DEM不同分辨率对地形因子提取的不确定性

云南地理环境研究

YUNNANGEOGRAPHICENVIRONMENTRESEARCH V'30, No.l

Feb. , 2018

DE.不同分辨率对地形因子提取的不确定性

玉院和，王金亮*

(云南师范大学旅游与地理科学学院，云南省高校资源与环境遥感重点实验室，

云南省地理空间信息技术工程技术研究中心，云南昆明650500)

摘要\"地形因子的提取对水土流失、土地利用、土地资源评价、城市规划等方面的研究起着重要的作用，通过对 地形因子计算和分析，为以上研究提供一定的参考。基于DEM (数字高程模型）的ASTER GDEMV2_ 30m数 据，以云南省保山市隆阳区为研究区，提取该区的坡度与坡向等地形指标，分析不同分辨率（30 r、60 r、90

m、120m)下的地形因子的差异性。结果表明：随着分辨率降低，隆阳区坡度向中等级坡度集中，陡坡区域缩

小，即坡度从集中在35〇〜45°区域向#5°和15◦〜25°区域集中；不同空间分辨率对坡向提取也有不确定性的变 化，但影响程度没有坡度大。因此在土壤侵蚀等模型中对地形因子进行估算时，需要充分考虑分辨率的影响。 关键词：数字高程模型；坡度；坡向；分辨率；隆阳区中图分类号：P207 +.2

文献标识码：A

文章编号：1001 -7852(2018)01 -0040 -06

土高原选取多个样区，分析不同DEM分辨率下坡

0引言

数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM)

度信息的损失规律[10];羊秀娟等[11]利用不同分辨 率提取地形因子，并认识三台县的地形地貌特。张

宏鸣等[12]认为梯田区的地形因子估算需要考虑分 辨率的影响。M. L. Ta等[13]采用数字高程敏感性 分析法，研究DEM分辨率对SWAT模型中模拟径 流量的影响。多年来，云南频繁遭受自然灾害，如 旱灾、洪涝灾害、泥石流滑坡等，尤其是云南省保 山市隆阳区。该区降雨强度大且集中，降雨时空分

为 不 ， 区 、 滑 和 等 地 质害多发[14]。而研究该区的地质灾害必定会以DEM 作为数据基础，因此分析不同分辨率DEM对地形

的 不

， 为区 数 地形

的

研究提供可靠的理论支持。

通过离散高程点对连续变化的地表高程进行定量表 达，是最为重要的空间信息类型之一[1]。在测绘、 资源与环境、灾害防治、国防等与地形分析有关的 科学研究和国民经济各领域发挥着巨大的作用[2]， 如地形因子对土壤侵蚀的方式及强度具有控制作

用[3]。DEM分辨率是影响信息质量的关键因素[4]， 分辨率不同，所提取的地形因子数值也会发生改 变[5]。而DEM重采样是获取不同尺度空间数据的 主要方法，然而在这个过程中会对地形产生平滑作 用，使得DEM坡度随着水平分辨率降低发生衰 减[^8]。国内外已有众多学者开展这方面的研究。 王峰等[9]利用ANUDEM数据生成多种分辨率的

1研究区概况

云南省保山市隆阳区位于中国西南部，东经

DEM，提取坡度、坡长、坡向和汇水面积等信息， 探讨其随DEM分辨率的变化规律。陈楠在我国黄

收稿日期：2017 -11 -20;修订日期：2018-01-15.基金项目：国家自然科学基金项目（41561048)、云南省哲学社会科学重点项目（ZDZZD201506)、云南省中青年学术技术带头人

(2008PY056)资助.

作者简介：玉院和（1995 -)，女，云南省勐海县人，硕士研究生，主要从事资源与环境遥感技术应用研究.!通信作者：王金亮（1963 -)，男，云南省武定县人，教授，博士，主要从事资源与环境遥感应用研究.

第1期

玉院和等\"DEM不同分辨率对地形因子提取的不确定性41

98〇43'〜9906'和北纬24〇46'〜25〇38'之间（图 1)。

与山市的施甸、龙县

，东北以

江为界与大理 自治州接壤， 为界，与省会

，北部顺怒江而上与怒江与冲县以高黎贡山脊593 km， 中

宽78 km，其中山

错，海拔较高，最高海拔3 655.9 m，最低海拔 648 m，城区海拔1 653. 5 m。因海拔高程差异 大，形成了隆阳区“一山 的立 活

的成

齐全，地质构

，

，十里不同天”

多样，人

很

。然而隆阳区地形起伏大，地层出露响强烈，这些为地质

。

279 km。全南北长96 km，

区、半山区占总面积的92.6]。境内山脉起伏盘

图1 研究区位置示意图

Fig. 1 Study area location diagram

好的矫正。数据均下载自地理空间数

tp: //www. gscloud. cn/)， 行政边界 信息由 获得，

（ht­

:化

2

2. 1

数据与方法

数据来源

研究采用云南省保山市隆阳区ASTER GDEM

V2_ 30m的DEM数据，条带号为98、99,行编号 为 24、25， 4 。ASTER GDEM 数据由日本 ME-TI和美国NASA 合研制并免费面向 ASTER GDEM数据产品基于“先进星载热

