基于SRTM-DEM的河南省基本地貌类型提取方法研究-毕业论文.doc

1、 南阳师范学院 20XX 届毕业生毕业论文（设计）题 目：基于 SRTM-DEM的河南省基本地貌类型 提取方法研究 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 测绘工程 指导教师： 完成日期： 目 录摘要 (1)0 引言 (1)1 研究区地理位置及地形地貌概述 (1)2 数据准备 (2)2.1数据介绍 (2)2.2数据下载 (2)2.2.1DEM数据的下载 (2)2.2.2矢量数据的下载 (3)2.2.2河南地形数据的获取 (3)2.3我国三大常用坐标系区别（北京 54、西安 80和 WGS-84） (4)24我国常用高程坐标系 (5)3 地貌专题图的制作 (6)3.1高程专题图 (6)3.2

2、坡度专题图及分析 (7)3.3地形起伏度专题图及分析 (8)4 地貌类型划分 (9)4.1河南省地貌类型划分 (9)4.2河南省县级行政地貌类型图 (11)5 结语 (11)5.1河南地形 (12)5.2研究近况 (12)参考文献 (12)Abstract (13)第 1 页 (共 13 页)基于 SRTM-DEM 的河南省基本地貌类型提取方法研究摘要：本文是基于美国 SRTMDEM 数据，在 GIS 平台下，通过对 SRTMDEM 数据的处理，制作了河南省数字高程模型。用高程模型及起伏度模型相结合，可初步实现基本地貌类型的自动提取，其结果可很好的反映区域地貌宏观规律。综合考虑这些制图信息，然

3、后基于最新的中国基本地貌类型划分标准，可将河南省按地貌划分为低海拔平原、低海拔台地、低海拔丘陵、小起伏低山、中起伏低山、小起伏中山、中起伏中山、大起伏中山、中起伏中高山、大起伏中高山 10 类。研究表明，这种对地貌类型的自动提取方法在一定程度上改进了传统手工和野外调查为主的提取方法，实现了地貌信息的数字化。关键词：河南省；地貌特征；地貌类型；地理信息系统；数字高程模型0.引言地貌是自然地域综合体的主导因素，直接影响甚至决定着其他要素特征，与经济建设、社会发展、防灾减灾等方面关系密切 1，对其准确、快速地提取工作，不仅关系到更高级别地貌信息的准确提取，同时还对进一步的地貌格局分析、地貌区划等有着

4、重要意义，并且对地球表面宏观地域分异、水分、能量的再分配等有着重要影响 ,并间接影响着土壤、植被以及物质迁移和生态系统的总体演替和发展 2。地貌学的发展经历了一个定性描述到定量分析研究的阶段，传统地貌特征分析方法常以定性为主，主要是通过纸质地形图或野外调查获取数据资料进行，这种方法数据庞大、计算繁琐、成果精度低、主观性强、使得地貌学的定量研究发展缓慢。20 世纪 90年代以来，随着计算机、空间技术、3S(GIS、RS、GPS)、技术的发展和成熟，人们开始基于数字高程模型等数据源尝试地貌特征提取方法，如张会平等利用 DEM数据自动提取坡度等地形要素来研究岷江上游地貌形态 3；汤国安等利用 DEM

5、来研究地形定量因子的挖掘及地形起伏度的研究等 4,5；李军峰等利用 DEM自动提取沟谷网络及节点技术等来研究水流累计量均值分级统计规律 6等。对基于 DEM的河南省基本地貌类型类型提取方法的研究，以期实现地貌信息数字化的提取及基于领域分析的地势起伏度地貌形态的提取。第 2 页 (共 13 页)1.研究区地理位置及地形地貌概述虽然国内外已将数字高程模型运用于地貌信息提取中，但由于地貌本身的区域性和复杂性，其方法还并不成熟，有由于河南省位于我国中部偏东，在黄河中下游，全境处于北纬 3123-3622和东经 11021-11639之间，南北跨越约 540km，东西横跨约 580km，全省总面积约 1

