DEM空间分辨率确定方法的研究进展刍议＊

2019-11-30苏丹丹

科技与创新 2019年17期

苏丹丹

苏丹丹

（长春师范大学地理科学学院，吉林长春 130032）

DEM空间分辨率的选定对于研究成果的准确性会产生重要影响。如何在研究区域定量确定DEM空间分辨率，是一个非常热门的研究课题。目前，确定研究区域DEM空间分辨率的方法很多，本次研究对这些确定DEM空间分辨率的方法进行总结、分类，发现这些方法主要集中于“借助坡面地形因子逆向推导DEM空间分辨率”和“借助河网提取参数逆向推导DEM空间分辨率”两个方向。针对这两个方向的研究方法，分别进行归纳、对比阐述，为以后最佳DEM空间分辨率定量确定研究提供参考。

DEM空间分辨率；地形因子；河网提取参数；研究方法

1 引言

DEM，即数字高程模型，是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟，或者是对地形表面形态的数字化表示，是各类地理信息的载体。在研究区域内确定DEM空间分辨率的精确程度，直接影响到提取数据的准确程度。如何准确确定研究区域的DEM空间分辨率，是研究提取地形参数、河网参数的前提与保障。多年以来，学者们对DEM空间分辨率的确定进行了大量的研究，基本可以实现从定性到定量地在指定研究区域确定DEM空间分辨率。但是，如何保障DEM空间分辨率的确定方法具有通用性、最适宜性，还将是以后该类研究的重点。为了推进研究工作的进行，本次研究主要是对近10余年的DEM空间分辨率确定方法进行汇总、归纳、分析，形成系统的研究分类，为以后具有通用性的最佳DEM空间分辨率定量确定研究提供参考。

本次研究发现DEM空间分辨率确定的研究方法主要集中于“借助坡面地形因子逆向推导DEM空间分辨率”和“借助河网提取参数逆向推导DEM空间分辨率”两个方向定性、定量确定DEM空间分辨率，下面将对这两个研究方向进行二级分类研究。

2 借助坡面地形因子确定DEM空间分辨率的研究方法

坡面地形因子是数字地形分析中最基础的内容，是为定量表达地貌形态特征而设定的具有一定意义的数学参数或指标。按照坡面地形因子的空间区域范围，可将地形因子分为微观地形因子和宏观地形因子。微观坡面地形因子主要有坡度、坡向、坡度变率、坡向变率、平面曲率、剖面曲率、坡长，宏观坡面地形因子主要有坡形因子、地形粗糙度、地形起伏度、高程变异系数、地表切割深度。

DEM空间分辨率定量确定的研究方法主要围绕基于微观坡面地形因子、宏观坡面地形因子、微观与宏观复合坡面地形因子、坡面地形因子引申因素四个方面进行研究。

2.1 基于微观坡面地形因子的DEM空间分辨率确定研究

基于微观坡面地形因子进行DEM空间分辨率定量确定研究，坡度地形因子是不可或缺的重要影响因子之一。2011年在黄土丘陵沟壑区开展实验研究[1-2]，发现平均坡度与DEM空间分辨率在200 m范围内呈现对数函数关系，与2003年在75 m范围内二者呈现线性函数关系的结论一致，但是将DEM分辨率由75 m延伸至200 m范围内，证实坡度与DEM空间分辨率之间存在线性函数关系。随着研究的深入，将坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率4个地形因子引入该项研究中[3-6]。通过运用EXCEL数据统计软件，采用对比分析法和图表法将不同DEM空间分辨率提取的坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率4个地形因子相应数据进行统计分析，分析该4个地形因子随着DEM空间分辨率变化的规律。根据变化规律的对比，逆向选取适合于研究区域的DEM空间分辨率。但是，以上研究均为定性的规律性研究，如何进行DEM空间分辨率的定量研究是后继的研究重点。考虑到坡度地形因子对DEM空间分辨率的确定产生主要影响，所以通过计算坡度平均误差、中误差、标准差、均方根，开始定量选取最佳DEM空间分辨率的建立方法[7-11]。以上仅为基于微观坡面地形因子从定性到定量确定DEM空间分辨率的研究方法。

2.2 基于宏观坡面地形因子的DEM空间分辨率确定研究

基于宏观坡面地形因子进行DEM空间分辨率确定研究，粗糙度地形因子起到了非常重要的作用。唐庆等对泸州市不同DEM空间分辨率下的粗糙度进行分析[12]，确定粗糙度与DEM空间分辨率之间的规律性关系。基于宏观坡面地形因子进行DEM空间分辨率确定研究，只产生了定性、规律性研究结果。

2.3 基于微观与宏观复合坡面地形因子的DEM空间分辨率确定研究

为了提高在较大研究区域内DEM空间分辨率确定的准确性，考虑采用宏观、微观坡面地形因子相结合的方式，即基于微观与宏观复合坡面地形因子进行DEM空间分辨率的定性、定量研究。应用ARCGIS软件，基于不同DEM空间分辨率提取微观坡面地形因子坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率以及宏观坡面地形因子粗糙度，分析这5个坡面地形因子在不同DEM空间分辨率时的变化趋势，从而定性地确定较大的研究区域内最适宜的DEM空间分辨率[13-15]。

