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内容简介

　　《数字地形分析/地理信息系统理论与应用丛书》数字地形分析是随着数字高程模型的发展而出现的地形分析方法。
　　《数字地形分析/地理信息系统理论与应用丛书》由三个部分组成。第壹部分重点讨论数字地形分析的基本概念、地形的数字特征以及地形的数学建模。第二部分着重介绍数字地形分析的基本技术，包括基本地形参数计算、地形形态特征分析、地形统计特征分析、复合地形属性和地形可视化及分析。第三部分重点讨论了数字地形分析中的误差处理方法，以及数字地形分析的技术走向和发展趋势。
　　《数字地形分析/地理信息系统理论与应用丛书》适合于地理信息系统、测绘、地理、水文、生态、环境等地学相关领域的科研、生产、开发人员使用，也可作为大专院校测绘工程、地理信息系统和地学等相关领域和专业的本科生、研究生的教材。

作者简介

　　周启鸣，香港浸会大学地理系教授。1982年毕业于北京师范大学地理系，获理学学士学位。1990年获澳大利亚新南威尔士大学博士学位，同年受聘于澳大利亚新南威尔士大学地理系，任讲师、高级讲师。1997年受聘于香港浸会大学地理系，任副教授、教授。长期从事数字地形分析、遥感变化监测、GIS与遥感技术整合以及空间信息技术的地学应用研究。现任香港摄影测量与遥感学会会长、国际摄影测量与遥感学会书评主编、国际摄影测量与遥感学会《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》等国内外多个学术期刊编委。武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室兼职教授、博士生导师，国家基础地理信息中心客座研究员、科技部国家遥感中心国产地理信息系统软件测评专家委员会成员。
　　
　　刘学军，1965年出生，南京师范大学教授，博士生导师。1987年毕业于东华理工学院（原华东地质学院）工程测量系，获工学学士学位；1989年获清华大学工程测量硕士学位，2002年获武汉大学（原武汉测绘科技大学）摄影测量与遥感专业博士学位。研究领域包括数字高程模型与数字地形分析、GIS空间分析方法及应用、交通GIS等，在国内外杂志发表论文40多篇，出版专著三部。

内页插图

目录

《地理信息系统理论与应用丛书》出版说明
序
前言
致谢

第1章 绪论
1．1 地形图与地形分析
1．2 数字高程模型与数字地形分析
1．3 数字地形分析的技术内涵
1．3．1 地形数据与数据结构
1．3．2 误差分析与不确定性
1．3．3 算法设计与实现
1．4 数字地形分析的主要内容
1．5 数字地形分析的主要应用范畴
1．5．1 水文学应用
1．5．2 地貌、土壤学应用
1．5．3 生态学应用
1．5．4 工程和其他应用
1．6 关于本书内容

第2章 地形曲面的基本数字特征
2．1 地形的数学描述
2．1．1 地形的抽象表达
2．1．2 地形的数学模型
2．1．3 地形曲面的二维平面模型——等高线模型
2．2 地形曲面的基本参数
2．2．1 高程
2．2．2 高差
2．2．3 高程分布曲线
2．2．4 距离
2．2．5 面积与表面积
2．2．6 体积
2．2．7 地形粗糙度
2．2．8 坡度与坡向
2．2．9 地形曲率
2．2．1 0汇水面积与单位汇水面积
2．2．1 1区域地形参数
2．3 基本地貌形态特征的数学定义
2．3．1 斜坡
2．3．2 山顶
2．3．3 山脊
2．3．4 山谷
2．3．5 洼地
2．3．6 鞍部
2．4 本章小结

第3章 数字高程模型与地面形态表达
3．1 数字高程模型
3．2 DEM数据源特征与获取方法
3．2．1 地形图
3．2．2 摄影测量与遥感影像数据
3．2．3 地面测量数据
3．2．4 现有DEM数据
3．2．5 DEM数据源与采集方法对比
3．3 DEM的表示方法和结构模型
3．3．1 DEM表达
3．3．2 DEM结构模型
3．3．3 不同DEM之间的相互转换
3．4 DEM数据粗差检查与滤波处理
3．4．1 原始数据粗差检测与剔除
3．4．2 原始数据的滤波处理
3．5 DEM模型优化
3．5．1 洼地填平处理
3．5．2 由等高线数据生成的TIN上的平坦三角形处理
3．5．3 数据点疏化处理
3．6 DEM分辨率和原始数据尺度的匹配
3．7 最佳DEM分辨率的确定
3．8 DEM质量评价
3．8．1 数值精度指标——DEM中误差
3．8．2 流域结构分析
3．8．3 等高线分析
3．8．4 地形属性可视化分析
3．8．5 地形属性频率直方图分析
3．9 本章小结

