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內容簡介

　　《數字地形分析/地理信息係統理論與應用叢書》數字地形分析是隨著數字高程模型的發展而齣現的地形分析方法。
　　《數字地形分析/地理信息係統理論與應用叢書》由三個部分組成。第壹部分重點討論數字地形分析的基本概念、地形的數字特徵以及地形的數學建模。第二部分著重介紹數字地形分析的基本技術，包括基本地形參數計算、地形形態特徵分析、地形統計特徵分析、復閤地形屬性和地形可視化及分析。第三部分重點討論瞭數字地形分析中的誤差處理方法，以及數字地形分析的技術走嚮和發展趨勢。
　　《數字地形分析/地理信息係統理論與應用叢書》適閤於地理信息係統、測繪、地理、水文、生態、環境等地學相關領域的科研、生産、開發人員使用，也可作為大專院校測繪工程、地理信息係統和地學等相關領域和專業的本科生、研究生的教材。

作者簡介

　　周啓鳴，香港浸會大學地理係教授。1982年畢業於北京師範大學地理係，獲理學學士學位。1990年獲澳大利亞新南威爾士大學博士學位，同年受聘於澳大利亞新南威爾士大學地理係，任講師、高級講師。1997年受聘於香港浸會大學地理係，任副教授、教授。長期從事數字地形分析、遙感變化監測、GIS與遙感技術整閤以及空間信息技術的地學應用研究。現任香港攝影測量與遙感學會會長、國際攝影測量與遙感學會書評主編、國際攝影測量與遙感學會《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》等國內外多個學術期刊編委。武漢大學測繪遙感信息工程國傢重點實驗室兼職教授、博士生導師，國傢基礎地理信息中心客座研究員、科技部國傢遙感中心國産地理信息係統軟件測評專傢委員會成員。
　　
　　劉學軍，1965年齣生，南京師範大學教授，博士生導師。1987年畢業於東華理工學院（原華東地質學院）工程測量係，獲工學學士學位；1989年獲清華大學工程測量碩士學位，2002年獲武漢大學（原武漢測繪科技大學）攝影測量與遙感專業博士學位。研究領域包括數字高程模型與數字地形分析、GIS空間分析方法及應用、交通GIS等，在國內外雜誌發錶論文40多篇，齣版專著三部。

內頁插圖

目錄

《地理信息係統理論與應用叢書》齣版說明
序
前言
緻謝

第1章 緒論
1．1 地形圖與地形分析
1．2 數字高程模型與數字地形分析
1．3 數字地形分析的技術內涵
1．3．1 地形數據與數據結構
1．3．2 誤差分析與不確定性
1．3．3 算法設計與實現
1．4 數字地形分析的主要內容
1．5 數字地形分析的主要應用範疇
1．5．1 水文學應用
1．5．2 地貌、土壤學應用
1．5．3 生態學應用
1．5．4 工程和其他應用
1．6 關於本書內容

第2章 地形麯麵的基本數字特徵
2．1 地形的數學描述
2．1．1 地形的抽象錶達
2．1．2 地形的數學模型
2．1．3 地形麯麵的二維平麵模型——等高綫模型
2．2 地形麯麵的基本參數
2．2．1 高程
2．2．2 高差
2．2．3 高程分布麯綫
2．2．4 距離
2．2．5 麵積與錶麵積
2．2．6 體積
2．2．7 地形粗糙度
2．2．8 坡度與坡嚮
2．2．9 地形麯率
2．2．1 0匯水麵積與單位匯水麵積
2．2．1 1區域地形參數
2．3 基本地貌形態特徵的數學定義
2．3．1 斜坡
2．3．2 山頂
2．3．3 山脊
2．3．4 山榖
2．3．5 窪地
2．3．6 鞍部
2．4 本章小結

第3章 數字高程模型與地麵形態錶達
3．1 數字高程模型
3．2 DEM數據源特徵與獲取方法
3．2．1 地形圖
3．2．2 攝影測量與遙感影像數據
3．2．3 地麵測量數據
3．2．4 現有DEM數據
3．2．5 DEM數據源與采集方法對比
3．3 DEM的錶示方法和結構模型
3．3．1 DEM錶達
3．3．2 DEM結構模型
3．3．3 不同DEM之間的相互轉換
3．4 DEM數據粗差檢查與濾波處理
3．4．1 原始數據粗差檢測與剔除
3．4．2 原始數據的濾波處理
3．5 DEM模型優化
3．5．1 窪地填平處理
3．5．2 由等高綫數據生成的TIN上的平坦三角形處理
3．5．3 數據點疏化處理
3．6 DEM分辨率和原始數據尺度的匹配
3．7 最佳DEM分辨率的確定
3．8 DEM質量評價
3．8．1 數值精度指標——DEM中誤差
3．8．2 流域結構分析
3．8．3 等高綫分析
3．8．4 地形屬性可視化分析
3．8．5 地形屬性頻率直方圖分析
3．9 本章小結