6、6.51万 km。河南分属四大流域，北部为海河流域，中部为黄河流域，西南为长江流域，东南为淮河流域，河南地形复杂，地势基本西高东低，北部为太行山余脉，西部为秦岭余脉，南部为大别山，中南部自西北向东南为横亘 400km的伏牛山，东部为广阔的黄淮海平原，根据中国大陆地貌自西向东呈现出的 3个巨大地貌台阶逐渐急剧降低的特点，河南在全国地貌中的位置是跨第二和第三两级地貌台阶，河南地貌条件十分复杂，类型多种多样，形态结构和区域差异性显著 7。2.数据准备2.1 数据介绍我们常用的免费的 DEM数据就是 SRTM的 DEM数据。SRTM 数据主要是由美国太空总署（NASA）和国防测绘局（NIMA）联合测量

7、的，SRTM 的全称是Shuttle Radar Topography Mission，即航天飞机雷达地形测绘使命，2000年 2月 11日上午 11时 44分，美国“奋进”号航天飞机在佛罗里达州卡那维拉尔角的航天发射中心发射升空， “奋进”号上搭载的 SRTM系统共计进行了222小时 23分钟的数据采集工作，获取北纬 60度至南纬 56度之间，面积超过1.19亿平方公里的 9.8万亿字节的雷达影像数据，覆盖全球陆地表面的 80%以上，该计划共耗资 3.64亿美元，获取的雷达影像数据经过两年多的处理，制成了数字地形高程模型，该测量数据覆盖中国全境。 SRTM数据每经纬度方格提供一个文件，精度有

8、 1 arc-second和 3 arc-seconds两种，称作 SRTM1和 SRTM3,或者称作 30M和 90M数据，SRTM1 的文件里面包含 3601*3601个采样点的高度数据，SRTM3 的文件里面包含 1201*1201个采样点的高度数据。目前能够免费获取中国境内的 RTM3文件，是 90m的数据，每个 90m的数据点是由 9个 30m的数据点算术平均得来的。2.2 数据下载2.2.1 DEM数据的下载SRTM 是目前几种重要的全球可获得性（Global available）DEM 之一。我第 3 页 (共 13 页)们此次下载的数据就是从最原始的网址下载的 1。它将全球分为

9、 2472的大小网格。根据河南的面积大小和经纬度可以知道，我们需要下载的有SRTM_59_05、SRTM_59_06、 SRTM_60_05、 SRTM_59_06四块数据。存储到一个文件夹里，解压即可。2.2.2矢量数据的下载要想获得河南省的高程地图仅有 DEM数据是不够的，我们还需要得到河南省省界数据。这就需要先获得全国省级行政区划，在从其中提取出河南省省界图，这个数据需要从下面这个网站获得 2。下载得到的是一个压缩数据，解压省界 bou2_4m.zip即可得到全国省界地图。2.23 河南地形数据的获取地形主要分为平原、高原、山地、丘陵、盆地五中类型 8,9。而河南的地形中又包括其中的四种

10、（除高原外） 。（1）平原：平原是陆地上最平坦的地域，它好像铺在大地上的绿色地毯，坦荡千里，辽阔无垠。平原地貌宽广低平，起伏很小，海拔多在 200米以下。世界平原总面积约占全球陆地面积的 1/4.平原可以分成堆积平原和侵蚀平原两类，堆积平原中的冲积平原，主要由河流冲积而成。它的特点是地面平坦，面积广大，多分布在大江、大河的中、下游两岸地区。另一类侵蚀平原，主要由海水、风、冰川等外力的不断剥蚀、切割而成。这种平原地面起伏较大。（2）高原：雄伟挺拔、险峻奇峭、蜿蜒起伏的高原，是在长期、连续、大面积的地壳抬升运动中形成的，海拔高度一般是在 1000米以上。有的高原表面宽广平坦，地势起伏不大；有的高原

