DEM地貌特征分析在“地質信息處理”課程中的應用

□肖清華 晏 涵

DEM地貌特征分析在“地質信息處理”課程中的應用

□肖清華 晏 涵

數(shù)字高程模型（DEM）是地形特征空間分布的數(shù)字定量模型，其最常見的數(shù)據(jù)表示模型為規(guī)則格網GRD模型和不規(guī)則三角網TIN模型。在“地質信息處理”課程中引入數(shù)字高程模型，以任務驅動的教學模式組織實施，進行地形地貌的特征分析，繪制彩色等值立體圖以及坡向圖，增強了學生地質地貌信息提取與分析的能力。

DEM；地貌特征分析；課程

一、數(shù)字高程模型（DEM）

1.DTM和DEM

數(shù)字地形模型（DTM，Digital Terrain Model）最初是為了高速公路的自動設計提出的。此后，它被用于各種線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設計以及各種工程的面積、體積、坡度計算，任意兩點間的通視判斷及任意斷面圖繪制。

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），簡稱DEM，是以數(shù)字的形式按一定的結構組織在一起，表示實際地形特征空間分布的數(shù)字定量模型。最基本的DEM模型是由一系列地面點的x，y坐標及與之相對應的高程z所組成，用數(shù)學函數(shù)式表達為：z=f（x，y）。從數(shù)學的角度，高程模型是高程z關于平面坐標x，y兩個自變量的連續(xù)函數(shù)，數(shù)字高程模型（DEM）只是它的一個有限的離散表示。

2.DEM數(shù)據(jù)采集方法

DEM的最主要的數(shù)據(jù)采集方法有：地面測量，利用測距經緯儀在野外實測；地形圖數(shù)字化；GPS結合雷達等進行數(shù)據(jù)采集；數(shù)字攝影測量方法等。

3.DEM數(shù)據(jù)表示模型

在地理信息系統(tǒng)中，DEM最主要的有3種表示模型：等高線模型、規(guī)則格網GRD模型、不規(guī)則三角網TIN模型。

等高線模型，每一條等高線對應一個已知的高程值，一系列的等高線集合和它們的高程值一起就構成了一種地面高程模型。

GRD模型，建立在網格化數(shù)據(jù)上的高程模型，每個網格單元對應一個高程值。規(guī)則網格，其優(yōu)勢是很容易進行疊加數(shù)據(jù)計算，提取等高線、坡度坡向等地形因子；缺點是不能準確地表現(xiàn)地形細節(jié)，難以反映復雜地形的高程突變，且有時數(shù)據(jù)量過大。

TIN模型，將原始數(shù)據(jù)劃分成彼此相連的三角面網絡，能夠避免平原地區(qū)的數(shù)據(jù)冗余，又能夠充分表現(xiàn)地形特征點。

二、在“地質信息處理”課程中引入數(shù)字高程模型（DEM）

“地質信息處理”是地質調查與礦產普查專業(yè)的重要職業(yè)技能課。是在計算機應用基礎上進行教學的，同時也為學習遙感地質分析、固體礦產勘查服務，應用MapGIS軟件將地貌信息、礦產信息、地質圖件、表格等資料進行計算處理，得出相關的數(shù)據(jù)信息，為地貌特征分析、地質找礦等提供依據(jù)，并繪制各種地質圖件。

1.“地質信息處理”課程內容構成

本課程實踐性極強，其中一半學時用多媒體進行理論、操作講解，另一半學時提供給學生進行上機實訓。“地質信息處理”課程主要內容有兩個：一是地質圖件的繪制；二是地質地貌信息的提取分析。課程總學時64，地質圖件的繪制（48學時）：含新建工程、線編輯、點編輯、區(qū)編輯、拓撲造區(qū)、矢量化流程、工程裁剪、用戶文件投影、標準圖框生成等9個任務；地質地貌信息的提取分析（16學時）：含屬性數(shù)據(jù)輸出、數(shù)字高程模型（DEM）地貌特征分析、化探數(shù)據(jù)處理、空間分析與屬性分析等4個任務（見表1）。

