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江南平原河网地区大量自然与人工交织的地形构成了特有的地形景观,主要表现为,人工整平地形与自然微起伏地形、分块面状地形与交错条带状沟坎频繁交织。这种突变与渐变相结合的地表形态,形成了特有的地面物质能量交换关系与地理过程发展模式,围堰、道路、田坎等线状地物及水闸、泵站等人工设施对地面水文汇水关系起决定性控制作用,影响着田地的灌排与洪涝灾害的形成,制约着面源污染的形成与工农业生产布局。大量应用实践显示,现有利用地形图等高线构建的TIN或规则格网格式DEM,对平原河网地区地形特征描述存在明显失真,常规DEM地形分析方法几乎失效,严重制约平缓区域DEM的应用,亟待新的数字高程模型的出现。然而,有关平原河网地区DEM从建立方法、精度评价到地形分析方法上还处在探索、起步阶段,亟待进行科学的研究探索。
本文针对以上问题,从系统分析江南平原河网区数字高程模型建模的基本特征和要求出发,以江苏省金坛市部分微丘河网地区为例,研究平原区数据采集方案、数据模型与数据组织及基于平原区数字高程模型的地形分析三个方面,主要研究内容和成果如下:
1.通过对现有DEM概念内涵、采样内容、构建流程、应用现状的剖析,从特征地物保留、地形形态保真角度对平原河网地区DEM质量标准做了新的界定。深入考察平原河网地区地形形态特征与地物功能,确定地形数据采样内容与采样方案。
2.借鉴类要素理念与面向对象技术,提出矢量化描述与组织的平原河网数字高程模型P-DEM(PlainDigitalElevationModel),在对平原区特征地物抽象的基础上,综合等高线、高程点、三维特征线以及它们间的拓扑关系,构建了P-DEM的数据结构与数据组织。P-DEM不仅精确记录了核心地形要素的空间三维形态特征,可有效描述渐变地形与突变地形相容交错的特点,而且也准确记录了地物之间的拓扑关系,为平原河网地区地形分析提供了数据基础。
3.借鉴类要素的理念,并结合基于TIN构建规则格网表面模型的技术优点,提出顾及地形形态保真的分区建模方案,针对渐变表面和平直面采取不同构建方法,实现了真实描述平原河网地形特征的地形表面模型重构,为P-DEM可视化及地形分析奠定了基础。
4.实现了基于P-DEM的基本地形因子提取以及水流模拟。借鉴坡度、坡向因子算法及其提取方法,对渐变坡而以及平直面分别计算后再进行融合,提取正确的坡面因子图。利用P-DEM矢量地物之间具有的拓扑关系,模拟江南平原河网地区独有水流特征,实现了河网地区的汇水关系运算与应用。
P-DEM的研究是针对具有渐变场与突变对象的地形进行数字模拟实践的有益探索,是对当前数字高程模型构建技术的有益补充。本文研究成果有望为平原河网地区数据生产与应用提供借鉴意义。本文研究取得了一些进展,然而P-DEM距离走向标准化和实用化仍有相当一段距离,需要在基础理论和构建方法上进一步完善。