ArcGIS 第7章 坡面地形因子提取
DEM坡面地形因子提取 技术文档
DEM坡面地形因子提取1.背景作为地形特征线的山脊线、山谷线对地形、地貌具有一定的控制作用。
它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。
同时由于山脊线具有分水性，山谷线具有合水性特征使得它们在工程应用方面具有特殊的意义。
因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线的提取和分析是具有很大应用价值的。
2.目的了解基于DEM坡面地形因子提取的原理；掌握坡度、坡向、坡面曲率因子的提取方法及坡度分级图的制作；能够利用坡面地形因子与其它空间分析方法相结合以解决实际应用问题。
3.要求(1)技术流程正确，可视化准确、直观、形象；(2)画出实现的技术流程图，对构建关键技术点的目的和意义给出简要说明。
4.数据一幅25m分辨率的黄土地貌DEM数据，区域面积大约有140 km2。
5.实验内容（1）坡度a.添加Dem数据并激活它，打开spatial analyst工具。
b.从【Surface Analysis】菜单中选择【Slope】命令。
c.生成新的坡度主题slope of dem。
d.双击左边的图例，重新调整坡度分级。
（2）坡向a.在视图目录表中添加DEM并激活它，打开spatial analyst工具。
b.从【Surface Analysis】菜单中选择【Aspect】命令。
c.显示并激活生成的坡向主题Aspect of dem。
（3）坡面曲率因子平面曲率：a.激活坡向数据。
b.从【Surface Analysis】菜单中选择【Slope】命令。
c.生成平面曲率层面Slope of Aspect。
剖面曲率：a.激活坡度数据。
b.从【Surface Analysis】菜单中选择【Slope】命令。
c.显示并激活生成的剖面曲率层面Slope of Slope。
6.关键技术：提取平面曲率中消除北坡的误差1)提取DEM层的坡向主题，再对此坡向主题提取坡度，得到的主题记为A；2)在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，公式为[[DEM-H]*（-1）]，提取DEM层的负地形；3)提取负地形的坡向的坡度，记为B；4)在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，公式为[[[A+B]-[A-B].abs.]/2]，即可求出没有误差的DEM的平面曲率。
地形因子的提取与三维可视化
实验二地形因子的提取与三维可视化一、实验目的掌握三维分析中的表面分析（地形因子的提取及各种指标的量算）及在ArcScene 中进行数据的三维可视化。
二、实验准备PC、ArcGIS软件三、实验内容1、地形因子的提取：坡度、坡向、坡长、变坡率、地形粗糙度、起伏度、高程变异系数等。
2、表面积体积计算、断面分析、表面阴影显示；3、三维可视化及飞行漫游。
四、实验步骤地形因子的提取1.坡度（坡向）的提取在Spatial Analyst下拉菜单中选择表面分析, 在弹出的下一级菜单中点击坡度（坡向），出现坡度（坡向）对话框，完成坡度提取（坡向）坡度坡向2，计算坡度与坡向变率对坡度和坡向分别再求取坡度坡度变率坡向变率3，平面曲率、剖面曲率的提取平面曲率、剖面曲率的提取过程为：打开ArcGIS的Toolbox，在Spatial Analyst Tools底下选择表面分析,在表面分析的下一级菜单中选择曲率。
打开曲率对话框，完成平面及剖面曲率的提取平面曲率剖面曲率4，提取地形剖面1，在ArcMap中添加数据，然后在3D Analyst工具条上选择该数据。
2，使用线插值工具创建线，以确定剖面线的起终点。
3. 使用创建剖面图工具生成剖面图。
4，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。
5，提取表面阴影与DEM叠加显示6，三维阴影显示在ArcScene三维场景中，设置栅格表面自身的高程值为其基准高程后，在属性对话框的渲染选项卡中，选中相对于光照位置显示阴影复选框，使表面具有阴影显示。
同时可以使用光滑阴影工具使阴影表面更光滑7，使用动画旋转激活之后，可以使用场景漫游工具（Navigate）将场景左右拖动之后，即可开始进行旋转，旋转的速度决定于鼠标释放前的速度，在旋转的过程中也可以通过键盘的Page Up键和Page Down键进行调节速度。
点击场景即可停止其转动。
改变其背景色、照明度等属性，再次观察其显示效果。
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
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。
