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(jiǎn)稱GIS)是指在計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)的支持下，對(duì)地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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(jì)算機(jī)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(cè)、交通運(yùn)輸、城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)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(jì)算機(jī)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(duì)土地利用規(guī)劃與資源管理的需求。20世紀(jì)50年代末，計(jì)算機(jī)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(cè)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(yǔ)，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(yùn)行和使用，成為世界上第一個(gè)實(shí)用的運(yùn)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(jì)算機(jī)科學(xué)，基本

3、技術(shù)是數(shù)據(jù)庫(kù)、地圖可視化及空間分析。GIS技術(shù)把地圖這種獨(dú)特的視覺(jué)化效果和地理分析功能以及一般的數(shù)據(jù)庫(kù)操作(查詢和統(tǒng)計(jì)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(guò)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(guò)程“，從而實(shí)現(xiàn)在空間與時(shí)間多維環(huán)境下的模擬分析，實(shí)現(xiàn)輔助決策。必須指出，空間可視化雖然是GIS獨(dú)特而強(qiáng)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(shí)，應(yīng)從三方面來(lái)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(shí)踐，只有這樣才能夠真正領(lǐng)會(huì)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(shí)踐性等特點(diǎn)”。>空間數(shù)據(jù)挖掘空間數(shù)據(jù)庫(kù)(數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù))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?jī)?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(shí)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(guò)數(shù)據(jù)挖掘才能顯示出來(lái)?？臻g數(shù)據(jù)挖掘(Spa

5、tialDataMining，SDM)或者稱為從空間數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)知識(shí)，是為了解決空間數(shù)據(jù)海量特性而擴(kuò)展的一個(gè)新的數(shù)據(jù)挖掘的研究分支，是指從空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)程。由于SDM的對(duì)象主要是空間數(shù)據(jù)庫(kù)，而空間數(shù)據(jù)庫(kù)中不僅存儲(chǔ)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(chǔ)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(méi)有明確假設(shè)的前提下去挖掘信息、發(fā)現(xiàn)知識(shí)，挖掘出的知識(shí)應(yīng)具有事先未知、有效和實(shí)用三個(gè)特征。地學(xué)空間數(shù)據(jù)

6、知識(shí)挖掘就是指通過(guò)對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)中大量數(shù)據(jù)的分析來(lái)發(fā)現(xiàn)新的地學(xué)知識(shí)和規(guī)律。目前隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展和大地表面觀測(cè)記錄的增加，人們對(duì)地理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)越來(lái)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(zhǎng)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(lái)講，它們構(gòu)成了地形起伏變化的分界線(骨架線)，所以它們?cè)诘匦伪硎痉矫嬗兄鴺O其重要的作用，并且對(duì)于地形地貌研究有著重要的意義；另外，對(duì)于水文物理過(guò)程研究而言，由于山脊、山谷分別具有水性與匯水性，對(duì)山脊線和山谷線的提取實(shí)際

7、上也是分水線和匯水線的提取，這一特性又使得它們?cè)谠S多工程應(yīng)用方面有著重要的意義?。目前。國(guó)家正在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(NSDI：NationalSpatialDataInfrastructure)建設(shè)，它已成為我國(guó)數(shù)字地球建設(shè)的重點(diǎn)，而數(shù)字高程模型(DEM)是國(guó)家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中最重要的空間信息資料，國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心已經(jīng)先后完成了1：25萬(wàn)、1：10萬(wàn)和1：5萬(wàn)的全國(guó)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)很有用的數(shù)據(jù)庫(kù)，在它的基礎(chǔ)上可以做很多的分析，如進(jìn)行坡度、坡向等分析，這就是我們通常所說(shuō)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(gè)重要的方面，它既是數(shù)字地形分析的重點(diǎn)，也是數(shù)字地形分析的難點(diǎn)。如何從DEM數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取所隱含的地形特征線一直是廣大GIS