基于數(shù)字高程模型（dem）的地形特征提取

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1、第1章緒論≯GIS地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem，簡稱GIS)是指在計算機軟、硬件系統(tǒng)的支持下，對地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存貯、管理、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)獲取、空間數(shù)據(jù)分析、空間信息推導(dǎo)、結(jié)果表示等基本功能。GIS起源于20世紀60年代，作為有關(guān)空間數(shù)據(jù)管理、空間信息分析及其傳播的計算機系統(tǒng)，在其30多年的發(fā)展歷程中，已經(jīng)取得了巨大成就，并廣泛地應(yīng)用于土地利用、資源管理、環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、城市規(guī)劃、經(jīng)濟建設(shè)以及政府各職能部門。GIS的快速發(fā)展及廣

2、泛應(yīng)用，源于計算機科學(xué)在遙感與地圖制圖學(xué)中的應(yīng)用以及政府部門對土地利用規(guī)劃與資源管理的需求。20世紀50年代末，計算機獲得廣泛應(yīng)用，并很快用于空間數(shù)據(jù)存貯與處理，加拿大測量學(xué)家R．ETomlinson子1960年提出要把地圖變成數(shù)字形式的地圖，出現(xiàn)了GIS的早期雛形。之后于1963年，他又首先提出了“GIS”這一術(shù)語，并建議加拿大土地調(diào)查局建立加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS)用于自然資源的管理和規(guī)劃。到1972年，CGlS全面投入運行和使用，成為世界上第一個實用的運行型地理信息系統(tǒng)。GIS是一門多學(xué)科綜合的邊緣學(xué)科，但其核心是計算機科學(xué)，基本

3、技術(shù)是數(shù)據(jù)庫、地圖可視化及空間分析。GIS技術(shù)把地圖這種獨特的視覺化效果和地理分析功能以及一般的數(shù)據(jù)庫操作(查詢和統(tǒng)計分析等)結(jié)合成一體，從而區(qū)別于其他的信息系統(tǒng)，形成了專門處理空間信息的現(xiàn)代綜合性學(xué)科。GIS可以通過信息的方式重建地理的人文和自然的客觀世界現(xiàn)象與過程“，從而實現(xiàn)在空間與時間多維環(huán)境下的模擬分析，實現(xiàn)輔助決策。必須指出，空間可視化雖然是GIS獨特而強大的功能，但GIS的核心特征卻應(yīng)該是空間地理分析，如空間查詢、量算、緩沖區(qū)分析、疊加分析、空間插值等“1。因此，在理解和掌握GIS概念時，應(yīng)從三方面來綜合考慮：即地理信息空間基礎(chǔ)

4、理論、GIS技術(shù)方法和GIS應(yīng)用實踐，只有這樣才能夠真正領(lǐng)會和把握作為現(xiàn)代高科技的GIS所體現(xiàn)出的科學(xué)性、技術(shù)性和實踐性等特點”。>空間數(shù)據(jù)挖掘空間數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)倉庫)中的空間數(shù)據(jù)除了其顯式信息外，還具有豐富的隱含信息。如數(shù)字高程模型(DEM、CONTOUR或TIN)，除了載荷高程信息2第1章緒論外，還隱含了地形構(gòu)造信息與地形特征信息(本文的研究內(nèi)容)。再如在數(shù)字高程模型中，將高程屬性換成植物的種類，此時植物的種類是顯式信息，但其中還隱含了氣候的水平地帶性和垂直地帶性的信息等等，這些隱含的信息只有通過數(shù)據(jù)挖掘才能顯示出來?？臻g數(shù)據(jù)挖掘(Spa

5、tialDataMining，SDM)或者稱為從空間數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)知識，是為了解決空間數(shù)據(jù)海量特性而擴展的一個新的數(shù)據(jù)挖掘的研究分支，是指從空間數(shù)據(jù)庫中提取隱含的、用戶感興趣的空間或非空間的模式和普遍特征的過程。由于SDM的對象主要是空間數(shù)據(jù)庫，而空間數(shù)據(jù)庫中不僅存儲了空間事物或?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)，而且存儲了空間事物或?qū)ο笾g的圖形空間關(guān)系，因此其處理方法有別于一般的數(shù)據(jù)挖掘方法。SDM與傳統(tǒng)的地學(xué)數(shù)據(jù)分析方法的本質(zhì)區(qū)別在于：SDM是在沒有明確假設(shè)的前提下去挖掘信息、發(fā)現(xiàn)知識，挖掘出的知識應(yīng)具有事先未知、有效和實用三個特征。地學(xué)空間數(shù)據(jù)

6、知識挖掘就是指通過對空間數(shù)據(jù)庫中大量數(shù)據(jù)的分析來發(fā)現(xiàn)新的地學(xué)知識和規(guī)律。目前隨著對地觀測技術(shù)的發(fā)展和大地表面觀測記錄的增加，人們對地理現(xiàn)象的認識越來越深入，使得地學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)成為地學(xué)界最熱門的話題“。1．1．2課題的提出由大自然長期作用所形成的山脊線和山谷線不僅具有其自身的幾何意義，而且還具有特定的物理意義。從幾何方面來講，它們構(gòu)成了地形起伏變化的分界線(骨架線)，所以它們在地形表示方面有著極其重要的作用，并且對于地形地貌研究有著重要的意義；另外，對于水文物理過程研究而言，由于山脊、山谷分別具有水性與匯水性，對山脊線和山谷線的提取實際

7、上也是分水線和匯水線的提取，這一特性又使得它們在許多工程應(yīng)用方面有著重要的意義?。目前。國家正在進行空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(NSDI：NationalSpatialDataInfrastructure)建設(shè)，它已成為我國數(shù)字地球建設(shè)的重點，而數(shù)字高程模型(DEM)是國家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫中最重要的空間信息資料，國家基礎(chǔ)地理信息中心已經(jīng)先后完成了1：25萬、1：10萬和1：5萬的全國數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫。數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫是一個很有用的數(shù)據(jù)庫，在它的基礎(chǔ)上可以做很多的分析，如進行坡度、坡向等分析，這就是我們通常所說的數(shù)字地形分析。在數(shù)字地形分析中，3第1

8、章緒論地形特征線的提取，也就是山脊線和山谷線的提取是一個重要的方面，它既是數(shù)字地形分析的重點，也是數(shù)字地形分析的難點。如何從DEM數(shù)據(jù)中自動提取所隱含的地形特征線一直是廣大GIS