融合重力模拟机制和地表几何形态的DEM地形分析矢量方法研究

In view of the existing problems in Digital Terrain Analysis (DTA)which contains the dependence of data structure, scale and interpretation algorithms and the sensitivity of elevation error, this research intends to establish evaluation index system which combines qualitative and quantitative description to do in-depth analysis of errors and its propagation mechanism of interpretation algorithm of DTA. Furthermore, the study integrates grid DEM and contour with consideration of both local fidelity and global efficient to focus on a list of novel interpretation algorithms that integrated of gravity simulation mechanism and terrain geometric form, and to discuss the basic elements and the response mechanism to its results. Finally, the theoretical system of vector method of DTA will be constructed.Not only can this method be applied to grid DEM, it can also be applied to TIN and contour, which are three of the most common data structures. The method is able to accurately calculate and express terrain parameters that are suitable for vector structure. And it also retains the mechanism of gravity simulation and utilize the contour in description of terrain surface. So it is a promising method because of its weak dependence of DEM scale and low sensitivity of elevation error. This method will push the design of interpretation algorithms in DTA from gravity simulation of terrain parameters to the new level of integration of gravity simulation mechanism and terrain geometric form. It's a beneficial research on DTA, and will make contribution to the promotion of the method and its accuracy as well.

针对DEM地形分析方法的结构依赖性、尺度依赖性、算法依赖性和高程敏感性等问题，本研究拟建立定性与定量描述相结合的指标体系，深入剖析地形分析解译算法的误差及其传播机理，在兼顾局部保真、全局高效的原则下，解决格网DEM和等高线的有机耦合问题，研究融合地形参数的重力模拟机制和地形表面的几何形态特征的新型DEM解译算法，讨论该方法的基本要素及其与结果间的响应机制，构建DEM地形分析矢量方法的理论体系。该方法通用于常用的DEM数据结构，能够准确计算出大部分的地形参数，能更准确地表达了适于以矢量结构描述的地形参数，在保留格网DEM的重力模拟机制的同时，较好地运用了等高线对地形几何形态的描述，具有一定的弱尺度依赖性和低误差敏感性。该方法将数字地形分析的算法设计由地形参数的重力模拟推向地形参数的重力模拟与地形曲面的几何形态结合的层面，是数字地形分析研究的有益探索，提升DEM地形分析方法的通用性和准确性。

数字地形分析（Digital Terrain Analysis，DTA）是基于数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）进行地形参数计算和形态特征提取的理论与方法，是空间数据挖掘和模拟的基础技术之一，其分析结果通常为后续的地学分析、水文模型和应用等的重要参数。而大量的研究和实验分析已表明：以格网DEM为主要数据源的数字地形分析算法，其结果受限于DEM的结构、尺度和高程精度，并不能给出与实际地形相符的分析结果。.DEM的三种数据类型中格网DEM结构简单易于获取，是最常用的形式，等高线的地形分析结果与实际最相符。本课题结合二者的优势，提出一种新的地形分析理论和方法体系，称之为矢量数字地形分析。这一思路首要解决的是分析格网DEM内插所得等高线能否保留地形形态，因此课题首先构建了误差传播模型和误差带模型，定量、可视化分析了内插算法的误差传播。之后讨论了矢量地形分析设计中的基本问题，如采用的内插算法、邻域窗口尺寸、等高线方向的计算，构建了该方法的理论体系。通过梳理地形参数和水文因子的关系，分析出坡度、坡向是数字地形分析中最基本的参数，然后遵循坡向与等高线之间的协同关系，设计并实现了坡度、坡向计算算法，并采用数据独立的误差分析方法对该算法与现有算法进行对比。实验结果表明：该算法能得到准确的坡度、坡向；对DEM的分辨率和高程误差的敏感性较弱。在此基础上，提出了基于局部等高线形态判断的山顶点提取算法；依据区域水文参数的定义，设计了流径提取和坡长计算算法，以及上游汇水面积计算算法。.本研究完善了DEM及DTA的误差分析体系，并提出了地形分析的矢量方法，该方法既保留了格网DEM结构（重力模拟机制）的特点，又能利用等高线（地表几何形态）在地形分析中的优势，完成了大多数的地形参数及水文因子计算，且能够用于目前常用的三种DEM数据结构，有效解决了现有DTA中结构依赖、尺度依赖和误差敏感等问题，提高了DTA的准确性和可靠性，该方法为数据的压缩、尺度效应的削弱及其他相关研究提供了思路。