制图教室|聊聊DEM:坡度坡向、曲率、等高线、地表皱褶、地形分类

hello~小伙伴们,又来到每周一的制图教室栏目啦!
还记得之前跟大家说过会开展一个GIS系列的教学么?

(点击链接即可前往回顾哦~)
制图教室不能爽约!这不,第二期终于来啦!虽说内容可能有些干,但是!干货它能不干么?!
今天我们来聊聊几乎所有人都会用到的数字高程tiff格栅文件。

0 1

下载DEM格栅数据
DEM数据的可获取性极其友好,在不同网站上有不同精度和瓦片范围的tiff图可供免费下载。其中覆盖范围最广,使用最为频繁的是ASTER卫星的Global Digital Elevation Model数据。
废话不说,上连接:
1)NASA:https://search.earthdata.nasa.gov/search?gdf=GeoTIFF!ArcGIS
在搜索栏搜索 ASTER,使用框选工具选择下载范围即可获取。
2)SRTM DATA:https://srtm.csi.cgiar.org/srtmdata/
中科院镜像全球DEM30m精度格栅tiff文件下载镜像连接。无脑选择之后搜索,直接跳转网页下载。这个数据的优势在于他的瓦片面积很大,在进行大面积分析时非常好用,免除了在GIS中用Mosaic to new raster进行拼贴的繁琐步骤。
3)USGS美国地质调查局:https://earthexplorer.usgs.gov/
在Data Set搜索栏查找Digital Elevation选项,框选搜索范围。有多种平台的数据可供选择。这里以EDNA为例,显示的是美国全境30m精度tiff文件。
点击上述从左至右图标分别是:在图上显示位置、显示数据图片、数据信息解释、下载。
如果选择SRTM 1 Arc-Second Global则为瓦片数据,精度为1/60度,数据单位XYZ方向均为米。
4)地区官网:上述三个网站都是可以下载全球任意陆地地区DEM的,下面以美国纽约和澳大利亚维州为例,给大家介绍局部地区的数据下载搜索技巧。
首先是纽约:
https://data.cityofnewyork.us/City-Government/1-foot-Digital-Elevation-Model-DEM-Integer-Raster/7kuu-zah7
然后是维州:
https://discover.data.vic.gov.au/dataset/vicmap-elevation-dem-10m
纽约数据直接选择下载zip压缩包解压即可,维州数据需要留下自己的邮箱等网站工作人员给你发链接。(1)-(3)三个网站上下载的DEM瓦片都是矩形格栅,而局部地区的数据下载基本都会切分好行政边界。所以在地区官网下载DEM的第一个好处是不需要你再下载行政区Polygon数据进行Extract by mask操作。其次,地区官网的数据精度往往更高,例如纽约数据的格栅精度达到了1英尺(约0.3m,这里顺路吐槽下美国人讨厌的英制单位),澳大利亚的维州数据精度也达到了10m。

0 2

求解坡度、坡向、等高线

这里介绍三个利用DEM数据求解的最基础地理运算,熟悉GIS的朋友可以直接跳过。
首先,一定要养好一个正确的制图习惯。在ArcMap中设定好Environment中的Processing Extent,Output Coordinate System,,Cell size,Mask四个选项,确保输出文件的范围和坐标还有格栅解析度正确。
其次在Property中检查下载的格栅数据坐标,如果需要转换坐标系,利用Project Raster运算器完成并新建Data Frame重新加载转换坐标后的数据。这样我们就可以放心的进行真正的运算而不必担心输出图纸出现坐标不对的问题了。
1)坡度
Slope运算器。这里需要注意Z factor选项可能是1或0.3048。如果使用ASTER数据需要换算0.3048,因为该数据使用米为水平单位,英尺为高程单位;如果使用SRTM则不需要换算,设定Z facto为1即可。Output measurement可以选择为度,或百分比。
2)坡向
Aspect运算器。输入DEM数据直接运算即可。输出结果自动划分为45度细分的8个方向及1个水平方向。
3)等高线
Contour运算器。Contour interval设定等高距,Base Contour可以设定起始等高线高程,Z factor的设定原理和Slope运算器一致,都是为了转换水平方向和竖直方向单位设定的。
利用生成的等高线可以导出为dwg文件进行编辑和建模了。

0 3

解地面曲率、地表起伏度、地标粗糙度
除了最基础的地形分析,DEM文件还可以用来测算与水土流失、土地侵蚀程度、地质灾害风险有关指标的数据。
1)地面曲率
Curvature运算器。
曲率分析用于衡量地面起伏弧度,可以通过正负值直观表达地面时内凹的圆弧还是外凸的圆弧。地面曲率在相关文献中可以用来衡量土地形态是否更易受侵蚀以及植被生长的难易度。
在运算器中的Output profile curve raster (optional) 代表输出斜率方向曲率。Output plan curve raster (optional) 代表输出垂直于斜坡方向的曲率RASTER。输出结果后得到三个格栅数据,通过修改Property中的Classify分类可以将凹凸方向上的曲率进行直观表达。
曲率方向:
斜率方向曲率:
垂直于斜坡方向曲率:
后两个斜率表达大家可能有些陌生,ESRI对斜率方向曲率和垂直斜坡方向曲率的解释如下:
Profile Curvature: Profile curvature is parallel to the direction of the maximum slope. A negative value (figure A) indicates that the surface is upwardly convex at that cell. A positive profile (figure B) indicates that the surface is upwardly concave at that cell. A value of zero indicates that the surface is linear (figure C) Profile curvature affects the acceleration or deceleration of flow across the surface.
Planform Curvature: Planform curvature (commonly called plan curvature) is perpendicular to the direction of the maximum slope. A positive value (figure A) indicates the surface is sidewardly convex at that cell. A negative plan (figure B) indicates the surface is sidewardly concave at that cell. A value of zero indicates the surface is linear (figure C) Profile curvature relates to the convergence and divergence of flow across a surface.
2)地表粗糙度
地表粗糙度是反映地表起伏变化和侵蚀程度的指标。实际应用时,运用Raster Calculator可采用以下公式近似计算:粗糙度R=1 / Cos(("Slope") * 3.14 / 180)。
地表粗糙度一般定义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比。粗糙度是能够反映地形的起伏变化和侵蚀程度的宏观地形因子,粗糙度越高,侵蚀越严重。
3)地表起伏度
Focal Statistics,Raster calculator运算器。
地表起伏度表达相邻区域的高程差,可以用于辅助分类地形。
Focal Statistics设置 Statistic type 为MAX,邻域的大小为 11×11得到取样点地形最大值MAX1。
重复上述操作,设置Statistic type 为MIN,得到取样点地形最小值MIN1。
打开Raster calculator,输入公式,求差值,得到地表起伏度格栅数据Difference。其中Abs代表取绝对值。
然后我们参考地形分类指标,可以通过Raster Calculator的Con条件命令求得该地区的丘陵区域。
以上就是本期关于DEM数据6个运算指标的介绍。下一期我们将讲解利用DEM求得山脊线和山谷线,添加山谷特效,以及利用TIN运算制作地形构成线,和利用Arc scene进行三维地形表达。
| 小编介绍 | 
谭歆岳
LAC STUDIO 景观教学主管;
北京林业大学景观本科,墨尔本大学景观硕士;
曾就职于 CAS、MEEPRC、SENSE Design、中国建筑等机构;
具备0-100万平方米景观、城市规划项目从策划到施工图经验,长期从事留学作品提升教学和研发基于GIS系统的空间规划课程。
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