不同比例尺地形图对沂蒙山区典型小流域坡面地形因子提取的影响开题报告

1. 研究目的与意义

水土流失，不仅使土地生产力下降、水土资源流失，还通过剥蚀、搬运土壤，破坏土壤结构、减少土壤养分，导致土地资源的减少和退化，造成河流湖泊的泥沙淤积，加剧洪涝、干旱等灾害发生，成为危及人类生存与发展的重要环境问题之一。因此必须对土壤侵蚀进行有效的防治，并作出合理、精确的预报。

日常生活和工作中，在巨大的数据量中寻找有意义的信息非常困难，因此比较不同比例尺的dem提取的信息量就变得尤为重要。但是过于详细的数据不但使得数据的处理速度下降，成为计算的累赘，还有可能为应用引入不必要的信息，导致结果的不确定性增大。因此针对不同空间分辨率的dem提取的地形信息量的比较分析对地形方面的研究工作具有很大的作用。

地形因子是影响土壤侵蚀和水土保持措施布设的主要地形参数，主要包括坡度、坡长、坡向、坡位、坡形等方面，地形因子的空间分布和组合会改变光、热、水、土壤、植被等分布，影响水土流失的发生和发展。本课题基于arcgis平台，以山东省沂水县夏蔚小流域为例，以1：1万dem中的数据为真实值，用1:5万dem数据进行对比，在众多地形因子内选取地面坡度、坡长、坡向、剖面曲率和平面曲率5个因子作为研究对象，分析不同比例尺和分辨率dem对地形因子的影响。基于不同比例尺和不同栅格空间分辨率的数字高程模型，提取地形信息，进行结果统计和比较分析。探索不同比例尺地形图对不同面积小流域地形因子提取的影响，为水土流失预测模型运算提供技术支撑。

2. 国内外研究现状分析

1.国外研究状况：

数字高程模型(dem)是区域地面高程的数学表示,是地理信息系统中进行地形分析的核心数据系统。具有十分广泛的使用与应用。一直以来,针对地形因子的提取是受到不同比例尺地形图的影响以及地形信息如何随着dem分辨率的变化而变化的问题,国外的众多学者对此展开了研究。上世纪50年代，继数字地面模型（digitalterrainmodels，简称dtm）提出不久，数字地形分析(digitalterrainanalysis，简称dta)是在dem上进行地形属性计算与地形信息提取的数字信息处理技术。由miller于1958年首次提出数字高程模型（digitalelevationmodel，简称dem）的概念。此后，数字高程模型在20世纪60年代初得到了越来越多的重视，发展非常迅速。当时数字高程模型多局限于水利土木工程和地图测绘中的应用，由于只是为了某些特定的应用而建立，所以没有形成标准产品。从60年代中期开始，随着gis在各国的迅速发展，数字高程模型作为标准的地理信息产品开始大规模生产，为gis进行空间分析和辅助决策提供充实而便于操作的数据基础。数字高程模型是一个具有光谱特征的连续的栅格图像数据，在坡度分析，坡向分折、高程分带，地形阴影，地形校正处理、栅格等高线、视域分析、高度转换等地形分析中，都是dem为基础进行的，是地理数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统。

水土流失按其研究尺度划分，可以分为坡面、小流域和区域三大类。目前，国内外关于水土流失的地形因子的研究基本都是基于坡面和小流域的。一些地形因子可以基于dem求取。前人从不同角度进行地形因子方面的研究表明：地形因子的求取可以有多种算法、方法。

3. 研究的基本内容与计划

本课题以山东省沂水县夏蔚小流域为研究对象，基于arcgis平台，探索1：1万和1：5万比例尺地形图对不同面积小流域地形因子提取的影响，在实验样区内，以1：1万dem和1：5万dem为研究对象，采取比较分析法、空间分析法以及数理统计法等方法，提取地形因子和地貌特征等指数，研究不同比例尺地形图对地表形态特征的描述精度。对于提取的各种数据，运用excel软件进行计算、绘图以及表格制作。利用窗口分析法在处理栅格dem数据的独特优势，分析坡面因子的数据的特征，利用窗口分析完成对地形因子参数的差分计算和统计计算。统计方法有：图示法，标量法和向量法等。最后，对于不同分辨率dem对地形因子产生的影响：以地形因子为研究对象，对于提取的因子信息，采用统计分析法，比较当dem分辨率变化时，地形因子的提取结果，从而分析得出不同分辨率dem对地形因子的影响。研究表明，随着dem分辨率的增大，dem对地形的概括度就越高。因此，可以根据实际应用的需要，选择合适的dem分辨率。

研究所采用的1∶1万dem数据成于1∶1万比例尺地形图,数据的水平栅格分辨率为5m5m,这样的高精度数据能够比较真实的反映不同地貌类型区的地形特征,利于精确提取地形信息和比较区域之间的差异和分布规律。通过计算1:5万比例尺dem的坡面地形信息，与真值进行对比。1∶5万dem数据的水平栅格分辨率为25m25m。

不同的地形因子从不同侧面反映了地形特征。本研究选取坡度、坡向、坡长、平面曲率和剖面曲率这5个在arcgis中可直接提取的地形因子作为分析因子,其理论意义和作用为:①坡度(slope)：地表面任一点的坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角,表示地表面在在该点的倾斜程度,是描述地表形态和获取其他地形因子的重要基础数据。坡度的变化会引起一系列的相关变化,研究不同分辨率dem中坡度的变化可反映dem的可信度坡度。②坡向(aspect)：坡向指地表面上一点的切平面的法线矢量在水平面投影与过该点正北方向的夹角。对地面任何一点来说,坡向表征了该点高程值改变量的最大变化方向,不但直接影响地面对太阳辐射的再分配和地面径流的流向,而且是坡向变率以至山脊、山谷线提取的信息基础。③坡长（slopelength）：通常是指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。④平面曲率(plancurve)：平面曲率描述的是地表曲面沿水平方向的弯曲、变化情况,即该点所在的地面等高线的弯曲程度。平面曲率的大小决定坡面水平方向的坡形变化,对区域地形有很好的指示意义,可清晰地表示出地性线,如沟底线和山脊线等。⑤剖面曲率(profile-curve)：剖面曲率可说明地表曲面在垂直方向的弯曲变化情况,反映地面的复杂程度。地面剖面曲率是影响垂直方向坡形变化的主要因子,对区域地形有很好的指示意义,也是反映地形起伏变化特征的重要指标之一。

4. 研究创新点

DEM数据不仅直接用于各种地形因子的自动提取，而且可以与有关信息进行复合，研究地形因子与其他要素之间的相关关系。ArcGISOnline、ArcGISforServer等诸多新功能的开发与应用，将更有利于研究人员的工作，也为广大普通人提供了更方便的技术支持。并且使得ArcGIS在网络用户的信息发布于共享得到了更大的平台。