11、则奇峰峻岭、山峦起伏，地势变化很大。（3）山地：地球陆地的表面，有许多蜿蜒起伏、巍峨奇特的群山。山由山顶、山坡和山麓三个部分组成，平均高度都在海拔 500米以上。它们以较小的峰顶面积区别于高原，又以较大的高原区别于丘陵。这些群山层峦叠嶂，群居一起，形成一个山地大家族。（4）丘陵：丘陵是陆地上起伏和缓、连绵不断的高地。根据起伏高度，相对高度小于 100米者一般称为低丘陵，而 100-200米者一般称为高丘陵。（5）盆地：盆地四周高、中间低，整个地形象一个大盆。盆地的四周一般1数据链接：http:/srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp2数据连接：h

12、ttp:/ 第 4 页 (共 13 页)有高原或山地围绕，中间是平原或丘陵。盆地主要有两种类型。一种是地壳构造运动形成的盆地，称为构造盆地，如我国新疆的吐鲁番盆地、江汉平原盆地。另一种是由冰川、流水、风和岩溶侵蚀形成的盆地，称为侵蚀盆地，如我国云南西双版纳的景洪盆地，主要由澜沧江及其支流侵蚀扩展而成。而我们所需要的最终数据需要经过一下几步操作。（1）需要拼接四块 DEM数据，用 Data Management Tools / Raster / Mosaic To New Raster进行拼接。（2）对已拼接的数据进行投影变化，在 Mosaic To New Raster中选Coordinate

13、 system for the raster (optional) / Projected Coordinate Systems / UTM / WGS 1984 / 49N.prj完成投影变换。（3）用 Editor工具从省界图中提取出河南省。（4）对数据进行掩膜处理，在工具箱中选 Spatial Analyst Tools / Extraction / Extract by Mask可在 DEM数据中提取出河南的 DEM地形图。2.3 我国三大常用坐标系区别（北京 54、西安 80 和 WGS-84）（1）北京 54坐标系（BJZ54）: 北京 54坐标系为参心大地坐标系，大地上的一点可用

14、经度 L54、纬度 M54和大地高 H54定位，它是以克拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系。1954 年北京坐标系的历史：新中国成立以后，我国大地测量进入了全面发展时期，再全国范围内开展了正规的，全面的大地测量和测图工作，迫切需要建立一个参心大地坐标系。由于当时的“一边倒”政治趋向，故我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联 1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为 1954年北京坐标系。因此，1954 年北京坐标系可以认为是前苏联 1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。北京 54坐标系，属三心坐标系，长轴 6378245m

15、，短轴 6356863，扁率 1/298.3。(2)西安 80坐标系：1978 年 4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立我国新的坐标系。为此有了 1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为 1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据，即 IAG 75地球椭球体。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约 60公里，故称 1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站19521979 年确定的黄海平均海水面（即 1985国家高程基准）。西安 80坐标第 5 页 (共 13 页)系

16、，属三心坐标系，长轴 6378140m，短轴 6356755，扁率 1/298.25722101。（3）WGS-84 坐标系：WGS84 坐标系（World Geodetic System）是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的 Z轴指向国际时间局（BIH）1984.0 定义的协议地极（CTP）方向，X 轴指向BIH1984.0的协议子午面和 CTP赤道的交点，Y 轴与 Z轴、X 轴垂直构成右手坐标系，称为 1984年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统（ITRS），是目前国际上统一采用的大地坐标系。GPS 广播星历是以 WGS-84坐标系为根据的。W

17、GS84 坐标系，长轴 6378137.000m，短轴 6356752.314，扁率1/298.257223563。由于采用的椭球基准不一样，并且由于投影的局限性，使的全国各地并不存在一至的转换参数。对于这种转换由于量较大，有条件的话，一般都采用GPS联测已知点，应用 GPS软件自动完成坐标的转换。当然若条件不许可，且有足够的重合点，也可以进行人工解算。我们此次用的是 WGS-84坐标系。2.4 我国常用高程系（1）1956 年黄海高程系：1956 年黄海高程系是在 1956年确定的。它是根据青岛验潮站 1950年到 1956年的黄海验潮资料，求出该站验潮井里横按铜丝的高度为 3.61 m，所

