蘇丹丹

DEM空間分辨率確定方法的研究進(jìn)展芻議＊

蘇丹丹

（長春師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130032）

DEM空間分辨率的選定對于研究成果的準(zhǔn)確性會產(chǎn)生重要影響。如何在研究區(qū)域定量確定DEM空間分辨率，是一個(gè)非常熱門的研究課題。目前，確定研究區(qū)域DEM空間分辨率的方法很多，本次研究對這些確定DEM空間分辨率的方法進(jìn)行總結(jié)、分類，發(fā)現(xiàn)這些方法主要集中于“借助坡面地形因子逆向推導(dǎo)DEM空間分辨率”和“借助河網(wǎng)提取參數(shù)逆向推導(dǎo)DEM空間分辨率”兩個(gè)方向。針對這兩個(gè)方向的研究方法，分別進(jìn)行歸納、對比闡述，為以后最佳DEM空間分辨率定量確定研究提供參考。

DEM空間分辨率；地形因子；河網(wǎng)提取參數(shù)；研究方法

1 引言

DEM，即數(shù)字高程模型，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對地形曲面的數(shù)字化模擬，或者是對地形表面形態(tài)的數(shù)字化表示，是各類地理信息的載體。在研究區(qū)域內(nèi)確定DEM空間分辨率的精確程度，直接影響到提取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。如何準(zhǔn)確確定研究區(qū)域的DEM空間分辨率，是研究提取地形參數(shù)、河網(wǎng)參數(shù)的前提與保障。多年以來，學(xué)者們對DEM空間分辨率的確定進(jìn)行了大量的研究，基本可以實(shí)現(xiàn)從定性到定量地在指定研究區(qū)域確定DEM空間分辨率。但是，如何保障DEM空間分辨率的確定方法具有通用性、最適宜性，還將是以后該類研究的重點(diǎn)。為了推進(jìn)研究工作的進(jìn)行，本次研究主要是對近10余年的DEM空間分辨率確定方法進(jìn)行匯總、歸納、分析，形成系統(tǒng)的研究分類，為以后具有通用性的最佳DEM空間分辨率定量確定研究提供參考。

本次研究發(fā)現(xiàn)DEM空間分辨率確定的研究方法主要集中于“借助坡面地形因子逆向推導(dǎo)DEM空間分辨率”和“借助河網(wǎng)提取參數(shù)逆向推導(dǎo)DEM空間分辨率”兩個(gè)方向定性、定量確定DEM空間分辨率，下面將對這兩個(gè)研究方向進(jìn)行二級分類研究。

2 借助坡面地形因子確定DEM空間分辨率的研究方法

坡面地形因子是數(shù)字地形分析中最基礎(chǔ)的內(nèi)容，是為定量表達(dá)地貌形態(tài)特征而設(shè)定的具有一定意義的數(shù)學(xué)參數(shù)或指標(biāo)。按照坡面地形因子的空間區(qū)域范圍，可將地形因子分為微觀地形因子和宏觀地形因子。微觀坡面地形因子主要有坡度、坡向、坡度變率、坡向變率、平面曲率、剖面曲率、坡長，宏觀坡面地形因子主要有坡形因子、地形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度。

DEM空間分辨率定量確定的研究方法主要圍繞基于微觀坡面地形因子、宏觀坡面地形因子、微觀與宏觀復(fù)合坡面地形因子、坡面地形因子引申因素四個(gè)方面進(jìn)行研究。

2.1 基于微觀坡面地形因子的DEM空間分辨率確定研究

基于微觀坡面地形因子進(jìn)行DEM空間分辨率定量確定研究，坡度地形因子是不可或缺的重要影響因子之一。2011年在黃土丘陵溝壑區(qū)開展實(shí)驗(yàn)研究[1-2]，發(fā)現(xiàn)平均坡度與DEM空間分辨率在200 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關(guān)系，與2003年在75 m范圍內(nèi)二者呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系的結(jié)論一致，但是將DEM分辨率由75 m延伸至200 m范圍內(nèi)，證實(shí)坡度與DEM空間分辨率之間存在線性函數(shù)關(guān)系。隨著研究的深入，將坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率4個(gè)地形因子引入該項(xiàng)研究中[3-6]。通過運(yùn)用EXCEL數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件，采用對比分析法和圖表法將不同DEM空間分辨率提取的坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率4個(gè)地形因子相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析該4個(gè)地形因子隨著DEM空間分辨率變化的規(guī)律。根據(jù)變化規(guī)律的對比，逆向選取適合于研究區(qū)域的DEM空間分辨率。但是，以上研究均為定性的規(guī)律性研究，如何進(jìn)行DEM空間分辨率的定量研究是后繼的研究重點(diǎn)。考慮到坡度地形因子對DEM空間分辨率的確定產(chǎn)生主要影響，所以通過計(jì)算坡度平均誤差、中誤差、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根，開始定量選取最佳DEM空間分辨率的建立方法[7-11]。以上僅為基于微觀坡面地形因子從定性到定量確定DEM空間分辨率的研究方法。