第4章 地形麯麵參數計算
4．1 基於DEM的地形麯麵參數計算原理
4．2 高程內插
4．2．1 基於格網DEM的高程內插計算
4．2．2 基於TIN的高程內插計算
4．2．3 基於等高綫模型的高程內插計算
4．3 坡度坡嚮計算
4．3．1 基於格網DEM的坡度坡嚮計算
4．3．2 基於TIN的坡度坡嚮計算
4．3．3 基於等高綫模型的坡度坡嚮計算
4．4 坡度變化率和坡嚮變化率計算
4．4．1 基於最大坡降算法的坡度和坡嚮變化率計算
4．4．2 基於差分算法的坡度和坡嚮變化率計算
4．5 麯率計算
4．5．1 基於格網DEM麯率計算
4．5．2 格網DEM導數估計的統一公式
4．6 坡長計算
4．6．1 基於格網DEM坡長計算的基本步驟
4．6．2 非流量纍積坡長計算方法
4．6．3 流量纍積坡長計算方法
4．7 地形起伏度、粗糙度與切割深度
4．7．1 基本定義
4．7．2 基於DEM的地形起伏度、粗糙度、切割深度計算原理
4．8 麵積計算
4．8．1 基於格網DEM麵積計算
4．8．2 基於等高綫DEM麵積計算
4．8．3 基於TIN的麵積計算
4．8．4 剖麵麵積計算
4．9 體積計算
4．9．1 土方計算原理
4．9．2 格網DEM土方計算方法
4．9．3 基於等高綫DEM的體積計算
4．9．4 基於TIN的體積計算
4．1 0本章小結

第5章 地形形態特徵分析
5．1 地形形態特徵分析的意義與內容
5．1．1 地形形態基本特徵
5．1．2 地貌形態
5．1．3 地貌特徵分析意義
5．1．4 地形形態特徵提取的主要內容
5．2 地形形態特徵分析的基本原理和方法
5．2．1 地形形態特徵分析原理
5．2．2 地形形態特徵提取的技術內涵
5．2．3 特徵提取基本方法
5．3 地形形態特徵點分類
5．3．1 基於高差符號變化的地形點分類
5．3．2 基於麯率變化的地形點分類方法
5．3．3 基於地形參數的地形點分類
5．3．4 基於坡度和麯率的地形部位分類
5．4 地形形態特徵綫提取的解析方法
5．4．1 算法迴顧
5．4．2 地形特徵綫候選點確定方法
5．4．3 特徵綫跟蹤
5．5 地形形態特徵綫提取的模擬方法
5．5．1 概述
5．5．2 路徑算法原理與分類
5．5．3 單流嚮算法
5．5．4 多流嚮算法
5．6 流域分析
5．6．1 流域概念
5．6．2 流域分析內容與流程
5．6．3 水流網絡計算
5．6．4 流域地形分割算法設計
5．7 地形形態可視性特徵分析
5．7．1 地形可視性分析基本概念
5．7．2 地形可視性計算原理
5．7．3 地形可視性計算實現
5．8 本章小結

第6章 地形統計特徵分析
6．1 基本地形參數的特徵統計
6．1．1 高程數據的統計分析
6．1．2 坡嚮數據的統計
6．2 高程分布特徵模型
6．2．1 正態分布模型
6．2．2 皮爾遜Ⅲ分布模型
6．3 溝壑密度計算與分析
6．3．1 溝壑密度的計算與地學統計意義
6．3．2 溝壑密度計算
6．4 趨勢麵分析
6．4．1 趨勢麵分析的地學意義
6．4．2 高程數據的趨勢麵分析
6．4．3 趨勢麵的擬閤精度
6．5 地形相關性分析
6．5．1 莫蘭指數
6．5．2 局耶瑞指數
6．5．3 半變異函數
6．6 本章小結
……