(ASTER)”数

球陆地表面的高分辨率高 GDEM V1原始数据局部地区存

。和反

ArcGIS中义地理坐标与DEM重合。

2.2数据 及方法

ArcGIS中加载ASTER GDEM V2数据，对4景 影像进行 调整DEM数据投 标系 一致。运用数据管理 下栅格处理中重采样 进行DEM重采样。由重采样不同方法对DEM数据质 量的影响，王等[15] 最 法得到的重采样DEM数据的中 最高， 立方卷积法的最小，双线性内插法 可能避免其

高 立方卷积法。故为尽对DEM数据质量的影响，采用

算生成，是目前唯一覆

数据。ASTER，所以由AS­

TER GDEM V1 加 的数字高程数据产品也存在个 别区域的数 。而 2015年1月6日正式 的ASTER GDEM V2 用一种先进的算法对V1版GDEM 进行 进，提高数据的空间分辨率精度和高程精度。日本METI和美国 NASA两个机构对V2版GDEM的数据精度进行了 验证，

示V2版对V1版中存在的

做了很

立方卷积法对30m ASTER GDEM V2数进行 重采样为30 m X 30 m、60 m x 60 m、 90 m x 90 m 和 120 mx 120 m 的 DEM 数据。

利用ArcGIS 10. 5中的空间分析（Spatial Ana­

lyst) 中的表 面分析 （Surface Analyst) 对 4 种分辨

的 DEM 进 行 。 别 、 向 ，利用空间

（Spatial Analyst)中

42

云南地理环境研究第30卷

(Extraction)对提取的坡度、坡向图裁剪。用Excel

对

与分辨

、坡向进行

，

、坡向

间的关系。

蚀和

措施布设的重要地形指标[16]。^

ArcGIS 中对 ASTER GDEM V2 30m、60m、90m 和 120m的DEM数 形成 区

为6级。分别

按照研究目的进行重分

级[17]将研究

#5〇、5◦〜15〇、15◦〜

（保

级（图2(，按等间

3结果与分析

坡度能够

描述地面的倾斜程度，是土壤侵

30m*30m

25〇、25◦〜35〇、35◦〜45〇、>45◦，然后计算重分

3. 1 DEM不同分辨率对坡度影响分析

后各级栅格数据面积占总栅格面积的百 数点后（和关参数（表1(。

60m*60m

J^5°

]

5。〜1515。

]矣5

15。〜25。

25。〜35

>45

:】:M5

40 km

0 10 20

40 km

10 20

90m*90m

120m*120ra

□分

15。

图例

□ ^5

15[,

，.！h

0 10 20

40 km

35。45°

>4b

10 2040 km

图2不同分辨率的坡度分级图

Fig. 2 Slope classification map of different resolution

表1

隆阳区不同DEM坡度分级对比

从图2与表1可以看出不同分辨DEM对坡度 一定的影响，原始隆阳区（30 m 主要集中在35◦〜45。区域，#5。区 60m分辨率的DEM坡度主要 45◦两个

辨率）

，辨率的

最为

Tab. 1 Comparison of different DEM Slope grading

in Longyang District

级#5〇5 W1525 -35a35

30 m23. 425]9. 662]9)99]7. 497]38.061]11.357]

60 m32. 188]10. 500]11.086]7. 765]32. 822]5. 638]

90 m23. 577]

120 m

27. 949]7. 676]7. 288]42. 720]13. 432]0. 934]

#5。与35◦〜

区域中，而90 m与120 m 中

DEM 25◦〜35◦区域，#5◦区域

6. 895]6. 955]

44. 638]16. 194]1.740]