2.2 基于宏觀坡面地形因子的DEM空間分辨率確定研究

基于宏觀坡面地形因子進(jìn)行DEM空間分辨率確定研究，粗糙度地形因子起到了非常重要的作用。唐慶等對瀘州市不同DEM空間分辨率下的粗糙度進(jìn)行分析[12]，確定粗糙度與DEM空間分辨率之間的規(guī)律性關(guān)系?；诤暧^坡面地形因子進(jìn)行DEM空間分辨率確定研究，只產(chǎn)生了定性、規(guī)律性研究結(jié)果。

2.3 基于微觀與宏觀復(fù)合坡面地形因子的DEM空間分辨率確定研究

為了提高在較大研究區(qū)域內(nèi)DEM空間分辨率確定的準(zhǔn)確性，考慮采用宏觀、微觀坡面地形因子相結(jié)合的方式，即基于微觀與宏觀復(fù)合坡面地形因子進(jìn)行DEM空間分辨率的定性、定量研究。應(yīng)用ARCGIS軟件，基于不同DEM空間分辨率提取微觀坡面地形因子坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率以及宏觀坡面地形因子粗糙度，分析這5個(gè)坡面地形因子在不同DEM空間分辨率時(shí)的變化趨勢，從而定性地確定較大的研究區(qū)域內(nèi)最適宜的DEM空間分辨率[13-15]。

2.4 基于坡面地形因子引申因素的DEM空間分辨率定量確定研究

為了實(shí)現(xiàn)在較大研究區(qū)域內(nèi)DEM空間分辨率的定量確定，在研究中還引入坡面地形因子引申因素，如地形分類數(shù)、地形紋理特征、地形濕度指數(shù)、信息?等[16]。白峰實(shí)驗(yàn)證實(shí)最優(yōu)地形分類數(shù)與DEM空間分辨率密切相關(guān)[17]；黃驍力等以25 m空間分辨率為基礎(chǔ)，構(gòu)建多尺度的地面坡度、光照模擬和粗糙度數(shù)據(jù)序列，引入空間灰度共生矩陣對地形表面紋理特征進(jìn)行量化分析，揭示地形紋理參數(shù)和最適宜的DEM空間分辨率之間的定性關(guān)系[18]；蔣婷等應(yīng)用ARCGIS的地圖代數(shù)中的柵格計(jì)算器提取不同DEM空間分辨率的地形濕度指數(shù)，通過分區(qū)統(tǒng)計(jì)地形起伏度和變異系數(shù)，定性研究DEM空間分辨率與地形濕度指數(shù)之間的關(guān)系[19]；劉娜等提出在坡度、坡向、剖面曲率與DEM空間分辨率之間變化規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，利用信息熵公式進(jìn)行不同空間分辨率的DEM高程熵分析，得到高程熵隨DEM空間分辨率的變化折線圖，接近定量地判定最適宜DEM空間分辨率。

3 借助河網(wǎng)提取參數(shù)確定DEM空間分辨率的研究方法

借助河網(wǎng)提取參數(shù)確定DEM空間分辨率的研究方法，可以分為定性、規(guī)律性研究和定量研究兩類。

3.1 借助河網(wǎng)提取參數(shù)確定DEM空間分辨率的定性研究法

借助河網(wǎng)提取參數(shù)確定DEM空間分辨率的定性研究方法，主要是通過研究DEM空間分辨率與河網(wǎng)提取參數(shù)之間的定性的、規(guī)律性的研究，近似地推斷適合研究區(qū)域的DEM空間分辨率。

林聲盼等對DEM空間分辨率與流域面積、河網(wǎng)位置、流域邊界、河網(wǎng)線長、最長河長之間的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)DEM空間分辨率增大，對流域面積、河網(wǎng)位置沒有明顯影響，但對流域邊界、河網(wǎng)線長都有影響，最長河長可能變長或變短[20]。田智慧等對小流域徑流模擬與DEM空間分辨率之間的關(guān)系進(jìn)行研究，隨著DEM空間分辨率降低，流域面積減小、最長河道長度變短；DEM空間分辨率增大、小流域徑流量產(chǎn)生誤差降低，DEM空間分辨率降低，模擬徑流量大小實(shí)測徑流量，徑流量的峰值和谷值均化，誤差變大[21]。薩出拉等[22]、徐珍等[23]利用ARCGIS水文分析工具，對DEM空間分辨率與河網(wǎng)提取參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，應(yīng)用EXCEL進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)DEM空間分辨率對小流域面積、流域高程、流域坡向影響較小，而對坡度、河道長度、河網(wǎng)密度以及河道分級影響較大。