第7章 復閤地形屬性
第8章 地形可視化及分析
第9章 數字地形分析的誤差與精度
第10章 數字地形分析的發展方嚮和展望

參考文獻
中英文術語對照

前言/序言

　　數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）自20世紀50年代後期首次提齣以來，就受到瞭科學界和工程界極為廣泛地關注。特彆是近幾年來，隨著空間信息基礎設施、“數字地球”、“數字區域”、“數字城市”等概念和技術應用領域的興起，DEM作為國傢空間數據基礎設施的基本産品之一和賴以進行地形分析的基礎數據，已經規模化生産，並在不同領域逐步取代傳統地形圖對地形的描述。目前我國已經建成瞭全國1：100萬、1：25萬、1：5萬等不同比例尺的DEM數據庫，1：1萬DEM數據庫也正在積極的建設中。可以肯定，在我國國民經濟各個領域中，高質量、高精度、多種類的DEM産品必將發揮齣越來越大的作用。
　　DEM作為數字化的地形圖，蘊含著大量的、各種各樣的地形結構和特徵信息，是定量描述地貌結構、水文過程、生物分布等空間變化的基礎數據。然而，DEM數據的本質是離散的高程數據，每個數據本身並不能反映實際地錶的幾何特徵，如同傳統的基於紙質地圖的地形分析，在DEM上進行地形分析時，也需要一種基於數字高程的信息分析方法——數字地形分析（Digital Terrain Analysis，DTA），其定義為在數字高程模型上進行地形屬性計算和特徵提取的數字地形信息處理的理論和方法。
　　從DEM提齣到現在的40餘年間，DEM在數據獲取、建模方法、質量控製等方麵都取得瞭長足的進步。而過去由於地圖的直觀性、一覽性，人們忽視瞭地圖信息的解析性和復雜性，忽視瞭地圖信息分析和應用的研究，從而導緻數字地形分析理論與技術的發展落後於應用的要求。迄今為止，關於DEM應用和DTA方麵的科學技術文獻僅限於在國內外一些學術期刊上發錶的論文和有關地理信息係統（GIS）和數字地形模型著作中的個彆章節，GIS軟件商提供的也大多數是介紹性的宣傳資料或簡單的用戶手冊。國內外專門論述數字地形分析原理與方法的論著可謂鳳毛麟角，在過去20餘年中也僅齣現少數幾部集個彆研究成果而成的編著，因而缺乏對數字地形分析理論和技術全麵和係統的介紹，更談不上對各種地形分析方法的比較、分析和研究。因此，人們很難全麵瞭解和把握有關數字地形分析的概念、與DEM的關係、算法設計與評價等關鍵問題，在很大程度上限製瞭數字地形分析理論和技術的應用和普及。
　　自1995年以來，筆者先後主持或參與瞭國內外多項DEM建立和應用方麵的課題研究，筆者之一以數字地形分析為研究方嚮完成瞭博士學位論文。在長期的科研、學術交流、工程實踐與教學中，筆者查閱瞭大量的國內外相關文獻資料，積纍瞭一些經驗，深感數字地形分析理論和技術對科研和工程實踐的重要性。鑒於目前資料的匱乏，在國傢地理信息係統協會的建議，以及眾多學術界的前輩、同行和朋友的鼓勵下，終於完成這本關於數字地形分析方麵的專著，希望藉此推動我國數字地形分析理論研究和應用的進展。
　　本書在筆者近十年來從事DEM和DTA研究的基礎上，綜閤相關領域專傢學者在該領域的研究成果，匯集國內外最新的理論與技術成就，係統全麵地介紹瞭數字地形分析的框架體係、理論基礎、算法原理和算法分析評價方法。全書可分為三個部分。第一部分包括1～3章，主要介紹數字地形分析的背景、基本概念、研究內容及其應用領域，並著重討論數字地形分析方法的數學基礎和地形數據建模。第二部分由第4～8章組成，介紹數字地形模型的分析方法和計算算法，包括基本地形麯麵參數的計算方法，地形特徵提取算法，地形麯麵參數的統計特徵，復閤地形屬性的概念、應用意義和計算方法，以及地形麯麵可視化分析方法與原理。第三部分包括第9章和第10章，重點討論數字地形分析的誤差分析，闡述瞭數字地形分析麵臨的挑戰及其發展前景，並對本書進行瞭總結。筆者對書中所介紹的主要內容都進行瞭對比分析和比較，力求具有較強的針對性和實用價值。所介紹的算法在效率上雖不一定是最優的，但大部分都通過瞭實例驗證，對讀者有一定的啓發作用。本書在寫作過程中，力求內容簡練，全麵係統，方法實用，同時反映DEM和DTA方麵研究的最新成就，希望為地學和工程學相關領域的各類專業技術、研究和管理人員進行科學研究、教學、軟件開發和生産等提供較為完整的理論依據和技術參考。
　　本書構想於2002年春，成稿於2005年鞦，曆時三年多。直至完稿之際，雖頓覺輕鬆，完成多年的夙願，但也感觸頗深：地形錶麵是人類活動和能量物質交換的場所，對地形錶達目前研究較多，而地形分析特彆是數字地形分析的研究相對滯後。本書的研究雖然隻是一個開始，但筆者相信可以為今後的研究奠定一個較好的基礎。同時作者也希望通過本書的齣版，能拋磚引玉，使更多的專傢、同行和學者關注該領域的研究，進一步推動中國基礎地理信息的開發和應用，此其一也。其二，在撰寫過程中，筆者發現該領域中尚存在諸多理論問題值得進一步深入地探討和研究。例如，DEM地形分析尺度問題、誤差分布與傳播、地形參數與地學分析模型的耦閤、DEM地形單元異質性及其影響等，這些問題的解決不但能夠進一步拓展DEM的應用領域，而且也能為相關學科的研究提供可藉鑒的理論和方法。其三，當今科學技術發展極其迅速，日新月異，本書雖盡可能力求全麵，緊跟學科發展，但深感該領域理論之深奧，應用之廣泛，然筆者纔疏學淺，書中難免掛一漏萬，懇請讀者見諒並不吝賜教。
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