三种河流相对高程模型生成方法对比_李悦.pdf
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1、收稿日期:2022-06-10基金项目:国家自然科学基金项目(42271014)和中央高校基金项目(300102280401)联合资助作者简介:李悦(1998-),女,硕士研究生,从事地理信息系统和遥感应用方面的研究。E-mail:通信作者:王冉(1980-),男,博士,副教授,从事地理信息科学与技术方面的研究。E-mail:第43卷 第1期2023年03月华南地震SOUTH CHINA JOURNAL OF SEISMOLOGYVol.43,NO.1Mar.,2023李悦,晁会霞,辛永辉,等.三种河流相对高程模型生成方法对比J.华南地震,2023,43(1):111-120.LI Yue,C
2、HAO Huixia,XIN Yonghui,et al.Comparison of Three Methods for Generating Relative Elevation Models of RiverJ.South China journal of seismology,2023,43(1):111-120三种河流相对高程模型生成方法对比李悦,晁会霞,辛永辉,王兴伟,王冉(长安大学地球科学与资源学院,西安 710054)摘要:相对高程模型(REM,Relative Elevation Model的缩写)表示相对于河流水面或活性河道的海拔高度,衍生于数字高程模型(DEM,Digita
3、l Elevation Model的缩写),能够消除因河流纵向的地势造成的DEM表征不清楚,高差过大造成细节模糊地势的影响,从而在平面图上更为清晰地表征河流地形的细微变化,因而研究REM的生成方法及其适用性具有十分重要的意义。通过文献综述,选取美国加利福尼亚州内华达山脉的卡森河某河段为实验区,利用其高精度(米级分辨率)DEM数据,介绍核密度法、反距离加权法、横截面插值法三种REM生成方法。通过REM和DEM的对比,以及三种REM的效果对比,得出:当高程差过大时,DEM可视化方案往往不能很好地在河流地貌刻画中发挥作用,尤其是在解译时,利用REM可解决高差过大造成的细节模糊问题;横截面插值法主要的
4、优势表现在可根据用户需要做适用性调整,相对而言鲁棒性强,较为灵活,但其自动化程度较低,且花费的时间较长,因此需较多的人工干预;核密度法耗时相对较少,REM结果很少有伪影或错误的相对高程值,但核密度法导致一些潜在的伪影或者错误的相对高度,体现在研究河段范围的终点会有偏差;反距离加权法(IDW,Inverse Distance Weighted的缩写)的优势是创建用时较少,且只需要输入两个数据:DEM和河流中心线,但因搜索距离问题不合适易在特殊地段出现失效情况。因此,REM将在河流精细刻画中发挥重要的作用,其生成方法已经可以实际应用,但有待进一步提高和完善;REM模型不需经过复杂计算,适合难以进行
5、现场调查的河流对比研究,且应用范围较广,为河流迁移、洪水分析、河流管理和修复、生物栖息地选取以及文化评估方面的研究提供了重要作用。关键词:相对高程模型(REM);数字高程模型(DEM);核密度法;反距离加权法(IDW);横截面插值法中图分类号:P595文献标识码:A文章编号:1001-8662(2023)01-0111-10DOI:10.13512/j.hndz.2023.01.14Comparison of Three Methods for Generating RelativeElevation Models of RiverLI Yue,CHAO Huixia,XIN Yonghui,
6、WANG Xingwei,WANG Ran(School of Earth Science and Resources,Changan University,Xian 710054,China)Abstract:The relative elevation model(REM,abbreviation for Relative Elevation Model)represents the altituderelative to the river surface or active river channel,which is derived from the digital elevatio
7、n model(DEM,abbreviation for Digital Elevation Model),and can eliminate the influence of unclear DEM representation caused43卷华南地震by the longitudinal terrain of the river and the blurred terrain caused by the large height difference,so that thesubtle variations of river topography can be more clearly
8、 represented on the floor plan.Therefore,it is of greatsignificance to study the generation method and applicability of REM.Through literature review,this paper selectsa section of the Carson River in the Sierra Nevada,California,USA as the experimental area,and uses its high-precision(meter-level r
