e4 e2 2 cellsize
(e8 2e1 e5 ) (e7 2e3 e6 ) Slopewe 8 cellsize (e7 2e4 e8 ) (e6 2e2 e5 ) Slopesn 8 cellsize
葡萄种植的地形条件
1、纬度和海拔： 世界上大部分葡萄园分布在北纬20-52度之间及南纬30-45度之间， 绝大部分在北半球。海拔高度一般在400-600米。中国葡萄多在北纬30-43度之间 海拔的变化较大，约200-1000米，河北怀来葡萄分布高度达1100米，山西清徐达 1200米，西藏山南地区达1500米以上。纬度和海拔是在大范围内影响温度和热量 的重要因素。
先将地形的形态特征或各个坡面因子进行定量化描述， 完成求导的数学模型，在此基础上建立其以DEM为基 本信息源进行提取的技术路线，并通过软件形成一套 易于计算机操作的方法
• 因子提取方法应遵循地貌形态学与地貌成因学的基本理论 • DEM数据在表象上首先反映的是地面的海拔高程信息，更深 层次的地形信息需要通过对高程的空间分布特征的提取，或 更高层次地形要素的解算获得。更复杂的还需通过统计分析、 数模构建获得 • 微观因子通常以DEM格网数据的空间矢量模型为基础。通过 空间向量的差分运算完成；宏观因子一般通过移动分析窗口 的方法完成。 • 信息源的尺度特
半阳坡 阳坡 平地
SW=225° S=180° SE=135°
注：适用于南半球，北半球则正好相反
基于规则格网的坡度、坡向计算
坡度：
e5 e1 e8
e2 e e4
e6 e3 e7
2 2 Slope Slopewe Slopesn
坡向：
Aspect Slopesn / Slopewe
基本规则格网的地表沟脊提取
沟脊值提取方法： 1、提取特征点； 2、将提取的特征点按照某种方式连成 线。
地形特征提取——水文分析
水文分析与计算是对所研究的水文变量或过程，作 出尽可能正确的概率描述，对防止水旱灾害和开发、利 用、保护水资源的工程或非工程措施的规划、设计、施 工以及管理运用有着重要的意义，也是DEM数据应用的 一个重要方面，主要用于研究与地表水流有关的各种自 然现象比如：洪水水位及泛滥情况或者可以划定受污染 源影响的地区、以及预测当改变某一地区的地貌时对整 个地区造成的后果等。 在城市和区域规划、农业及森林等许多领域对地球 表面形状的理解很重要。这些领域需要知道水流怎样经 过某一地区，以及这个地区的地貌的改变会以什么样的 方式影响水流的流动。
x Dim( x ) 0
当x 0 其它
基本地形因子计算——地表日照度
太阳高度角=45度
太阳高度角=90度
地形特征提取
地形特征提取
地形特征点：山峰、谷底、鞍部点等 地形特征线：山脊线、山谷线等 水系特征提取 分水线：类似山脊线 合水线：类似山谷线 1) 2) 3) 4) 基于格网DEM的特征提取 基于图像处理 基于地形曲面几何分析 基于地形曲面流水物理模拟分析 2）和3）分析方法的综合
基本规则格网的粗糙度计算
粗糙度计算定义：
S曲面 R S水平
S为曲率，AreaS为格点面元趋势面面积，AreaH为格点面元面积。
实现步骤：
实际应用时，当分析窗口为3*3时，可采用以下公式近似计算。 1、根据DEM提取坡度因子S； 2、粗糙度：R=1/cos(S)
基本地形因子计算——地表面积