DEM地貌特征分析在“地质信息处理”课程中的应用

□肖清华 晏 涵

DEM地貌特征分析在“地质信息处理”课程中的应用

□肖清华 晏 涵

数字高程模型（DEM）是地形特征空间分布的数字定量模型，其最常见的数据表示模型为规则格网GRD模型和不规则三角网TIN模型。在“地质信息处理”课程中引入数字高程模型，以任务驱动的教学模式组织实施，进行地形地貌的特征分析，绘制彩色等值立体图以及坡向图，增强了学生地质地貌信息提取与分析的能力。

DEM；地貌特征分析；课程

一、数字高程模型（DEM）

1.DTM和DEM

数字地形模型（DTM，Digital Terrain Model）最初是为了高速公路的自动设计提出的。此后，它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制。

数字高程模型（Digital Elevation Model），简称DEM，是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字定量模型。最基本的DEM模型是由一系列地面点的x，y坐标及与之相对应的高程z所组成，用数学函数式表达为：z=f（x，y）。从数学的角度，高程模型是高程z关于平面坐标x，y两个自变量的连续函数，数字高程模型（DEM）只是它的一个有限的离散表示。

2.DEM数据采集方法

DEM的最主要的数据采集方法有：地面测量，利用测距经纬仪在野外实测；地形图数字化；GPS结合雷达等进行数据采集；数字摄影测量方法等。

3.DEM数据表示模型

在地理信息系统中，DEM最主要的有3种表示模型：等高线模型、规则格网GRD模型、不规则三角网TIN模型。

等高线模型，每一条等高线对应一个已知的高程值，一系列的等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。

GRD模型，建立在网格化数据上的高程模型，每个网格单元对应一个高程值。规则网格，其优势是很容易进行叠加数据计算，提取等高线、坡度坡向等地形因子；缺点是不能准确地表现地形细节，难以反映复杂地形的高程突变，且有时数据量过大。

TIN模型，将原始数据划分成彼此相连的三角面网络，能够避免平原地区的数据冗余，又能够充分表现地形特征点。

二、在“地质信息处理”课程中引入数字高程模型（DEM）

“地质信息处理”是地质调查与矿产普查专业的重要职业技能课。是在计算机应用基础上进行教学的，同时也为学习遥感地质分析、固体矿产勘查服务，应用MapGIS软件将地貌信息、矿产信息、地质图件、表格等资料进行计算处理，得出相关的数据信息，为地貌特征分析、地质找矿等提供依据，并绘制各种地质图件。

1.“地质信息处理”课程内容构成

本课程实践性极强，其中一半学时用多媒体进行理论、操作讲解，另一半学时提供给学生进行上机实训。“地质信息处理”课程主要内容有两个：一是地质图件的绘制；二是地质地貌信息的提取分析。课程总学时64，地质图件的绘制（48学时）：含新建工程、线编辑、点编辑、区编辑、拓扑造区、矢量化流程、工程裁剪、用户文件投影、标准图框生成等9个任务；地质地貌信息的提取分析（16学时）：含属性数据输出、数字高程模型（DEM）地貌特征分析、化探数据处理、空间分析与属性分析等4个任务（见表1）。

2.引入数字高程模型（DEM）意义

“地质信息处理”课程核心能力是地质图件绘制能力与地质地貌信息提取分析能力。而数字高程模型（DEM）在地貌特征分析中有其独特的优势。

随着现代信息技术的不断发展，数字高程模型（DEM）理论及相关分析技术得到地学工作者的广泛关注，国际上已将其作为一种常规的地形地貌研究手段和工具。在与地学相关的科学研究中，数字高程模型（DEM）可以为各种地学模型提供地形参数并辅助地学模型的建立。应用研究中，数字高程模型（DEM）使人们可以直观地观察地形地貌，比传统的地形等值线图更加精细地研究地形数据结构。与此同时，地理信息系统（GIS）和遥感（RS）技术的迅速发展为DEM数据的采集、存储、处理以及地学分析等工作提供了强有力的技术支撑，为研究地貌开辟了新的途径，使原有的地质地貌研究由定性进入半定量和定量化阶段。

3.课程组织实施：任务驱动

任务驱动是一种建立在建构主义教学理论基础上的教学模式。以任务为主线、以教师为主导、以学生为主体是其基本特征。在教学过程中，教师把要教学内容设计成一个或多个具体任务，将要传授的知识点蕴含于任务之中，并创设一定的情境将任务布置给学生，学生则要对任务进行分析、讨论，在教师的指导下通过各种途径完成任务。其显著特征表现在：教师的教学与学生的学习围绕一个目标，在强烈的问题驱动下，学生进行自主探索和互动协作的学习，在完成既定任务的同时产生新任务的一种学习实践活动。

本课程在组织实施中，每个任务按照“创设情境、设定任务”“储备知识、分析任务”“协同合作、实施任务”“评价考核、展示任务”4个流程来实施。

表1 “地质信息处理”课程内容构成

三、基于数字高程模型（DEM）地貌特征分析的课程应用

在基于数字高程模型（DEM）的地形分析研究中，地形因子分析是其中最为基础的内容。地形因子是为有效地研究与表达地貌形态特征所设定的具有一定意义的指标，它是实现地貌定量化研究的有效手段。

按照地形因子所描述的空间区域范围，可以将地形因子划分为微观地形因子与宏观地形因子两种基本类型。常用的微观地形因子主要有：坡度、坡向、坡长、平面曲率、剖面曲率等。它们所描述的是一个微分点单元的信息，其量值的大小一般只受所在点高程以及微小领域范围内高程信息的影响。常用的宏观地形因子主要有：地形粗糙度、地形起伏度、高程变异系数、地表切割深度等。宏观地形因子描述的一般是一个区域，它的量值不仅仅只受所在点高程的影响，并且还与分析窗口内的所有高程点信息密切相关。

在基于数字高程模型（DEM）地貌特征分析的课程应用中，选取两个小任务进行教学，分别是：彩色等值立体图的绘制、坡向图的绘制。

彩色等值立体图以及坡向图的绘制简要步骤（以MapGIS6.7为例）：利用“输入编辑”模块中的等高线自动赋值，对等高线文件赋予高程值；系统主界面“空间分析”菜单下的“DTM分析”，打开数据文件；提取高程点，离散数据网格化，建立GRD模型，保存生成的GRD数据；设置彩色等值立体图参数，绘制彩色等值立体图。在GRD数据基础之上，绘制格网坡向图。

[1]邬伦，刘瑜等.地理信息系统原理、方法和应用[M].北京:科学出版社,2001.

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（编辑：秦俊嫄）

本文系湖南省教育厅科学研究项目“基于DEM 崀的湖南 山丹霞地貌特征研究”（编号：14C0299）的研究成果。

G712

A

1671-0568（2016）20-0048-02

肖清华，湖南工程职业技术学院讲师。研究方向：地质地貌与地质找矿；晏涵，湖南工程职业技术学院国土资源调查专业讲师。