第4章 地形曲面参数计算
4．1 基于DEM的地形曲面参数计算原理
4．2 高程内插
4．2．1 基于格网DEM的高程内插计算
4．2．2 基于TIN的高程内插计算
4．2．3 基于等高线模型的高程内插计算
4．3 坡度坡向计算
4．3．1 基于格网DEM的坡度坡向计算
4．3．2 基于TIN的坡度坡向计算
4．3．3 基于等高线模型的坡度坡向计算
4．4 坡度变化率和坡向变化率计算
4．4．1 基于最大坡降算法的坡度和坡向变化率计算
4．4．2 基于差分算法的坡度和坡向变化率计算
4．5 曲率计算
4．5．1 基于格网DEM曲率计算
4．5．2 格网DEM导数估计的统一公式
4．6 坡长计算
4．6．1 基于格网DEM坡长计算的基本步骤
4．6．2 非流量累积坡长计算方法
4．6．3 流量累积坡长计算方法
4．7 地形起伏度、粗糙度与切割深度
4．7．1 基本定义
4．7．2 基于DEM的地形起伏度、粗糙度、切割深度计算原理
4．8 面积计算
4．8．1 基于格网DEM面积计算
4．8．2 基于等高线DEM面积计算
4．8．3 基于TIN的面积计算
4．8．4 剖面面积计算
4．9 体积计算
4．9．1 土方计算原理
4．9．2 格网DEM土方计算方法
4．9．3 基于等高线DEM的体积计算
4．9．4 基于TIN的体积计算
4．1 0本章小结

第5章 地形形态特征分析
5．1 地形形态特征分析的意义与内容
5．1．1 地形形态基本特征
5．1．2 地貌形态
5．1．3 地貌特征分析意义
5．1．4 地形形态特征提取的主要内容
5．2 地形形态特征分析的基本原理和方法
5．2．1 地形形态特征分析原理
5．2．2 地形形态特征提取的技术内涵
5．2．3 特征提取基本方法
5．3 地形形态特征点分类
5．3．1 基于高差符号变化的地形点分类
5．3．2 基于曲率变化的地形点分类方法
5．3．3 基于地形参数的地形点分类
5．3．4 基于坡度和曲率的地形部位分类
5．4 地形形态特征线提取的解析方法
5．4．1 算法回顾
5．4．2 地形特征线候选点确定方法
5．4．3 特征线跟踪
5．5 地形形态特征线提取的模拟方法
5．5．1 概述
5．5．2 路径算法原理与分类
5．5．3 单流向算法
5．5．4 多流向算法
5．6 流域分析
5．6．1 流域概念
5．6．2 流域分析内容与流程
5．6．3 水流网络计算
5．6．4 流域地形分割算法设计
5．7 地形形态可视性特征分析
5．7．1 地形可视性分析基本概念
5．7．2 地形可视性计算原理
5．7．3 地形可视性计算实现
5．8 本章小结

第6章 地形统计特征分析
6．1 基本地形参数的特征统计
6．1．1 高程数据的统计分析
6．1．2 坡向数据的统计
6．2 高程分布特征模型
6．2．1 正态分布模型
6．2．2 皮尔逊Ⅲ分布模型
6．3 沟壑密度计算与分析
6．3．1 沟壑密度的计算与地学统计意义
6．3．2 沟壑密度计算
6．4 趋势面分析
6．4．1 趋势面分析的地学意义
6．4．2 高程数据的趋势面分析
6．4．3 趋势面的拟合精度
6．5 地形相关性分析
6．5．1 莫兰指数
6．5．2 局耶瑞指数
6．5．3 半变异函数
6．6 本章小结
……