。随着分辨率的降低，隆阳区原始

小的25◦〜35°的 面积占 # 35◦〜45°与>45°所占的 低； 低，

随着分辨率降低而降

为5◦〜^^ 25◦〜35°随着分辨率的降低主要向中等分级集中，由

辨率的降

W

不规律的变化。总的来说，随着分辨率的降

第1期

玉院和等\"DEM不同分辨率对地形因子提取的不确定性43

， 地形不断地 ，对地形的细节描述

作用不断

，高一级分级

。

、最大

，标准差越小，数 ， 到

逐渐升高，

越

25。〜35〇

。如所占比

1

能力不断地降低， 所示，随着标准差的减小，高坡度所占 逐渐降

不断 一级分级，陡不断

不同分辨率下DEM中 的最 值、

、标准差都发生

表2

，这组数据很好验证了标准差的这一

的变化（表2 (。

不同分辨率DEM坡度信息统计

特性。

3.2 DEM不同分辨率对坡向影响分析

向

的太

斜坡的朝向。坡向不同，坡面所接受不同会影响到

、

、

面植

Tab. 2 Statistics of DEM Slope Information

with different Resolution

分辨率/m

306090

最小值

最大值/°74.7966.6762.3156.96

21.2519.8018.5717.52

标准差/°11.93

生 、地面组成物质的风化速率、及

等*18]。在 ArcGIS 中对 ASTER GDEM V2 30 m、60

0000

m、90 m和120 m的DEM数据提取坡向按照研究 目的进行重

形成

级（图3(，将研究区

（0◦#

；

为9级：平面（$ -1〇)、北

#坡度 <67.5〇)、

（66.5〇# <157.5。、

11. 18

10.7110.33

120

<22.5〇、337.5〇# 坡度 < 360〇)、东北坡（22.5〇

<112.5〇)、东

(157.5°#

北坡

(112.5。# < 202.5°)、

247.5〇)、西坡（247.5〇# >

(292.5°#

< 337.5〇)。

，

的坡向值（表3)。

60m*60m

随着隆阳区DEM分辨率的降低，其坡度最大 、 和标准 不断的变小。分辨的降

，DEM栅格变大，对地形的 加强，使个研究区的地形逐渐 所降低。标准

，

各项 的离散程

映的是数据与

30m*30m

( 202.5° # 坡度 <<292.5〇)、不同分辨率 DEM

向、标准差

J Tffi

□北

东北— FT

Pi A

西北

J:, W

九ih

10 20

40 km

0 10 20 40 km

90m*90m

12〇m*120m

I

l::,.

I

it]平r

lit

^.|V；

丨丄.J

西南

西北

10 2040 km

10 20 40 km

图3 不同分辨率DEM坡向分级图

Fig. 3 Aspect classification map of different resolution

44云南地理环境研究第30卷

及各坡向所占比例变化均较小，且规律性不强，说 明较小分辨率DEM提取的坡向值与较高分辨率提 取的坡向值相近。不同分辨率对坡向提取的具有一

表3

定的影响，但影响程度不如坡度大。较小分辨率 DEM提取的坡向更具有宏观意义，而高分辨率

DEM提取的坡向可反映地形的细部朝向。

隆阳区不同DEM坡向信息统计

Tab. 3 Statistics of DEM Aspect Information with different Resolution

项目

向等级平面北

30 m

60 m0.005%11.140%14.637%14.835%12.542%11.537%12.731%12.310%10.262%

90 m0.004%10.797%14.771%15.228%12.559%11.384%12.732%12.542%9.984%

120 m

0.003%10.481%14.872%15.626%12.525%11.178%12.656%12.842%9.816%

0.011%

11.522%14.486%14.317%12.599%11.634%12.672%12.082%10.677%

坡

向分级对

东北东东南南西南西北

最小值/°最大值/°平均值/°标准差/°

比

-1

359.87171.18

-1

359.89170.30102.24

-1

359.94169.53101.79

-1

359.93168.95101.43

102.86

缩小，平缓区域增加。这与杨晓等[18]和刘娜等[5]

4结论与讨论

以空间分辨率为30 m的ASTERGDEMV2为数

研究结果一致。随着分辨率降低，坡度的最大值、 平均值、标准差也在逐渐减小，即坡度越集中分 布，且越来越接**均值。隆阳区坡度随着分辨率

降低，坡度主要集中在25° ~35°与<5°坡度。

(2)不同空间分辨率对坡向提取也有不确定性 的变化，随着分辨率降低，平面坡向面积占比也在 缓慢降低；隆阳区的坡向最大值、平均值、标准差 也在随着分辨率的降低而减小，但减小的幅度不 大，甚至高分辨率与低分辨率的坡向面积占比、最 大值、平均值、标准差也十分接近。

据源，利用A(1)空间分辨率的变化会造成DEM提取坡度 的不确定性变化，坡度向中等级坡度集中陡坡区域参考文献：

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第1期

玉院和等：DEM不同分辨率对地形因子提取的不确定性45

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UNCERTAINTY OF TERRAIN FACTORS EXTRACTION

BASED ON DIFFERENT RESOLUTION OF DEM

YU Yuan - he， WANG Jin - liang

(College of Tourism and Geographic Sciences，Key Laboratory of Resources and Environmental Remote Sensing for Universities in Yunnan，Center *o* Geospatial Information Engineering and Technology of Yunnan Province，Yunnan Normal University， Kunming 650500, Yunnan， China)Abstract: The extraction of topographic factors plays an important role in the study of soil erosion， land use， land resource evaluation， urban planning and so on. Based on the ASTER GDEM V2_ 30m data of DEM (Digit­al elevation Model， taking Longyang District of Baoshan City，Yunnan Province as the research area，the topo­graphic indexes such as slope and asj)ect direction were extracted， and the difference of topographic factors under different resolution was analyzed. The results show that with the decrease of the resolution，the area is concentrated to the middle grade， and the steep slope area is reduced， that is， the slope is concentrated from 35 -45° to #5° and 15 -25°. The sp atial re solution al so has uncertain change s on the extraction of slope di­rection ，but the degree of influence is not as big as the slope. Therefore，when estimating terrain factors in soil e­rosion models，the effect of resolution should be fully considered.Keywords: DEM# slop； aspect; resolution; Longyang District

s