基于GIS的区域坡度坡长因子提取算法
基于GIS的区域坡度坡长因子提取算法张宏鸣;杨勤科;刘晴蕊;郭伟玲;王春梅【摘要】为提高基于地理信息系统的区域土壤侵蚀研究、水土保持环境效应评价、流域水文分析等的应用效率,设计新的坡度坡长(LS)因子算法,利用正向-反向遍历算法取代原累积坡长算法,以获取区域尺度下的LS因子.实验结果表明,在计算精度允许的范围内,新算法使计算机运行效率有较大幅度的提高.【期刊名称】《计算机工程》【年(卷),期】2010(036)009【总页数】3页(P246-248)【关键词】地理信息系统;数字高程模型;ARC宏语言;坡度坡长;中国土壤流失方程【作者】张宏鸣;杨勤科;刘晴蕊;郭伟玲;王春梅【作者单位】西北农林科技大学信息工程学院,杨凌,712100;西北大学城市与资源学系,西安,710069;西北农林科技大学信息工程学院,杨凌,712100;中科院水土保持研究所,杨凌,712100;中科院水土保持研究所,杨凌,712100【正文语种】中文【中图分类】TP301.61 概述自20世纪90年代以来，随着人们对全球环境问题的日益关注和地理信息系统(Geographic Information System,GIS)技术与土壤侵蚀模型的结合，USLE(Universal Soil Loss Equation)[1]和RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)[2]被应用于区域尺度土壤侵蚀评价和制图中[3]。
在这种应用中，最关键的环节被认为是基于 GIS实现区域尺度坡度坡长(slope Length and slope Steepness,LS)因子专题层的计算[4]。
文献[5-8]先后设计了相应流程及算法，但在洼地填充、初始坡长、边界检测、LS算法等方面都存在问题。
本文在van Remortel C++代码的基础上引进了文献[9-10]根据中国侵蚀地形提出的陡坡地LS因子算法，设计开发了区域尺度LS因子计算工具，并在典型地区进行了计算实验。
ArcGIS实验操作(八)---地形特征提取
ArcGIS实验操作（八）地形特征信息提取数据：在data/Ex8/文件下·dem：分辨率为5米的栅格DEM数据。
·Result文件夹：·shanji：提取的山脊线栅格数据；·shangu：提取的山谷线栅格数据；·hillshade：地形晕渲图。
要求：利用所给区域DEM数据，提取该区域山脊线、山谷线栅格数据层。
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：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。
没有误差的DEM的坡向变率SOA如下图所示：7.再次点击初始DEM数据，使用空间分析工具集中的栅格邻域计算工具（NerghborhoodStatistics）；设置统计类型为平均值（mean）邻域的类型为矩形（也可以为圆），邻域的大小为11×11（这个值也可以根据自己的需要进行改变），则可得到一个邻域为11×11的矩形的平均值数据层，记为B。
8.使用空间分析工具集中的栅格计算器，求算正负地形分布区域，公式为C = [DEM]－[B]。
ArcGIS中坡度坡长等地形因子分析过程
地形因子LS制图过程DEM （1:5万）填充后生产河流流向图填充后生成坡度图90m格网DEM 非累计流量分析生成坡度图S=10.8sin B+0.036 0<5 °S=16.8sin 0-0.5 5 °«90S=21.9sin 0-0.96 0 祀°m=0.2 0<1 °m=0.3 1 °冬3 m=0.4 3 °V5 m=0.5 0蓉°坡度因子S图坡长因子L图根据上图及公示生成坡度因子图自L*r*rc-@ EE3■° - J.WSWTWcon( [Slope] < 5,10.8 * Sin( [Slope]) + 0.036,c on ([Slope] < 10,16.8 Sin ([Slope]) - 0.5,21.9 * Sin ([Slope]) - 0.96))计算坡度因子过程图con( [Slope] < 5,10.8 * Sin([Slope] * 3.1415926 / 180) +0.036,con([Slope] >= 10,21.9 * Sin([Slope] * 3.1415926 / 180)-0.96,16.8 * Sin([Slope] * 3.1415926 / 180) - 0.5))•P轧/»和畑Icfftlir.hJi缶1ASn ICbi I Jl&l ITtfi■XT”-□ #i3 iSSMtlW - 9 -jr^S&gJI] 巾他因曲・用WTE2SS口23 MCKtt ■列珂聲8?■胸M SHU1U4J 和5L/H9L3W3Fi]].a»qua 时.