多分辨率DEM误差分析研究

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数字高程模型(DEM)是描述地形信息的基础数据,在各个领域都有着广泛的应用,随着研究的深入,越来越多的学者开始认识到DEM的分辨率问题,并提出了多分辨率DEM的概念。高分辨率的DEM能更好地描绘地形细节,但在实际的使用过程中,DEM的分辨率并不是越高越好,因此如何针对不同的应用领域和应用目的选择合适分辨率的DEM,怎样正确评价多分辨率DEM误差就成了人们使用DEM过程中迫切需要解决的问题。本文对多分辨率DEM误差进行了系统研究,分析了其影响因素和空间特征,准确地评估了DEM简化误差,以上研究对DEM简化算法的精度控制,建立适用于不同应用领域的多分辨率DEM,提高DEM使用效率,具有重要的意义。  当前对于多分辨率DEM误差的研究国内外已有大量的成果,这些研究成果对多分辨率DEM建模的发展都产生了积极的影响,并为其进一步研究提供了理论参考和方法借鉴,但总的来说对于多分辨率DEM误差的评价仍存在一些不足和薄弱环节,主要体现在对多分辨率DEM的适应性规律缺乏研究,无法根据特定应用选择合适分辨率的DEM;误差评价指标单一,多采用“中误差”、“最大误差”来简单地评估简化误差,忽略了DEM误差的空间自相关性;误差研究对象单一,对多分辨率DEM误差的评价多集中在高程误差的评价上,忽略了对其它地形因子的评价;对误差空间的可视化表达与定量分析的统一缺乏研究等几个方面。本文针对多分辨率DEM误差评价现有研究的不足,以USGS的SRTM10米分辨率的DEM数据作为研究区域,利用地统计学相关原理和分形的相关理论,系统地评价了其简化前后DEM误差,揭示了简化误差的空间分布规律,探索了DEM最佳简化分辨率的选择方法,实现了误差空间的可视化表达与定量分析的统一。本文主要内容如下:  (1)总结多分辨率DEM误差评价的方法以及存在的不足,从理论上对多分辨率DEM误差的定义和定量表达作了详细阐述,分析总结了影响多分辨率DEM误差的因素及其影响规律,研究了地统计学所特有的半方差函数和分形维数理论,介绍了DEM提取坡度、坡向和表面曲率三个地形因子的提取算法和实现方法。  (2)对多分辨率DEM误差的空间结构特征进行了分析,首先利用统计学的方法对四个地形因子简化前后的空间结构特征进行整体把握,然后利用半方差函数工具对多分辨率DEM误差的空间异质性进行了分析,探索了多分辨率DEM误差空间结构分布特征,进而提出了DEM简化过程中最佳分辨率的选择方法,为多分辨率DEM使用中最佳分辨率选择规律的研究提供了参考。在此基础上,引入分形概念,提出了用来评价DEM空间异质性的分维数的计算方法,通过对研究区域多分辨率DEM分维数的计算,比较简化前后不同分辨率DEM空间异质性变化大小,定量评估简化误差。  (3)基于回放等高线法,绘制了研究区域等高线叠合图,实现了多分辨率DEM误差的可视化,从整体上把握其空间分布规律。从等高线的几何精度评估和分维数评估两个方面考虑,介绍了多分辨率DEM重构等高线长度误差、位置偏移误差、缓冲区限差和弯曲度分维数四个指标的计算方法,并对研究区域多分辨率DEM等高线的四个指标进行了计算,定量地分析了DEM简化误差,实现了多分辨率DEM误差可视化与定量评价的统一。
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