C5 · 出版卷 15

DEM、LiDAR 和 Terrain Products

Elevation、slope、aspect、hillshade、artefacts

学习目标

本章把地形视为具有尺度、基准、分类与不确定度的实测表面。学习者应能区分点云、地表模型与裸地模型，审计水平和垂直参考，计算与解释坡度、坡向和 hillshade，识别插值、条带与水文伪影，选择分析尺度，并综合地形证据而不把阴影地形唯一解释为地质构造。

地形可显示地貌、排水、陡坎、线性构造与表生过程，但高程不等于基岩地质。植被、建筑、水体、插值和滤波都会影响表面，派生量则同时放大形态与误差。

激光测距结合脉冲传播时间、平台轨迹、姿态、扫描几何与校准估计距离。一个脉冲可从冠层、构筑物和地面产生一个或多个回波。点分类把回波赋为地面、植被、建筑、水、噪声等类别，分类错误会传入派生表面。

数字地表模型表示上部反射面，可包含植被和构筑物；数字地形或裸地模型是在分类和插值后估计地面；若元数据未说明，通用“数字高程模型”可能指任一种表面。摄影测量高程由影像对应关系推导，与 LiDAR 的失效模式不同。

点密度、脉冲间距、扫描角和重叠影响采样，但名义密度不能单独决定精度或可分辨地貌。必须按地形和覆盖检查空间点密度、航线重叠与分类。

高程需要水平坐标参考、水平基准、垂直基准、高程类型和单位。椭球高与正常或正高之间通过大地水准面模型关联。组合不同垂直基准的表面可形成区域偏移或倾斜，伪装成抬升、侵蚀或排水变化。

轨迹和控制误差会形成条带偏移、安装角格局与局部扭曲。应使用独立于校准的检查点，并按土地覆盖和坡度分层报告垂直误差。均方根误差不能单独描述偏差和重尾。

采集日期十分重要，因为植被、水、雪、建设与地表扰动都在变化。镶嵌图可组合不同项目、传感器、基准与季节。每个像元或瓦片应保留来源索引，不能把接缝边界解释为地形。

点到栅格插值需要选择像元大小、统计量、邻域、断裂线处理与空单元规则。像元远小于点间距会产生空洞和不稳定三角面；过大像元会平滑陡坎与河道。三角网保留输入点却可能跨空洞搭桥。水文断裂线与水面平整会为特定目的修改表面。

DEM 重采样会改变派生量。降采样要考虑地形粗糙度，以及均值、最小值、最大值或其他统计量是否匹配问题。平滑同时减少噪声和小型地貌。滤波尺度必须记录，并在多个支持域比较结果。

分辨率应匹配地貌对象。断层陡坎、宽山脊和流域分水岭需要不同邻域。应说明派生量的有效支持域，而不只说明输出像元大小。

坡度与坡向由局部高程梯度推导。水平导数为 p=\partial z/\partial x 与 q=\partial z/\partial y 时，坡角为 \theta=\arctan\sqrt{p^2+q^2}。坡向必须有明确方位约定，并在平坦表面无定义。导数核和像元大小会改变两者。

曲率描述梯度变化，可突出山脊、谷地与坡折，但二阶导数会强烈放大高程噪声。必须说明使用剖面曲率、平面曲率、平均曲率还是其他定义，并声明单位或缩放。

Hillshade 用选定方位角和高度角模拟照明，是视觉派生量而非实测反射。与照明平行的线性构造可能消失，接缝或噪声带则可能被增强。应使用多个照明方向或多方向阴影，并在高程剖面、坡度和源点中确认特征。

常见伪影包括航线条带、扫描边缘误差、插值三角形、植被残留、建筑坑、水边台阶、瓦片接缝、空洞填补与量化等高线。水文处理可能切穿、填平或平整地形，从而改变自然洼地和河道坡度。地貌解释前必须检查数据血缘。

线性地貌只是对齐的地表表达，不自动等于断层。它可能沿岩性差异、节理、排水工程、道路、植被边缘、照明或伪影形成。陡坎也可能是构造、侵蚀、沉积或人为作用。应检验特征是否跨产品持续，并结合横剖面、排水关系、表面年龄与野外证据。

当地形证据对竞争过程假设产生不同预测时，其解释力最强。例如，活动位移假设可预测一致的标志物错断和陡坎退化；侵蚀边界可随排水和基质变化，却没有错断标志物。

一个合成裸地网格在低缓平原上显示 1.2 m 台阶。单一西北照明 hillshade 显示醒目的线性陡坎。检查源点发现，其中一半恰与航线边界及 0.5 m 垂直条带偏移重合；另一半在重叠区与独立剖面中仍存在。条带调整后，伪影部分消失，只剩较短的弯曲坡折。

剩余特征既可能是侵蚀阶地边缘，也可能是位移。排水截断和野外沉积关系是区分证据。输出应分别制图已验证形态、受伪影影响支持域与两个过程假设，而不能画成一条连续断层。

解释与决策。 在指定成因前，先报告地形特征的高度、长度、方向、支持域与不确定度，并展示其对照明和派生尺度的敏感性。野外路线应穿过特征、伪影边界、表观延伸与负对照。

生成包含陡坎、河道、建筑、冠层与条带偏移的合成点云，完成分类，并以两个像元大小网格化，计算坡度、坡向与四种 hillshade。比较源点和派生量，制图伪影，写出两个过程解释，并规定作出选择所需的野外观测。

审计问题：表面是 DSM 还是裸地？水平和垂直基准是否明确？点密度是否足够？分类与断裂线是否审查？导数核和单位是否记录？特征是否跨照明与支持域存在？接缝和采集日期是否制图？地质成因是否独立检验？