DEM地貌特征分析在“地質(zhì)信息處理”課程中的應(yīng)用

□肖清華 晏 涵

DEM地貌特征分析在“地質(zhì)信息處理”課程中的應(yīng)用

□肖清華 晏 涵

數(shù)字高程模型（DEM）是地形特征空間分布的數(shù)字定量模型，其最常見的數(shù)據(jù)表示模型為規(guī)則格網(wǎng)GRD模型和不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型。在“地質(zhì)信息處理”課程中引入數(shù)字高程模型，以任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式組織實(shí)施，進(jìn)行地形地貌的特征分析，繪制彩色等值立體圖以及坡向圖，增強(qiáng)了學(xué)生地質(zhì)地貌信息提取與分析的能力。

DEM；地貌特征分析；課程

一、數(shù)字高程模型（DEM）

1.DTM和DEM

數(shù)字地形模型（DTM，Digital Terrain Model）最初是為了高速公路的自動設(shè)計提出的。此后，它被用于各種線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設(shè)計以及各種工程的面積、體積、坡度計算，任意兩點(diǎn)間的通視判斷及任意斷面圖繪制。

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），簡稱DEM，是以數(shù)字的形式按一定的結(jié)構(gòu)組織在一起，表示實(shí)際地形特征空間分布的數(shù)字定量模型。最基本的DEM模型是由一系列地面點(diǎn)的x，y坐標(biāo)及與之相對應(yīng)的高程z所組成，用數(shù)學(xué)函數(shù)式表達(dá)為：z=f（x，y）。從數(shù)學(xué)的角度，高程模型是高程z關(guān)于平面坐標(biāo)x，y兩個自變量的連續(xù)函數(shù)，數(shù)字高程模型（DEM）只是它的一個有限的離散表示。

2.DEM數(shù)據(jù)采集方法

DEM的最主要的數(shù)據(jù)采集方法有：地面測量，利用測距經(jīng)緯儀在野外實(shí)測；地形圖數(shù)字化；GPS結(jié)合雷達(dá)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；數(shù)字?jǐn)z影測量方法等。

3.DEM數(shù)據(jù)表示模型

在地理信息系統(tǒng)中，DEM最主要的有3種表示模型：等高線模型、規(guī)則格網(wǎng)GRD模型、不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型。

等高線模型，每一條等高線對應(yīng)一個已知的高程值，一系列的等高線集合和它們的高程值一起就構(gòu)成了一種地面高程模型。

GRD模型，建立在網(wǎng)格化數(shù)據(jù)上的高程模型，每個網(wǎng)格單元對應(yīng)一個高程值。規(guī)則網(wǎng)格，其優(yōu)勢是很容易進(jìn)行疊加數(shù)據(jù)計算，提取等高線、坡度坡向等地形因子；缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確地表現(xiàn)地形細(xì)節(jié)，難以反映復(fù)雜地形的高程突變，且有時數(shù)據(jù)量過大。

TIN模型，將原始數(shù)據(jù)劃分成彼此相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，能夠避免平原地區(qū)的數(shù)據(jù)冗余，又能夠充分表現(xiàn)地形特征點(diǎn)。

二、在“地質(zhì)信息處理”課程中引入數(shù)字高程模型（DEM）

“地質(zhì)信息處理”是地質(zhì)調(diào)查與礦產(chǎn)普查專業(yè)的重要職業(yè)技能課。是在計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)的，同時也為學(xué)習(xí)遙感地質(zhì)分析、固體礦產(chǎn)勘查服務(wù)，應(yīng)用MapGIS軟件將地貌信息、礦產(chǎn)信息、地質(zhì)圖件、表格等資料進(jìn)行計算處理，得出相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，為地貌特征分析、地質(zhì)找礦等提供依據(jù)，并繪制各種地質(zhì)圖件。

1.“地質(zhì)信息處理”課程內(nèi)容構(gòu)成

本課程實(shí)踐性極強(qiáng)，其中一半學(xué)時用多媒體進(jìn)行理論、操作講解，另一半學(xué)時提供給學(xué)生進(jìn)行上機(jī)實(shí)訓(xùn)。“地質(zhì)信息處理”課程主要內(nèi)容有兩個：一是地質(zhì)圖件的繪制；二是地質(zhì)地貌信息的提取分析。課程總學(xué)時64，地質(zhì)圖件的繪制（48學(xué)時）：含新建工程、線編輯、點(diǎn)編輯、區(qū)編輯、拓?fù)湓靺^(qū)、矢量化流程、工程裁剪、用戶文件投影、標(biāo)準(zhǔn)圖框生成等9個任務(wù)；地質(zhì)地貌信息的提取分析（16學(xué)時）：含屬性數(shù)據(jù)輸出、數(shù)字高程模型（DEM）地貌特征分析、化探數(shù)據(jù)處理、空間分析與屬性分析等4個任務(wù)（見表1）。

