DEM空間分辨率確定方法的研究進展芻議＊

蘇丹丹

DEM空間分辨率確定方法的研究進展芻議＊

蘇丹丹

（長春師范大學 地理科學學院，吉林 長春 130032）

DEM空間分辨率的選定對于研究成果的準確性會產生重要影響。如何在研究區域定量確定DEM空間分辨率，是一個非常熱門的研究課題。目前，確定研究區域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行總結、分類，發現這些方法主要集中于“借助坡面地形因子逆向推導DEM空間分辨率”和“借助河網提取參數逆向推導DEM空間分辨率”兩個方向。針對這兩個方向的研究方法，分別進行歸納、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；河網提取參數；研究方法

1 引言

DEM，即數字高程模型，是通過有限的地形高程數據實現對地形曲面的數字化模擬，或者是對地形表面形態的數字化表示，是各類地理信息的載體。在研究區域內確定DEM空間分辨率的精確程度，直接影響到提取數據的準確程度。如何準確確定研究區域的DEM空間分辨率，是研究提取地形參數、河網參數的前提與保障。多年以來，學者們對DEM空間分辨率的確定進行了大量的研究，基本可以實現從定性到定量地在指定研究區域確定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。為了推進研究工作的進行，本次研究主要是對近10余年的DEM空間分辨率確定方法進行匯總、歸納、分析，形成系統的研究分類，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。

本次研究發現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DEM空間分辨率”和“借助河網提取參數逆向推導DEM空間分辨率”兩個方向定性、定量確定DEM空間分辨率，下面將對這兩個研究方向進行二級分類研究。

2 借助坡面地形因子確定DEM空間分辨率的研究方法

坡面地形因子是數字地形分析中最基礎的內容，是為定量表達地貌形態特征而設定的具有一定意義的數學參數或指標。按照坡面地形因子的空間區域范圍，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、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、微觀與宏觀復合坡面地形因子、坡面地形因子引申因素四個方面進行研究。

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開展實驗研究[1-2]，發現平均坡度與DEM空間分辨率在200 m范圍內呈現對數函數關系，與2003年在75 m范圍內二者呈現線性函數關系的結論一致，但是將DEM分辨率由75 m延伸至200 m范圍內，證實坡度與DEM空間分辨率之間存在線性函數關系。隨著研究的深入，將坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率4個地形因子引入該項研究中[3-6]。通過運用EXCEL數據統計軟件，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個地形因子相應數據進行統計分析，分析該4個地形因子隨著DEM空間分辨率變化的規律。根據變化規律的對比，逆向選取適合于研究區域的DEM空間分辨率。但是，以上研究均為定性的規律性研究，如何進行DEM空間分辨率的定量研究是后繼的研究重點。考慮到坡度地形因子對DEM空間分辨率的確定產生主要影響，所以通過計算坡度平均誤差、中誤差、標準差、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行分析[12]，確定粗糙度與DEM空間分辨率之間的規律性關系。基于宏觀坡面地形因子進行DEM空間分辨率確定研究，只產生了定性、規律性研究結果。

2.3 基于微觀與宏觀復合坡面地形因子的DEM空間分辨率確定研究

為了提高在較大研究區域內DEM空間分辨率確定的準確性，考慮采用宏觀、微觀坡面地形因子相結合的方式，即基于微觀與宏觀復合坡面地形因子進行DEM空間分辨率的定性、定量研究。應用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個坡面地形因子在不同DEM空間分辨率時的變化趨勢，從而定性地確定較大的研究區域內最適宜的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

為了實現在較大研究區域內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、地形紋理特征、地形濕度指數、信息?等[16]。白峰實驗證實最優地形分類數與DEM空間分辨率密切相關[17]；黃驍力等以25 m空間分辨率為基礎，構建多尺度的地面坡度、光照模擬和粗糙度數據序列，引入空間灰度共生矩陣對地形表面紋理特征進行量化分析，揭示地形紋理參數和最適宜的DEM空間分辨率之間的定性關系[18]；蔣婷等應用ARCGIS的地圖代數中的柵格計算器提取不同DEM空間分辨率的地形濕度指數，通過分區統計地形起伏度和變異系數，定性研究DEM空間分辨率與地形濕度指數之間的關系[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律研究的基礎上，利用信息熵公式進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 借助河網提取參數確定DEM空間分辨率的研究方法