第7章 复合地形属性
第8章 地形可视化及分析
第9章 数字地形分析的误差与精度
第10章 数字地形分析的发展方向和展望

参考文献
中英文术语对照

前言/序言

　　数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）自20世纪50年代后期首次提出以来，就受到了科学界和工程界极为广泛地关注。特别是近几年来，随着空间信息基础设施、“数字地球”、“数字区域”、“数字城市”等概念和技术应用领域的兴起，DEM作为国家空间数据基础设施的基本产品之一和赖以进行地形分析的基础数据，已经规模化生产，并在不同领域逐步取代传统地形图对地形的描述。目前我国已经建成了全国1：100万、1：25万、1：5万等不同比例尺的DEM数据库，1：1万DEM数据库也正在积极的建设中。可以肯定，在我国国民经济各个领域中，高质量、高精度、多种类的DEM产品必将发挥出越来越大的作用。
　　DEM作为数字化的地形图，蕴含着大量的、各种各样的地形结构和特征信息，是定量描述地貌结构、水文过程、生物分布等空间变化的基础数据。然而，DEM数据的本质是离散的高程数据，每个数据本身并不能反映实际地表的几何特征，如同传统的基于纸质地图的地形分析，在DEM上进行地形分析时，也需要一种基于数字高程的信息分析方法——数字地形分析（Digital Terrain Analysis，DTA），其定义为在数字高程模型上进行地形属性计算和特征提取的数字地形信息处理的理论和方法。
　　从DEM提出到现在的40余年间，DEM在数据获取、建模方法、质量控制等方面都取得了长足的进步。而过去由于地图的直观性、一览性，人们忽视了地图信息的解析性和复杂性，忽视了地图信息分析和应用的研究，从而导致数字地形分析理论与技术的发展落后于应用的要求。迄今为止，关于DEM应用和DTA方面的科学技术文献仅限于在国内外一些学术期刊上发表的论文和有关地理信息系统（GIS）和数字地形模型著作中的个别章节，GIS软件商提供的也大多数是介绍性的宣传资料或简单的用户手册。国内外专门论述数字地形分析原理与方法的论著可谓凤毛麟角，在过去20余年中也仅出现少数几部集个别研究成果而成的编著，因而缺乏对数字地形分析理论和技术全面和系统的介绍，更谈不上对各种地形分析方法的比较、分析和研究。因此，人们很难全面了解和把握有关数字地形分析的概念、与DEM的关系、算法设计与评价等关键问题，在很大程度上限制了数字地形分析理论和技术的应用和普及。
　　自1995年以来，笔者先后主持或参与了国内外多项DEM建立和应用方面的课题研究，笔者之一以数字地形分析为研究方向完成了博士学位论文。在长期的科研、学术交流、工程实践与教学中，笔者查阅了大量的国内外相关文献资料，积累了一些经验，深感数字地形分析理论和技术对科研和工程实践的重要性。鉴于目前资料的匮乏，在国家地理信息系统协会的建议，以及众多学术界的前辈、同行和朋友的鼓励下，终于完成这本关于数字地形分析方面的专著，希望藉此推动我国数字地形分析理论研究和应用的进展。
　　本书在笔者近十年来从事DEM和DTA研究的基础上，综合相关领域专家学者在该领域的研究成果，汇集国内外最新的理论与技术成就，系统全面地介绍了数字地形分析的框架体系、理论基础、算法原理和算法分析评价方法。全书可分为三个部分。第一部分包括1～3章，主要介绍数字地形分析的背景、基本概念、研究内容及其应用领域，并着重讨论数字地形分析方法的数学基础和地形数据建模。第二部分由第4～8章组成，介绍数字地形模型的分析方法和计算算法，包括基本地形曲面参数的计算方法，地形特征提取算法，地形曲面参数的统计特征，复合地形属性的概念、应用意义和计算方法，以及地形曲面可视化分析方法与原理。第三部分包括第9章和第10章，重点讨论数字地形分析的误差分析，阐述了数字地形分析面临的挑战及其发展前景，并对本书进行了总结。笔者对书中所介绍的主要内容都进行了对比分析和比较，力求具有较强的针对性和实用价值。所介绍的算法在效率上虽不一定是最优的，但大部分都通过了实例验证，对读者有一定的启发作用。本书在写作过程中，力求内容简练，全面系统，方法实用，同时反映DEM和DTA方面研究的最新成就，希望为地学和工程学相关领域的各类专业技术、研究和管理人员进行科学研究、教学、软件开发和生产等提供较为完整的理论依据和技术参考。
　　本书构想于2002年春，成稿于2005年秋，历时三年多。直至完稿之际，虽顿觉轻松，完成多年的夙愿，但也感触颇深：地形表面是人类活动和能量物质交换的场所，对地形表达目前研究较多，而地形分析特别是数字地形分析的研究相对滞后。本书的研究虽然只是一个开始，但笔者相信可以为今后的研究奠定一个较好的基础。同时作者也希望通过本书的出版，能抛砖引玉，使更多的专家、同行和学者关注该领域的研究，进一步推动中国基础地理信息的开发和应用，此其一也。其二，在撰写过程中，笔者发现该领域中尚存在诸多理论问题值得进一步深入地探讨和研究。例如，DEM地形分析尺度问题、误差分布与传播、地形参数与地学分析模型的耦合、DEM地形单元异质性及其影响等，这些问题的解决不但能够进一步拓展DEM的应用领域，而且也能为相关学科的研究提供可借鉴的理论和方法。其三，当今科学技术发展极其迅速，日新月异，本书虽尽可能力求全面，紧跟学科发展，但深感该领域理论之深奥，应用之广泛，然笔者才疏学浅，书中难免挂一漏万，恳请读者见谅并不吝赐教。
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