18、以就确定这个钢丝以下 3.61米处为黄海平均海水面。从这个平均海水面起，于 1956年推算出青岛水准原点的高程为 72.289m。 （2）1985 国家高程基准：国家 85高程基准其实也是黄海高程基准，只不过老的叫“1956 年黄海高程系统”，新的叫“1985 国家高程基准”，新的比旧的低 0.029m。我国于 1956年规定以黄海(青岛)的多年平均海平面作为统一基面，为中国第一个国家高程系统，从而结束了过去高程系统繁杂的局面。但由于计算这个基面所依据的青岛验潮站的资料系列（1950 年1956 年）较短等原因，中国测绘主管部门决定重新计算黄海平均海面，以青岛验潮站 1952年1979 年的潮

19、汐观测资料为计算依据，并用精密水准测量接测位于青岛的中华人民共和国水准原点，得出 1985年国家高程基准高程和 1956年黄海高程的关系为： 1985年国家高程基准高程=1956 年黄海高程-0.029m。1985 年国家高程基准已于 1987年 5月开始启用，1956 年黄海高程系同时废止。我国目前通用的高程基准是：85 高程基准。我国各高程系统之间的关系如表 1所示。第 6 页 (共 13 页)表 1各高程系统之间的关系56黄海高程基准 +72.289m85高程基准（最新的黄海高程） 56高程基准-0.029吴淞高程系统 56高程基准+1.688珠江高程系统 56高程基准-0.5863.地

20、貌专题图的制作地貌即地球表面各种形态的总称，也叫地形。地表形态是各种多样的，成因也不尽相同，是内、外力地质作用对地壳综合作用的结果。内力地质作用造成了地表的起伏，控制了海陆分布的轮廓及山地、高原、盆地和平原的地域配置，决定了地貌的构造格架。而外营力（流水、风力、太阳辐射能、大气和生物的生长和活动）地质作用，通过多种方式，对地壳表层物质不断进行风化、剥蚀、搬运和堆积，从而形成了现代地面的各种形态。地表起伏的形态，如陆地上的山地、平原、河谷、沙丘，海底的大陆架、大陆坡、深海平原、海底山脉等。根据地表形态规模的大小，有全球地貌，有巨地貌，有大地貌、中地貌、小地貌和微地貌之分。大陆与洋盆是地球表面最大

21、的地貌单元，较小的地貌形态如有在流水和风力作用下形成的沙垄和沙波等。地貌是自然地理环境的重要要素之一，对地理环境的其他要素及人类的生产和生活具有深刻的影响。而我们此次主要介绍在栅格 DEM的基础上，利用 GIS软件得出研究区的高程专题图、坡度专题图、地形起伏度专题图等的方法与过程。3.1 高程专题图及分析DEM 所提供的原始数据就是高程数据，是 DEM最基本的信息，根据研究区实际可知河南的最高的高程是 2392m(误差数据),最低的高程是-65m（误差数据） 。河南实际的最高峰是位于灵宝市小秦岭的老鸦贫,高程是 2413.8m,最低处为淮河出省出 23.2m。我们在 Layer Propert

22、ies中选 Classified将高程分为第 7 页 (共 13 页)2000m。然后作图，步骤是：右击图层单击 Layer Properties/Classied/Classify进行分类，完成河南省高程的自动提取，如下所示图 1为河南省的高程分级结果图。由此我们可以看出，河南省高程空间分布特点：总体地形西部高，东部低，由西向向东呈阶梯状逐渐降低，平原主要分布于中部与东部，丘陵主要分布于东北部和南部，低山分布中部和东北部小部分区域，中高山分布于西部分地区。图 1 河南省高程专题图3.2 坡度专题图及分析将研究区分为平原至微倾斜坡（45）6 个等级，得到需要的专题图。坡度的提取过程为：（1）单

23、击 Spatial Analyst下拉箭头，单击 Surface Analysis，在弹出的下一菜单中单击 Slope，打开 Slope对话框。（2）单击 Input surface下拉箭头，选择输入栅格数据集。（3）选择坡度表示方法，默认选项为度。第 8 页 (共 13 页)（4）在 Z factor文本框中输入高程变换系数。（5）在 Output cell size文本框中输入栅格大小。（6）在 Output raster文本框中输入输出坡度的存放路径与文件名。（7）单击 OK按钮，完成操作。结果如图 2所示。图 2 河南省坡度专题图3.3 地形起伏度专题图及分析地形起伏度又叫做地势或相对