借助河網提取參數確定DEM空間分辨率的研究方法，可以分為定性、規律性研究和定量研究兩類。

3.1 借助河網提取參數確定DEM空間分辨率的定性研究法

借助河網提取參數確定DEM空間分辨率的定性研究方法，主要是通過研究DEM空間分辨率與河網提取參數之間的定性的、規律性的研究，近似地推斷適合研究區域的DEM空間分辨率。

林聲盼等對DEM空間分辨率與流域面積、河網位置、流域邊界、河網線長、最長河長之間的關系進行研究，發現DEM空間分辨率增大，對流域面積、河網位置沒有明顯影響，但對流域邊界、河網線長都有影響，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系進行研究，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、小流域徑流量產生誤差降低，DEM空間分辨率降低，模擬徑流量大小實測徑流量，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空間分辨率與河網提取參數之間的關系進行研究，應用EXCEL進行統計分析，發現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、河網密度以及河道分級影響較大。

3.2 借助河網提取參數確定DEM空間分辨率的定量研究法

借助河網提取參數確定DEM空間分辨率的定量研究方法，主要是通過研究DEM空間分辨率與河網提取參數之間的函數關系研究，計算研究區域的最適宜DEM空間分辨率。陳俊明等發現DEM空間分辨率與河道總長度、集水面積閾值之間滿足復合函數表達式，利用數學原理，分析、計算最適宜DEM空間分辨率和集水面積閾值[24]。高超等發現計算柵格面積與流域面積比值小于0.05時“thousandmillion”經驗公式可用于定量確定DEM空間分辨率[25]。王婷婷等發現DEM空間分辨率與河流裂點個數之間存在冪函數關系，裂點個數隨著DEM空間分辨率降低而減少，符合冪函數遞減規律[26]。王汝蘭等基于DEM數據、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、主河道分段數量與DEM空間分辨率之間的關系，從而計算平均河流比降的最適宜DEM空間分辨率[27]。

4 小結

本次研究是針對近10余年的DEM空間分辨率確定方法進行匯總、整理，發現這些方法主要集中于借助坡面地形因子逆向推導DEM空間分辨率和借助河網提取參數逆向推導DEM空間分辨率兩個研究方向來定性、定量地確定研究區域內最適宜的DEM空間分辨率。為了更好地剖析這兩個研究方法的研究最新進展，將借助坡面地形因子逆向推導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方面進行研究進展芻議，充分地展現了該研究方向從定性到定量確定DEM空間分辨率的研究進程。另外，將借助河網提取參數確定DEM空間分辨率的研究方法分成借助河網提取參數確定DEM空間分辨率的定性研究方法和借助河網提取參數確定DEM空間分辨率的定量研究方法兩類，從研究DEM空間分辨率與河網提取參數之間的定性的、規律性的研究，定性地推斷適合研究區域的DEM空間分辨率逐漸向研究DEM空間分辨率與河網提取參數之間的函數關系研究，計算研究區域的最適宜DEM空間分辨率，定量地確定適合研究區域的DEM空間分辨率轉變。可見，本次研究針對這兩個方向的研究方法分別進行歸納、對比闡述，充分體現了近10余年間該研究領域的研究最新進展，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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P237

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.025

2095－6835（2019）17－0058－03

蘇丹丹（1980—），吉林大學地球探測科學與技術學院地球探測與信息技術博士，長春師范大學地理科學學院副教授。

吉林省教育廳“十三五”科學技術項目“自適應復合地形的水系提取及偏移量控制算法研究”（合同編號：JJKH20181183KJ）；吉林省高等教育學會2018年高教科研一般課題“基于SOI模式的城鄉規劃-地理信息科學跨學科復合型人才培養路徑研究與實踐”（課題編號：JGJX2018D33）

〔編輯：王霞〕