完整版基于DEM的梯田自动提取模型研究.docx

1、完整版基于DEM的梯田自动提取模型研究本 科 生 毕 业 论 文（或设计）（申请学士学位）注意：1、所有表格必须用word中的表格做，不能抓屏 2、表格、图不能出页码，一般居中 3、留好电子版的论文及相关材料4、章节号的标题不能在独立页的最末行，前四页没有页眉5、页面设置，纸张大小AA，页边距左3厘米，上、下、右页边距2.5厘米，对称页边距。6、该论文模板禁止任何修改论文题目 基于DEM的梯田自动提取模型研究 作者姓名 程彩霞 所学专业名称 地理信息系统 指导教师 王 春 （注意整体居中，题目等横线上要填的居中，论文模版格式不要随便改动，题目为小三、楷体）2009年6月6日学 号：论文答辩日期

2、：2009年 6 月 6 日指 导 教 师： （签字）滁州学院本科毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 目 录（目录自动生成，四号、黑体）摘要 1Abstract 11 引言 11.1 选题背景与依据 11.2 国内外研究进展 11.3 研究内容与技术方案 21.4 论文组织 32 梯田形态特征分析 32.1 梯田的自然形态特征 32.2 梯田的数字化表达 52.2.1

3、梯田的不规则三角网表达 52.2.2 梯田的规则格网DEM表达 52.3 小结 63.基于DEM的梯田自动提取模型 63.1 模型总体结构 63.2 模型关键技术 63.2.1 地表法向量计算模型 63.2.2 梯田内部格网点的识别 83.2.3 梯田边界线的提取 83.3 小结 104.DEM梯田自动提取原型系统实现 104.1 原型系统概述 104.1.1 原型系统主要功能 104.1.2 原型系统开发平台 124.2原型系统测试 124.2.1 实验样区概述 124.2.2 实验结果分析 144.4小结 155.结论与讨论 165.1 主要成果 165.2 研究展望 16参考文献 17附

4、 录：关键程序代码 18致 谢 23（目录内容五号、宋体）基于DEM的梯田自动提取模型研究（小二、黑体）摘要：（四号、黑体）DEM蕴含了丰富的地形信息，论文通过分析不同地区梯田的形态特征及其在DEM的表现形式，构建基于DEM提取梯田的数学模型，开发具有开放性和实用性的基于DEM提取梯田的原型系统，并以黄土高原的DEM数据为样本，完成原型系统的检测，为估算和检核农业用地面积，改进DEM地形建模精度等提供了很好的是理论与实践参考。（五号、宋体，行间距为固定值20磅）关键词：（四号、黑体）数字高程模型；梯田；数学模型；原型系统A New Model of Derived Terraces Based

5、 on Grid DEM （三号、Times New Roman） Abstract：（四号、Times New Roman）Digital Elevation Models(DEM) contains plenty of information , the papers transit the analysis of morphological characteristics in different regions and its performance in the form of DEM , then build the mathematical methods of extracti

6、on of terraced fields based on DEM and develop the prototype system with open and practical function, complete the test of the prototype system with the DEM data of Loess Plateau. It provides a good theory and practice reference to estimate the area of agricultural land, at the same time; it improve

7、s the accuracy of DEM in terrain modeling. （五号、Times New Roman，行间距为固定值20磅）Key words：（四号、Times New Roman）digital elevation models；terraces；mathematical methods；prototype system（五号、Times New Roman）（以上单独成页，单独成页的没有页眉）1 引言（段前12磅，段后6磅，小三、黑体）1.1 选题背景与依据（段前6磅，段后6磅，四号、黑体）梯田是人类长久以来对原生黄土地貌形态进行人工改造而形成的独特地形，不仅包含

8、复杂的自然微地貌特征（如切割梯田的各种沟壑等），而且包含丰富的人工改造工程特征，具有重要的科学研究价值。它具有拦蓄暴雨、地表径流,保土保肥、方便耕作等作用，是治理坡耕地水土流失的有效措施，而且它的通风透光条件较好，有利于作物生长和营养物质的积累，增强了抵御自然灾害的能力，同时也使土地利用结构得到合理的调整，因此梯田的建设是夯实农业基础,改变农业生产条件,实现经济可持续发展的必经之路。数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是国家基础空间数据的重要组成部分，它表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合。通过高程信息来记录地形的起伏，当中蕴含着各种

9、地形地貌的结构信息，其中包括梯田、等高线、山谷线、山脊线坡度、坡向、地表粗糙度、地形起伏度、剖面曲率和平面曲率等。这些信息是进行各种地学分析所必须的信息。研究国家已经建立的各种比例尺DEM蕴含了怎样的梯田信息，如何快速、准确的提取它们，对小流域梯田改造、水文分析、水土保持及生态恢复、环境保护、估算和检核农业用地面积、改进DEM地形建模精度等具有重要的指导和应用价值。（五号、宋体，行间距为固定值20磅）1.2 国内外研究进展自数字高程模型（DEM）概念的提出，DEM的诸多理论问题得到了深入的研究，DEM的及基于DEM数字地形分析的理论与技术方法体系正在形成。随着全国多尺度的DEM的相继建立，它的