3.2 借助河網(wǎng)提取參數(shù)確定DEM空間分辨率的定量研究法

借助河網(wǎng)提取參數(shù)確定DEM空間分辨率的定量研究方法，主要是通過研究DEM空間分辨率與河網(wǎng)提取參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系研究，計(jì)算研究區(qū)域的最適宜DEM空間分辨率。陳俊明等發(fā)現(xiàn)DEM空間分辨率與河道總長度、集水面積閾值之間滿足復(fù)合函數(shù)表達(dá)式，利用數(shù)學(xué)原理，分析、計(jì)算最適宜DEM空間分辨率和集水面積閾值[24]。高超等發(fā)現(xiàn)計(jì)算柵格面積與流域面積比值小于0.05時(shí)“thousandmillion”經(jīng)驗(yàn)公式可用于定量確定DEM空間分辨率[25]。王婷婷等發(fā)現(xiàn)DEM空間分辨率與河流裂點(diǎn)個(gè)數(shù)之間存在冪函數(shù)關(guān)系，裂點(diǎn)個(gè)數(shù)隨著DEM空間分辨率降低而減少，符合冪函數(shù)遞減規(guī)律[26]。王汝蘭等基于DEM數(shù)據(jù)、利用水文分析原理，將主河道作為研究主要因子，定量分析河流比降與集水面積閾值、主河道分段數(shù)量與DEM空間分辨率之間的關(guān)系，從而計(jì)算平均河流比降的最適宜DEM空間分辨率[27]。

4 小結(jié)

本次研究是針對近10余年的DEM空間分辨率確定方法進(jìn)行匯總、整理，發(fā)現(xiàn)這些方法主要集中于借助坡面地形因子逆向推導(dǎo)DEM空間分辨率和借助河網(wǎng)提取參數(shù)逆向推導(dǎo)DEM空間分辨率兩個(gè)研究方向來定性、定量地確定研究區(qū)域內(nèi)最適宜的DEM空間分辨率。為了更好地剖析這兩個(gè)研究方法的研究最新進(jìn)展，將借助坡面地形因子逆向推導(dǎo)DEM空間分辨率分別從基于微觀坡面地形因子的DEM空間分辨率確定研究、基于宏觀坡面地形因子的DEM空間分辨率確定研究、基于微觀與宏觀復(fù)合坡面地形因子的DEM空間分辨率確定研究、基于坡面地形因子引申因素的DEM空間分辨率定量確定研究四個(gè)方面進(jìn)行研究進(jìn)展芻議，充分地展現(xiàn)了該研究方向從定性到定量確定DEM空間分辨率的研究進(jìn)程。另外，將借助河網(wǎng)提取參數(shù)確定DEM空間分辨率的研究方法分成借助河網(wǎng)提取參數(shù)確定DEM空間分辨率的定性研究方法和借助河網(wǎng)提取參數(shù)確定DEM空間分辨率的定量研究方法兩類，從研究DEM空間分辨率與河網(wǎng)提取參數(shù)之間的定性的、規(guī)律性的研究，定性地推斷適合研究區(qū)域的DEM空間分辨率逐漸向研究DEM空間分辨率與河網(wǎng)提取參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系研究，計(jì)算研究區(qū)域的最適宜DEM空間分辨率，定量地確定適合研究區(qū)域的DEM空間分辨率轉(zhuǎn)變。可見，本次研究針對這兩個(gè)方向的研究方法分別進(jìn)行歸納、對比闡述，充分體現(xiàn)了近10余年間該研究領(lǐng)域的研究最新進(jìn)展，為以后最佳DEM空間分辨率定量確定研究提供有力的參考。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.025

2095－6835（2019）17－0058－03

蘇丹丹（1980—），吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院地球探測與信息技術(shù)博士，長春師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院副教授。

吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目“自適應(yīng)復(fù)合地形的水系提取及偏移量控制算法研究”（合同編號：JJKH20181183KJ）；吉林省高等教育學(xué)會2018年高教科研一般課題“基于SOI模式的城鄉(xiāng)規(guī)劃-地理信息科學(xué)跨學(xué)科復(fù)合型人才培養(yǎng)路徑研究與實(shí)踐”（課題編號：JGJX2018D33）

〔編輯：王霞〕