三 O *3-tVhU U2T«iW- .IL*■■Mild二盟KUHW- - 3 ]»»TII■W JJWFW -弭■■ ■MBTH - KI 33EKMB■ti UBIK4 - P KM 咖■专.HVIX1M " >M KWIIW!■ ewscmw - 9El FilL_dmiiO丄丄|oW|融P H•:耳悯』叶［I八卄卜创叶:h II.叭・加吟M H攀13 ■-1KQ□KK -! w■ 0* ! »-・a3I□ DinvILKZ— -■骨I■•暮nmvusL n t - 3宦£!■a・Ki 3K -3■» 4■» ££J » . -_ H -二.X 35 ; D _■祐 suhT:¥f x t s■H9-9-Ss Ful —do£lJ■ B ^. -sb*亍亍-•,□■ K £-- r&EI E E -H H S H --• •r _・・n ^T £L1 17匕・cniRTWT!r=?・wTt-d v T ..r ■ K E Y S E S r _v f x -»f £ =EI ・r ・r f巨 LIEJCMlJMLy "I_L ■-£F^B-H E -i T・・11"■r L .U J> M .a L t o CWJb-iTImlF s z ^ V -=E ■p A r b c i * 仲 -・V 7E ?% FE&>-r I L-a -e—*r .B rr m>Fin- U A V .&-V -\n E f t - F "E J E v »r i r t - 督 F 31- F --T -^f f -31 J B -4+』g-H-FA豐Fj 占血I £_令■ E p •--V-V +二▼亍・H暮J - VhsgrFlzr・・・iJ-- V r A ^-S M--V M -w on -・&・・|0■v F ni m•el -Z E -S・ Q E i ES 3 S S 4J Hconasope;lo.2bonas-ope;3o3conas-ope〕A 5040.5)))c F 3a _-aI 3J fluWO ER -L :■F■中I s■K.4Hgll・■ Ln- - 0M - SJ S B />»£H-Ish s x-■:旳KXu 刃! B N -2.H UMKK1T ■ 's ^£1■ ILS a s . ■a s s -u - □ w U S 25E ・ s L s f i J - — - > c *-L T M - I B 三LTM-■ F 7--EHJ r u 4K 7«£ff-f u v .H "HA A M U .r4-kLvn-xr• -^^3? Jfth-•*!=■■mBnT<<-•・ilu4wT.M1E.r »F b i £-E 4 EmLeT r «r -"-F »-?L - F rir-• XP.TA^IrrillnLT .M F-L + 直・KM2(T5a.■J4-巴易%f E>H l y r wr w l -V -3-1 u £c~、ff d -1 £<■V v u -x f _.>y ■%-?L4rllA4L M E L UEF L g■l p =m l"=-iM i u J l fnv a -s uEarM r t K-£ M r i -n x r»Li'-・■ l L m ・--・■ u2Taa_ Tr・E .3言 5*riEL3 ■： □ 诅强《2V^uHijjK asY^u.Hi#.:金餉■洛 Q m-Cd ； nla'i^.■o -1 ■s* ■ssifi'm■氐 RZKZJE* zin 口 li k^lCliH- ZJ I5< 12KA51E-■皱*1.1畑 ■曲 1M7IHJ(i 也HMITII 1MM«E I 弓J3a 机巒] i« iswm Z3 IllLTWil 曲细価 •MKhxaSMi T2 EC«5«II «3dnLi4<itiLL al-vr«LL求得流向图，为了算是否为根二con( [flowdir] == 2 | [flowdir] == 8 | [flowdir] == 32 | [flowdir]==128,1.414,1)■ L4nhffi!i - ]Calnla'.i^t^H-iK I 4H■ L H tlnljr«£.E ■：Xw_n> ■I0.T ■ D.3 ■ M■-□ Cklrjlkii-Md¥d.u■，由吐.0 £Is■E HF - Q W■Zalriiilhl itfi¥d.u_ »>**. 19 ms ■1 0妙■D - s. msEim■ 2. SMEITS! - E> BEEHZ2IT ■ L VS ^22I $ - ■ M订咖祸-jEi.l]u9L53l Oft UI0I5®亠14诡碾丹 ■ H LHfiCTB -血 4LLL7MIPow(90 * [xiu] / (Cos([Slope] * 3.1415926 / 180)* 22.1),[mfac])Silk t 屈蹈 Ik- I. fl ■ In>^ilUUC ：< ■ I■i kUDUBi - i nim 拈WE 謝曲con( [slope] < 5,10.8 * Sin([slope] * 3.1415926 / 180) +0.036,con([slope] >= 10,21.9 * Sin([slope] * 3.1415926 / 180)-0.96,16.8 * Sin ([slope]* 3.1415926 / 180) - 0.5))T-U.W■ IF□Sa 4 □ 3同詁!*^W- ■血 4i*-P EJfJalii Tdw一』屮 皿亞耳 I I。