2.引入數(shù)字高程模型（DEM）意義

“地質(zhì)信息處理”課程核心能力是地質(zhì)圖件繪制能力與地質(zhì)地貌信息提取分析能力。而數(shù)字高程模型（DEM）在地貌特征分析中有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字高程模型（DEM）理論及相關(guān)分析技術(shù)得到地學(xué)工作者的廣泛關(guān)注，國際上已將其作為一種常規(guī)的地形地貌研究手段和工具。在與地學(xué)相關(guān)的科學(xué)研究中，數(shù)字高程模型（DEM）可以為各種地學(xué)模型提供地形參數(shù)并輔助地學(xué)模型的建立。應(yīng)用研究中，數(shù)字高程模型（DEM）使人們可以直觀地觀察地形地貌，比傳統(tǒng)的地形等值線圖更加精細(xì)地研究地形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。與此同時，地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感（RS）技術(shù)的迅速發(fā)展為DEM數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及地學(xué)分析等工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，為研究地貌開辟了新的途徑，使原有的地質(zhì)地貌研究由定性進(jìn)入半定量和定量化階段。

3.課程組織實(shí)施：任務(wù)驅(qū)動

任務(wù)驅(qū)動是一種建立在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)模式。以任務(wù)為主線、以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體是其基本特征。在教學(xué)過程中，教師把要教學(xué)內(nèi)容設(shè)計成一個或多個具體任務(wù)，將要傳授的知識點(diǎn)蘊(yùn)含于任務(wù)之中，并創(chuàng)設(shè)一定的情境將任務(wù)布置給學(xué)生，學(xué)生則要對任務(wù)進(jìn)行分析、討論，在教師的指導(dǎo)下通過各種途徑完成任務(wù)。其顯著特征表現(xiàn)在：教師的教學(xué)與學(xué)生的學(xué)習(xí)圍繞一個目標(biāo)，在強(qiáng)烈的問題驅(qū)動下，學(xué)生進(jìn)行自主探索和互動協(xié)作的學(xué)習(xí)，在完成既定任務(wù)的同時產(chǎn)生新任務(wù)的一種學(xué)習(xí)實(shí)踐活動。

本課程在組織實(shí)施中，每個任務(wù)按照“創(chuàng)設(shè)情境、設(shè)定任務(wù)”“儲備知識、分析任務(wù)”“協(xié)同合作、實(shí)施任務(wù)”“評價考核、展示任務(wù)”4個流程來實(shí)施。

表1 “地質(zhì)信息處理”課程內(nèi)容構(gòu)成

三、基于數(shù)字高程模型（DEM）地貌特征分析的課程應(yīng)用

在基于數(shù)字高程模型（DEM）的地形分析研究中，地形因子分析是其中最為基礎(chǔ)的內(nèi)容。地形因子是為有效地研究與表達(dá)地貌形態(tài)特征所設(shè)定的具有一定意義的指標(biāo)，它是實(shí)現(xiàn)地貌定量化研究的有效手段。

按照地形因子所描述的空間區(qū)域范圍，可以將地形因子劃分為微觀地形因子與宏觀地形因子兩種基本類型。常用的微觀地形因子主要有：坡度、坡向、坡長、平面曲率、剖面曲率等。它們所描述的是一個微分點(diǎn)單元的信息，其量值的大小一般只受所在點(diǎn)高程以及微小領(lǐng)域范圍內(nèi)高程信息的影響。常用的宏觀地形因子主要有：地形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度等。宏觀地形因子描述的一般是一個區(qū)域，它的量值不僅僅只受所在點(diǎn)高程的影響，并且還與分析窗口內(nèi)的所有高程點(diǎn)信息密切相關(guān)。

在基于數(shù)字高程模型（DEM）地貌特征分析的課程應(yīng)用中，選取兩個小任務(wù)進(jìn)行教學(xué)，分別是：彩色等值立體圖的繪制、坡向圖的繪制。

彩色等值立體圖以及坡向圖的繪制簡要步驟（以MapGIS6.7為例）：利用“輸入編輯”模塊中的等高線自動賦值，對等高線文件賦予高程值；系統(tǒng)主界面“空間分析”菜單下的“DTM分析”，打開數(shù)據(jù)文件；提取高程點(diǎn)，離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，建立GRD模型，保存生成的GRD數(shù)據(jù)；設(shè)置彩色等值立體圖參數(shù)，繪制彩色等值立體圖。在GRD數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，繪制格網(wǎng)坡向圖。

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（編輯：秦俊嫄）

本文系湖南省教育廳科學(xué)研究項目“基于DEM 崀的湖南 山丹霞地貌特征研究”（編號：14C0299）的研究成果。

G712

A

1671-0568（2016）20-0048-02

肖清華，湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。研究方向：地質(zhì)地貌與地質(zhì)找礦；晏涵，湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院國土資源調(diào)查專業(yè)講師。