2.引入數(shù)字高程模型（DEM）意義

“地質信息處理”課程核心能力是地質圖件繪制能力與地質地貌信息提取分析能力。而數(shù)字高程模型（DEM）在地貌特征分析中有其獨特的優(yōu)勢。

隨著現(xiàn)代信息技術的不斷發(fā)展，數(shù)字高程模型（DEM）理論及相關分析技術得到地學工作者的廣泛關注，國際上已將其作為一種常規(guī)的地形地貌研究手段和工具。在與地學相關的科學研究中，數(shù)字高程模型（DEM）可以為各種地學模型提供地形參數(shù)并輔助地學模型的建立。應用研究中，數(shù)字高程模型（DEM）使人們可以直觀地觀察地形地貌，比傳統(tǒng)的地形等值線圖更加精細地研究地形數(shù)據(jù)結構。與此同時，地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感（RS）技術的迅速發(fā)展為DEM數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及地學分析等工作提供了強有力的技術支撐，為研究地貌開辟了新的途徑，使原有的地質地貌研究由定性進入半定量和定量化階段。

3.課程組織實施：任務驅動

任務驅動是一種建立在建構主義教學理論基礎上的教學模式。以任務為主線、以教師為主導、以學生為主體是其基本特征。在教學過程中，教師把要教學內容設計成一個或多個具體任務，將要傳授的知識點蘊含于任務之中，并創(chuàng)設一定的情境將任務布置給學生，學生則要對任務進行分析、討論，在教師的指導下通過各種途徑完成任務。其顯著特征表現(xiàn)在：教師的教學與學生的學習圍繞一個目標，在強烈的問題驅動下，學生進行自主探索和互動協(xié)作的學習，在完成既定任務的同時產生新任務的一種學習實踐活動。

本課程在組織實施中，每個任務按照“創(chuàng)設情境、設定任務”“儲備知識、分析任務”“協(xié)同合作、實施任務”“評價考核、展示任務”4個流程來實施。

表1 “地質信息處理”課程內容構成

三、基于數(shù)字高程模型（DEM）地貌特征分析的課程應用

在基于數(shù)字高程模型（DEM）的地形分析研究中，地形因子分析是其中最為基礎的內容。地形因子是為有效地研究與表達地貌形態(tài)特征所設定的具有一定意義的指標，它是實現(xiàn)地貌定量化研究的有效手段。

按照地形因子所描述的空間區(qū)域范圍，可以將地形因子劃分為微觀地形因子與宏觀地形因子兩種基本類型。常用的微觀地形因子主要有：坡度、坡向、坡長、平面曲率、剖面曲率等。它們所描述的是一個微分點單元的信息，其量值的大小一般只受所在點高程以及微小領域范圍內高程信息的影響。常用的宏觀地形因子主要有：地形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度等。宏觀地形因子描述的一般是一個區(qū)域，它的量值不僅僅只受所在點高程的影響，并且還與分析窗口內的所有高程點信息密切相關。

在基于數(shù)字高程模型（DEM）地貌特征分析的課程應用中，選取兩個小任務進行教學，分別是：彩色等值立體圖的繪制、坡向圖的繪制。

彩色等值立體圖以及坡向圖的繪制簡要步驟（以MapGIS6.7為例）：利用“輸入編輯”模塊中的等高線自動賦值，對等高線文件賦予高程值；系統(tǒng)主界面“空間分析”菜單下的“DTM分析”，打開數(shù)據(jù)文件；提取高程點，離散數(shù)據(jù)網格化，建立GRD模型，保存生成的GRD數(shù)據(jù)；設置彩色等值立體圖參數(shù)，繪制彩色等值立體圖。在GRD數(shù)據(jù)基礎之上，繪制格網坡向圖。

[1]鄔倫，劉瑜等.地理信息系統(tǒng)原理、方法和應用[M].北京:科學出版社,2001.

[2]吳信才.MapGIS地理信息系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[3]高小紅,孟亮.基于“任務驅動”的“服裝結構設計”課程項目教學實踐[J].職業(yè)教育研究,2008,(11):119-120.

[4]程新華.任務驅動教學法與項目教學法辨析[J].黃岡職業(yè)技術學院學報,2009,(1):33-34.

[5]張嬌嬌.“任務驅動”合作學習在中職財經法規(guī)教學中的應用[J].職教通訊,2015,(12):62-64.

[6]湯國安,劉學軍,閭國年.數(shù)字高程模型及地學分析的原理與方法[M].北京:科學出版社,2005.

（編輯：秦俊嫄）

本文系湖南省教育廳科學研究項目“基于DEM 崀的湖南 山丹霞地貌特征研究”（編號：14C0299）的研究成果。

G712

A

1671-0568（2016）20-0048-02

肖清華，湖南工程職業(yè)技術學院講師。研究方向：地質地貌與地質找礦；晏涵，湖南工程職業(yè)技術學院國土資源調查專業(yè)講師。