第七章 坡面地形因子提取
平面曲率示意图
平
平面和剖面曲率提取结果
（4）坡长 ：通常是指在地面上一点沿水流方向到其 流向起点间的最大地面距离在水平面上的投影长度。
L指坡长，m指地表面沿流向的水流长度，θ 指水流地 区的地面坡度值。
（5）坡位：是指坡面所处的地貌部位。例如，位于正 地形还是负地形，处于沟间地、沟坡地还是沟底地。
（3）坡形 ：坡形是指局部地表坡面的曲折状态。
宏观上坡形形态包括：直线形斜坡、凸形斜坡、凹形 斜坡、台阶形斜坡。
地面曲率因子：地面曲率是对地形表面点的扭曲变化程度的定量 化度量因子，地面曲率在垂直和水平两个方向上分量分别称为平面 曲率和剖面曲率。 平面曲率指的是地面上任一点位地表坡向的变化率，它是一个反 映等高线弯曲程度的指标。实质是对DEM进行坡向提取，而后对这 个坡向提取坡度。 剖面曲率指的是地面上任一点位地表坡度的变化率，实质是对 DEM求取两次坡度。
Di指地面某一点的地表切割深度，Hmean指一个固定 分析窗口内的平均高程，Hmin指一个固定分析窗口 内的最低高程。
地表粗糙度：是反映地表的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。
高程变异系数：是反映分析区域内地表单元格网 各顶点高程变化的指标，它以格网单元顶点的标 准差与平均高程的比值来表示。
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区域水土流失地形因子定量指标的制定
本章结束！
• L指坡长，m指地表面沿流向的水流长度， • θ指水流地区的地面坡度值。
5. 坡 位
• ������ 坡位是指坡面所处的地貌部位。 • ������ 正地形、负地形 • ������ 沟间地(沟壑区<25⁰，塬墚区<15⁰) • 沟谷地 • 沟坡地
6. 坡面复杂度因子
地表粗糙度
• ������ R = S曲面/ S水平 R = 1/cos(S)
坡面因子分类体系
DEM误差分类体系
坡面因子分类体系
提取坡面因子的基本方法
• • • • ������ ������ ������ ������ 明确各个坡面因子的数字特征 建立解译模型 研究基于DEM的提取方法 软件实现
坡面因子提取的算法基础
• ������ DEM格网数据的空间矢量表达
坡面因子提取的算法基础
地面曲率因子
• 地面曲率是对地形表面一点扭曲变化程度的定量化度量因 子，地面曲率在垂直和水平两个方向上的分量分别称为 • 平面曲率和剖面曲率
地面变率因子
• ������ • ������ 坡度变率（SOS） 坡向变率（SOA）
4. 坡 长
• 坡长通常是指在地面上一点沿水流方向到其流向 起点间的最大地面距离在水平面上的投影长度。
简化的差分公式
• fx是X方向高程变化率，fy是Y方向高程变化率
坡 向
坡向的计算
3. 坡 形
指局部地表坡面的曲折程度，宏观上讲，可分为 直线形斜坡、凸形斜坡、凹形斜坡和台阶形斜坡。 从微观角度上看， 一般可采用地面曲 率因子和地面变率 因子度量地面一点 的弯曲变化程度。
• 宏观坡形因子
(7.12)
第 7章
坡面地形因子提取
主要内容
������ ������ ������ ������ ������ 坡度、坡向 坡形 坡长 坡位 坡面复杂度因子
1. 概 述
• 地形因子是为定量表达地貌形态特征而设定 的具有一定意义的数学参数或指标。各种地 貌，不论平原、谷地、高山，都是由不同的 坡面组成。微观坡面因子反映了该地貌微观 地表单元的形态、起伏或扭曲特征，而宏观 坡面因子反映了地貌的宏观空间矢量模型的差分计算
基于空间矢量模型的差分计算
二阶差分
三阶差分
坡面因子提取常用的分析窗口
坡面因子提取常用的分析窗口
2. 坡度、坡向
坡 度
• 过地面任一点的切平 面与水平地面的夹角。 坡度表示地表面在该 点的倾斜程度，在数 值上等于过该点的地 表微分单元的法矢量 n与z轴的夹角。
地表切割深度
• ������
• • 口内的最低高程。
•
Di指地面每一点的地表切割深度，Hmean指一个固 定分析窗口内的平均高程，Hmin指一个固定分析窗
Di = Hmean − Hmin
• 高程变异系数是反映分析区域内地表单元格网各 • 顶点高程变化的指标，它以格网单元顶点的标准 • 差与平均高程的比值来表示.