9、esolution)DEM data to introduce three REM generation methods:kernel density method,inverse distance weighting method,and cross section interpolation method.Through the comparison of REM andDEM,as well as the comparison of the effects of three REMs,it is concluded that:When the elevation differenceis
10、 too large,the DEM visualization scheme often cannot play a good role in the characterization of river landforms,especially in interpretation,while using REM can solve the problem of blurred details caused by excessive heightdifference;the main advantage of the cross section interpolation method is
11、that it can be adjusted according to theneeds of users with relatively strong robust and more flexible,but its degree of automation is low and it takes a longtime,so it requires more manual intervention;the kernel density method is relatively less time-consuming,andthe REM results rarely have artifa
12、cts or wrong relative height values,but the kernel density method leads to somepotential artifacts or wrong relative heights,which are reflected in the deviation at the end of the study river range;the advantage of the inverse distance weighted method(IDW,abbreviation for Inverse Distance Weighted)i
13、s that ittakes less time to create,and only needs to input two data:DEM and river centerline,but it is easy to fail inspecial areas due to inappropriate search distance.Therefore,REM will play an important role in the detaileddescription of rivers,and its generation method has been practically appli
14、ed,but needs to be further improvedand perfected.The REM model does not require complex calculations,and is suitable for comparative studies ofrivers that are difficult to conduct on-site investigations,which has a wide range of applications and plays animportant role in the research on river migrat
15、ion,flood analysis,river management and restoration,biologicalhabitat selection,and cultural assessment.Keywords:REM;DEM;Kernel density method;Inverse distance weighting(IDW)method;Cross sectioninterpolation method0 引言相对高程模型(REM,Relative Elevation Model的缩写)表示相对于河流水面或活性河道的海拔高度,通过去除下游与河道梯度相关的海拔变化来生成。该
16、过程也被称为“去趋势”1。REM将河道的整体河谷坡度从数字高程模型(DEM,DigitalElevation Model的缩写)中去除,将DEM的地形由倾斜状态变为水平状态,可保留河流地形的细微变化,并使低海拔地区地物清晰可见2。REM是由DEM减去“去趋势”DEM生成的。DEM是以海平面作为基准高程,而REM是以河流的水面高度作为参考基准。在河流及河床的变迁研究之中,相比DEM表征河道梯度海拔变化,利用REM可以简化突出重点信息,获得较好的研究价值,有利于研究河流中的河道迁移3-5以及洪水6的变化等情况,获取精细的地貌细节信息。但是DEM涉及的应用范围较广,包括地质、地貌、土壤、测绘、气象、
17、水文、军事、工程建设等国民经济和国防建设以及人文和自然科学等领域,REM并不适应于所有场景。可根据需要,选择DEM或者REM作为研究辅助资料。在相对高程模型的应用中,最初Jones在2006年提出河上高度法(Har,Height-above-river 的缩写),Har主要描述了相对高程模型(REM)在河流地貌研究方面的应用,用于沿河流走廊识别侧沟7。在 水 文 分 析 中,最 近 排 水 高 度(HAND,Height Above the Nearest Drainage的缩写)常用于地形模型分析中8-12,HAND模型还可以被应用于检测河流通道的内部结构,可消除地物之间较大的高差。与 HA