10、应用遍及地球科学、资源、环境、测绘与遥感、军事、土木工程等领域，并发挥着越来越重要的作用。在理论研究方面，DEM的不确定性、DEM的尺度效应、DEM的地学分析、基于DEM的数据挖掘都取得了较大的突破。在应用方面，也从一般的地形因子提取、支持三维漫游等简单应用向更多的样式、更广泛的领域发展。可以说，DEM所代表的已经不仅仅是一般的记录海拔高程的空间数据，还包括一些空间分析的思路、一种地学处理的方法。而对DEM精度的研究，一直是摄影测量界的重要研究议题，随着科技的发展，DEM的精度也在逐渐提高，同时提出了DEM精度描述指标和评定方法，建立了DEM精度评价体系和精度模型，使得DEM的应用越来越广泛。

11、近年来，国内外众多学者对DEM应用展开了一系列的研究，并取得了重要成果。中科院水土保持研究所李锐等在数字黄土高原及区域水土流失评价研究中取得重要的进展1；刘昌明等在利用DEM进行流域水文过程模拟等方面已有诸多成果2；傅伯杰等在基于RS、GIS的黄土高原景观及基于DEM的土壤侵蚀规律研究3-4，闾国年等在基于DEM的黄土地形自动识别与分割，取得了令人瞩目的研究成果5-6。此外，南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室的汤国安、刘学军等多年来一直致力于基于DEM的黄土高原数字地形分析研究，在基于DEM的黄土高原地貌形态特征分析、黄土高原资源环境研究、黄土高原DEM及数字地形分析的不确定性、黄土高原

12、DEM的破谱研究、黄土高原的高保真DEM、基于DEM的沟壑特征分析、基于DEM的山地气候特征分析、基于DEM 的植被空间分异分析等领域进行了全面而深入的研究，并取得了一系列令人瞩目的研究成果7-8。随着地理信息系统技术的广泛应用，数字地形分析的研究也越来越受到人们的重视。DEM的数字地形分析研究的主要内容是地形因子的提取和地形特征的提取。地形因子有很多，分为微观因字和宏观因子，常用的有微观因子主要有坡度、坡向、坡度变率、坡向变率、平面曲率、剖面曲率、坡长，常用的宏观因子主要有破形因子、地形粗糙读、地形起伏度、高程变异系数、地表切割深度。这些地形因子具有明确的数学表达式和物理定义，可以在DEM上

13、直接量算，计算的结果均具有实际的物理意义和量纲的量，可以通过实地或地形图的量测而直接检验。地形特征是地表形态和特征的定性表达，主要有山顶点、凹陷点、脊点、谷点、鞍点、平地点、山脊线、山谷线、等高线、沟沿线、水系、梯田等，可以在DEM上直接提取，特点是定义明确，但边界具有一定的模糊性，难以用数学表达式表达，地形特征的提取通常根据对高程点的空间分布关系的分析、或对地表物质运动机理的简化建模，通过某种模拟算法而实现，如确定水文要素的流水路径算法，提取结果通常以分类的形式表达，并可利用常用的统计学方法进行分类检验。地形特征的自动提取技术已经有丰富的研究，如基于图像处理技术的算法提取山谷线和山脊线、基于

14、地形表面流水物理模拟分析方法提取山谷线和山脊线、利用沟间地和沟坡地在形态和成因上的差异进行沟沿线的提取、基于地表径流漫流模型提取水系等。梯田作为一种特殊的地形特征，到目前为止还没有人对DEM中梯田的自动提取技术进行系统的研究过。因此，本文通过分析不同地区梯田的形态特征及其在DEM的表现形式，构建基于DEM提取梯田的数学模型，开发具有开放性和实用性的基于DEM提取梯田的原型系统，并以黄土高原的DEM数据为样本，完成原型系统的检测，为估算和检核农业用地面积，改进DEM地形建模精度等提供理论与实践参考。1.3 研究内容与技术方案查阅文献资料，分析不同区域梯田的形态特征及其在DEM中的表现形式，根据分

15、析结果，构建描述梯田特征的数学模型和数学表达约束条件，基于ArcGIS Engine组件，开发具有开放性和实用性的基于DEM的梯田自动提取原型系统，并以黄土高原梯田地形为检验样区，完成原型系统的实例测试。依据论文研究内容，构建了如下的技术流程：（表格的表名在表上方，图的图名在下方，图表名用小五黑体，图表中文字用小五宋体。插图与其图题为一个整体，不得拆开排写于两页。图题由图号和图名组成。图号按章编排，如第1章第一图图号为“图1-1”等。）1.4 论文组织本文共有四个章节，第一章是总体概述，主要论述论文的选题背景、依据、国内外的研究进展、研究内容和大致的一个技术方案。第二章主要分析梯田的形态特征，通过分析梯田的自然形态特征和它在矢量地形图、不规则三角网和规则格网DEM中的表现形式，总结出梯田的形态特征。第三章是构建基于格网DEM的梯田自动提取模型，主要介绍构建模型的算法和关键技术。第四章是原型系统的实现，主要介绍原型系统的功能和开发平台，论述算法是如何实现的以及最终测试的结果。第五章是论文的主要成果以及研究展望。2 梯田形态特征分析2.1 梯田的自然形态特征 我国幅员辽阔，梯田遍布全国各地，特别是水土流失比较严重的地方，因为可有效地防止水土流失，创造良好的水、土生态环境，有利于耕作，提高作物产量。例如，黄土高原、东北、龙脊、云南元阳等地区都是大面积梯田覆盖地区。我国黄土高原受特