24、高程，是指地面一定范围内最大的高程差，其实质是坡度在宏观区域的一个延伸，在宏观的区域内反映了地面的起伏度特征。陈志明 10对中国地貌形态按地形起伏度分为微缓起伏（020m） 、小起伏（2075m） 、中起伏（75200m） 、山地起伏（200600m）和高山起伏（600m）等五级，我们依据此作河南省地形起伏度专题图。地形起伏度的提取方法如下：（1）选中 DEM数据，在 Spatial Analyst下使用栅格邻域计算工具Neighborhood Statistic。设置 Statistic type为最大值，邻域的类型为矩形（也可以是圆） ，邻域的大小为 7*7，则可得到一个邻域为 7*7矩形

25、的最大值层面，记为 A。第 9 页 (共 13 页)（2）重复第 1步，只是把 Statistic type值设置为最小值，即可得到 DEM数据的最小值层面，记为 B。 （3）在 Spatial Analyst下使用栅格计算器 Raster Calculator，公式为：A-B，即可得到一个新层面，其每个栅格的值是以这个栅格为中心的确定邻域的地形起伏度。提取的结果如图 3所示。图 3 河南省地形起伏度专题图4.地貌类型划分4.1 河南省地貌类型划分海拔和起伏度是提取基本地貌类型的两个重要指标 10,也是地貌形态的重要参数。考虑到河南省地形复杂，本文参考李炳元的中国陆地基本地貌类型划分指标，按照

26、高程起伏度与海拔高度两个指标组合来进行河南省地貌类型划分。依据 3.3节中高程起伏度划分标准和 3.1节中海拔高度分级标准组合成的基本地貌类型分类系统，在河南省共有 10个基本地貌类型，分别为低海拔平原、低海拔台地、低海拔丘陵、小起伏低山、中起伏低山、小起伏中山、中起伏中山、大起伏中山、中起伏中高山、大起伏中高山 10类。分类标准如表 2所示,第 10 页 (共 13 页)基本地貌类型如图 4所示。 表 2 中国基本地貌类型 1海拔形态类型 (1）低海拔 (2) 中海拔 (3) 高中海拔 （4）高海拔 （5）极高海拔6000m平原平原台地低海拔平原 中海拔平原 高中海拔平原 高海拔平原 低海拔

27、台地 中海拔台地 高中海拔台地 高海拔台地丘陵 （200m ）小起伏山地 （200500m ）山地 中起伏山地 （5001000m）大起伏山地（10002500m）极大起伏山地 （2500m）低海拔丘陵 中海拔丘陵 高中海拔丘陵 高海拔丘陵小起伏山地 小起伏中山 小起伏高中山 小起伏高山中起伏山地 中起伏中山 中起伏高中山 中起伏高山 中起伏极高山大起伏中山 大起伏高中山 大起伏高山 大起伏极高山极大起伏高中山 极大起伏高山 极大起伏极高山图 4 河南省地貌图类型划分结果第 11 页 (共 13 页)根据地貌类型图划分结果（图 4）,整个河南省低海拔平原约 65980.53 km，低海拔台地约

28、 30212.18 km，低海拔丘陵约 18782.13 km，小起伏山地约 27585.13 km，中起伏山地约是 13599.08 km，小起伏中山约是 1233.84 km，中起伏中山约是 5986.31 km，大起伏中山约是 1683.50 km，中起伏高中山约是 15.92 km，大起伏高中山约是 1.57 km。这些面积是在属性列表和EXCLE中计算的。4.2 河南省县级行政区地貌类型图河南省合计 15地级市 2地区 23县级市 45市辖区 89县，我们此次做的是在 4.1基础上把各个县的地貌情况展示出来。具体步骤如下：(1)输入 counties_china数据，对其进行剪切操作