18、ND 模型不同,去趋势过程中无需精确通道的内部结构,只要求地貌形态不改变。目前,国外一些学者将REM应用在很多不同的场景之中,例如洪水6,13、植被14,15、土壤16、地形17、海岸线1以及河流流域3-5,18等。在河流刻画中,研究应用的范围大小不一样。在小范围专题研究中,主要是核密度法、反距离加权法以及横截面插值法1。而在大尺度的河流解译研究中,2020年有学者提出了通过引导滤波法创建去112第1期李悦等:三种河流相对高程模型生成方法对比趋势 DEM,从而来求古河流的 REM2。此类去趋势DEM保留了原始DEM的地形结构,并在不受表面光谱和遮挡影响的情况下显示了物体的细节。同时,该方法消除
19、了整体上不利于显示对象的梯度。另外,去趋势 DEM 解译得到的古河道图像,可以弥补古河道图缺乏地理坐标和与实际地形不匹配的缺陷。本次研究主要是从河流专题研究出发,主要针对小范围高分辨率数据进行河流精细地貌的刻画研究。鉴于REM的上述优势和较好的应用前景,本文通过文献调研,选取美国加利福尼亚州内华达山脉的卡森河某河段为实验区,利用其高精度(米级分辨率)DEM数据,介绍核密度法、反距离加权法、横截面插值法三种REM生成方法的流程和注意事项,并对比它们各自的适用性。1 实验区及数据获取1.1 研究区域卡森河(Carson River)位于美国加利福尼亚州,全长200公里,发源于内华达山脉,向东北流入
20、内华达西部,后消失在卡森湖沼中19。卡森河的两个主要支流在盆地的上游部分,一般向北流动,并在卡森山谷的北部汇合20。实验区为河流的东北部河段,位于冲积平原地区,河床平坦,河流曲折,具有较高的研究价值。1.2 数据来源与处理1.2.1 数据来源激光雷达(LiDAR)是一种利用光脉冲收集三维信息的技术,常用于河流可视化研究,可以获取可能会被较低分辨率DEM数据遗漏的细微的地形特征,从而常用于精细地貌的实地调查。本次研究的主要数据是从美国地质调查局(USGS)网站获取空间分辨率为 1米的激光雷达点云衍生的 DEM资料。1.2.2 数据预处理利用ArcGIS 10.8软件,将精度为1米的激光雷达DEM
21、数据进行拼接和镶嵌,通过镶嵌至新栅格工具对其进行处理,获得目标对象的研究数据,对DEM数据进行了裁剪,选取卡森河某河段作为感兴趣区。1.2.3 REM的生成REM生成主要包括三个方面:沿着河流的通道提取它的水面高程;在激光雷达点云衍生的DEM数据中创建“去趋势DEM”;从DEM中减去“去趋势DEM”,即可得到REM。技术流程图如下(图1)。图1 生成REM的技术流程图Fig.1 Technical flow chart for generating REM2 三种REM生成方法的操作流程、结果及精度评价说明2.1 横截面插值法横截面插值法是Jones7提出的一种沿河流走廊识别侧沟和其他河流地貌
22、的可视化方法。通过绘制河道中心线与河流横截面,从河道中心的高程往外推得到通道的高程。原理:横截面插值法使用GIS中的线(横截面)数据,这些数据拥有与河流表面对应的高程,对这些数据进行插值以创建新的栅格表面,再从原始 DEM 栅格中减去这些数据以创建 REM。有时,需要多次迭代模型才能准确表示高程为 0处的水面。利用横截面插值法对激光雷达DEM数据进行处理的简要流程(图2):(1)将初步处理过的激光雷达DEM数据加载至ArcGIS 10.8中,手动跟踪河流通道线,沿着河流通道生成点,提取高程。(2)生成通道线和横截面:手动跟踪通道线路,绘制横截面(图3)。(3)分配通道高程到横截面:在绘制的横截
23、面与河流通道中心线的交点处创建点特征;提取各通道点的高程值,再将点高程分配到截面。11343卷华南地震(4)生成去趋势DEM和REM:使用创建TIN工具(3D Analyst工具-数据管理-TIN)从横截面创建一个三角不规则网络(TIN);使用TIN转栅格工具(3D Analyst工具-转换-TIN转出),从 TIN生成去趋势DEM;使用重采样工具(数据管理工具-栅格-栅格处理)更改去趋势DEM的单元格大小,以匹配LiDAR DEM 的单元格大小;最后使用减号工具(Spatial Analyst工具-地图代数-栅格计算器)从原始DEM中减去去趋势DEM,得到REM。通过横截面插值法生成的 RE
24、M 如图所示(图4)。横截面插值法核心是横截面的制作,当绘制横截面时,控制其横截面间距以及对突变地形作横截面支撑线是REM可视化的关键点,对比其余两种方法,当其高度参考点未达到其余两种方法的点数,因绘制截面具有主观性,即容易遗漏一些重要的河流特征,失去部分细节,且可视化效果不够精细。图 4中,观察到横截面插值法生成的 REM 的河流通道清晰可见,靠近河流中心部分河流迁移细节较多,远离河流中心部分存在较多阶地和梯田。图2 横截面插值法技术流程图Fig.2 Technical flow chart of cross section interpolation method图3 创建REM的通道横截
25、面示例图Fig.3 The example of channel cross sections drawn to create a REM114第1期李悦等:三种河流相对高程模型生成方法对比2.2 核密度法核密度法是国外学者 Dilts 等提出的一种方法21,通过计算河流核心的高程值作为河流的参考高度,获取河流迁移区域的详细信息。核密度方法创建所需的时间较短,产生的REM很少有伪影或错误的高程值。原理:核密度分析用于计算每个输出栅格像元周围的点要素的密度,目的是获得能够近似表示数据分布的密度函数的每一点的估计值,从而表示出数据的分布情况。核密度工具使用核密度函数来计算河流海拔的距离加权平均值,
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