2.4 基于坡面地形因子引申因素的DEM空间分辨率定量确定研究

为了实现在较大研究区域内DEM空间分辨率的定量确定，在研究中还引入坡面地形因子引申因素，如地形分类数、地形纹理特征、地形湿度指数、信息䊞等[16]。白峰实验证实最优地形分类数与DEM空间分辨率密切相关[17]；黄骁力等以25 m空间分辨率为基础，构建多尺度的地面坡度、光照模拟和粗糙度数据序列，引入空间灰度共生矩阵对地形表面纹理特征进行量化分析，揭示地形纹理参数和最适宜的DEM空间分辨率之间的定性关系[18]；蒋婷等应用ARCGIS的地图代数中的栅格计算器提取不同DEM空间分辨率的地形湿度指数，通过分区统计地形起伏度和变异系数，定性研究DEM空间分辨率与地形湿度指数之间的关系[19]；刘娜等提出在坡度、坡向、剖面曲率与DEM空间分辨率之间变化规律研究的基础上，利用信息熵公式进行不同空间分辨率的DEM高程熵分析，得到高程熵随DEM空间分辨率的变化折线图，接近定量地判定最适宜DEM空间分辨率。

3 借助河网提取参数确定DEM空间分辨率的研究方法

借助河网提取参数确定DEM空间分辨率的研究方法，可以分为定性、规律性研究和定量研究两类。

3.1 借助河网提取参数确定DEM空间分辨率的定性研究法

借助河网提取参数确定DEM空间分辨率的定性研究方法，主要是通过研究DEM空间分辨率与河网提取参数之间的定性的、规律性的研究，近似地推断适合研究区域的DEM空间分辨率。

林声盼等对DEM空间分辨率与流域面积、河网位置、流域边界、河网线长、最长河长之间的关系进行研究，发现DEM空间分辨率增大，对流域面积、河网位置没有明显影响，但对流域边界、河网线长都有影响，最长河长可能变长或变短[20]。田智慧等对小流域径流模拟与DEM空间分辨率之间的关系进行研究，随着DEM空间分辨率降低，流域面积减小、最长河道长度变短；DEM空间分辨率增大、小流域径流量产生误差降低，DEM空间分辨率降低，模拟径流量大小实测径流量，径流量的峰值和谷值均化，误差变大[21]。萨出拉等[22]、徐珍等[23]利用ARCGIS水文分析工具，对DEM空间分辨率与河网提取参数之间的关系进行研究，应用EXCEL进行统计分析，发现DEM空间分辨率对小流域面积、流域高程、流域坡向影响较小，而对坡度、河道长度、河网密度以及河道分级影响较大。

3.2 借助河网提取参数确定DEM空间分辨率的定量研究法

借助河网提取参数确定DEM空间分辨率的定量研究方法，主要是通过研究DEM空间分辨率与河网提取参数之间的函数关系研究，计算研究区域的最适宜DEM空间分辨率。陈俊明等发现DEM空间分辨率与河道总长度、集水面积阈值之间满足复合函数表达式，利用数学原理，分析、计算最适宜DEM空间分辨率和集水面积阈值[24]。高超等发现计算栅格面积与流域面积比值小于0.05时“thousandmillion”经验公式可用于定量确定DEM空间分辨率[25]。王婷婷等发现DEM空间分辨率与河流裂点个数之间存在幂函数关系，裂点个数随着DEM空间分辨率降低而减少，符合幂函数递减规律[26]。王汝兰等基于DEM数据、利用水文分析原理，将主河道作为研究主要因子，定量分析河流比降与集水面积阈值、主河道分段数量与DEM空间分辨率之间的关系，从而计算平均河流比降的最适宜DEM空间分辨率[27]。

4 小结

本次研究是针对近10余年的DEM空间分辨率确定方法进行汇总、整理，发现这些方法主要集中于借助坡面地形因子逆向推导DEM空间分辨率和借助河网提取参数逆向推导DEM空间分辨率两个研究方向来定性、定量地确定研究区域内最适宜的DEM空间分辨率。为了更好地剖析这两个研究方法的研究最新进展，将借助坡面地形因子逆向推导DEM空间分辨率分别从基于微观坡面地形因子的DEM空间分辨率确定研究、基于宏观坡面地形因子的DEM空间分辨率确定研究、基于微观与宏观复合坡面地形因子的DEM空间分辨率确定研究、基于坡面地形因子引申因素的DEM空间分辨率定量确定研究四个方面进行研究进展刍议，充分地展现了该研究方向从定性到定量确定DEM空间分辨率的研究进程。另外，将借助河网提取参数确定DEM空间分辨率的研究方法分成借助河网提取参数确定DEM空间分辨率的定性研究方法和借助河网提取参数确定DEM空间分辨率的定量研究方法两类，从研究DEM空间分辨率与河网提取参数之间的定性的、规律性的研究，定性地推断适合研究区域的DEM空间分辨率逐渐向研究DEM空间分辨率与河网提取参数之间的函数关系研究，计算研究区域的最适宜DEM空间分辨率，定量地确定适合研究区域的DEM空间分辨率转变。可见，本次研究针对这两个方向的研究方法分别进行归纳、对比阐述，充分体现了近10余年间该研究领域的研究最新进展，为以后最佳DEM空间分辨率定量确定研究提供有力的参考。

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