29、得出河南矢量图。（2）对 4.1所得的地貌图形与上一步骤所得的河南地图进行几何校正，使得两个图形在一个坐标系内。（3）再输入 BOUNT_line数据，对其也进行剪切操作得出河南图形，此时三个图层叠加到了一起。（4）利用（1）步骤所得图形带有的属性数据对图形进行编辑。（5）最后输出 BOUNT_line和 4.1图形的进行编辑的组合图形。结果如图 5所示。第 12 页 (共 13 页)图 5 河南省县级行政地貌专题图5 结语5.1 河南地形本次对河南省地貌类型的研究得出的结果是：河南省主要为低山和丘陵地貌，总体地形西部高东部低，由西向东层阶梯状逐渐降低；坡度相对集中在025，尤其以3的坡地分布

30、广泛，四农耕地和城镇的主要分布区域。5.2 研究近况本文使用的基础数据为 SRTM-DEM数据，分辨率较大，存在一定的数据精度问题，若能采用更高分辨率的高程数据进行地貌分析，会得到更客观的成果。随着全国各类基础数据库、尤其是与地貌紧密联系的各自然要素数据的相继完成，为进行地貌信息提取提供了很好的数据源，今后可以在高精度数字高程模型支持下，通过建模等方法进一步实现更详细级别的地貌信息自动提取。参 考 文 献第 13 页 (共 13 页)1 李炳元，潘保田，韩嘉福 中国陆地基本地貌类型及其划分指标探讨 J 第四纪研究，2008， 28(4)：535-5432 龙恩，程维明，周成虎，姚永慧，刘海江.

31、 基于 SRTM-DEM 与遥感的长白山基本地貌类型提取方法J. 山地学报，2007,25（5）：557-565.3 张会平，张恒安，杨农，等. 基于 GIS 的岷江上游地貌形态初步分析J. 中国地质灾害与防治学报，2004,15（3）：116-119.4 汤国安，杨玮莹，杨昕，等.对 DEM 地形定量因子挖掘中若干问题的探讨J.测绘科学，2003,28（1）：28-32.5 朱红春，陈楠，刘海英，等. 自 1:10000 比例尺 DEM 提取地形起伏度以陕北高原的使用俺为例J.测绘科学，2005,30（4）：8-88.6 李军峰，李天文，汤国安，等.基于 DEM 的沟谷网络节点水流量积量研究

32、J.山地学报，2005,23（2）：228-234.7 任静，陈亮. 基于 SRTM-DEM 的河南地貌特征分析与类型划分 J. 河南科学，2011,29（9）：1113-1116.8 沈玉昌主编。中国地貌区划（初稿）M. 北京：科学出版社，1959:24-29.9 李四光著，张文佑编译. 中国地质学M.上海正风出版社， 1953:9.10 陈志明主编.1:400 万中国及其毗邻地区地貌图说明书.中国地貌纲M.北京：中国地图出版社，1993:7-13.11 柴宗新.按相对高度划分地貌基本形态的建议M.北京：测绘出版社，1986:90-97.Based on DEM of the basic l

33、andform type extraction method research of Abstract：This article is based on the SRTM DEM data, the GIS platform, through to the SRTM DEM data - processing, has made the digital elevation model of HeNan province. Combined with elevation model and the degree of fluctuation model, can implement basic

34、geomorphic types of preliminary automatic extraction, the results can well reflect the regional geomorphic macro regulation. Considering these drawing information, and then based on the latest basic landform classification standards in China, according to the landform in HeNan province can be divide

35、d into low altitude, low altitude platform, low-lying hills and plains of undulating hills, undulating hills, small ups and downs, ups and downs in ZhongShan, ZhongShan big ups and downs in ZhongShan, ups and downs in the alpine mountains, big ups and downs in the class. Research has shown that this

36、 automatic extraction method of landform types in a certain extent, improved the traditional manual and the extraction methods of field study is given priority to, geomorphologic information digitization is realized.第 14 页 (共 13 页)Key words：HeNan province;Topographical features; Geomorphic types; Geographic information system; Digital elevation model