介紹數字地形建模的發展歷程、基本理論及環境應用

指導未來數字地形發展方向

地形在地球表面的大氣、水文和生態等環境動態系統過程中發揮著基礎性調節作用，地形與系統過程之間的關聯程度有強有弱，在景觀上可見或不可見。地形本質上代表了不同系統之間相互作用的結果，對地表進行定量化描述，并將其分割成基本空間單元，對于研究各類環境系統自身演變規律以及系統間相互影響規律具有重要意義。過去的四五十年中，得益于高程數據獲取技術、數字地形新方法、地貌和地物提取技術、誤差和不確定性理論及計算機軟件開發技術等因素的有力推動，數字地形分析和建模技術蓬勃發展。

本書首先分析了DEM和尺度在地形分析與建模中的作用，為后續研究奠定了基礎。然后深入討論了高程數據獲取方法，重點闡述了各種主要地表參數和次生地表參數的計算與應用，并探討了DEM網格中誤差的傳播方式及其造成的影響，介紹了多個可用的數字地形建模軟件和服務，展望了數字地形建模的未來發展趨勢。

本書可以作為地圖學與地理信息工程（系統）、環境科學與工程、地理學、地質學、氣象學、水文學、作戰環境學等地球科學領域的研究生或本科生的輔助教材，也可以作為高等院校測繪科學與技術、遙感科學、地理信息科學等相關領域研究人員的科研參考書。

2018年4月，看到南加州大學洛杉磯分校的教授John P. Wilson的新著Environmental Applications of Digital Terrain Modeling，我們為之一振。這本書以發展的視角、翔實的案例、審慎的分析，系統研究了數字地形分析與建模的發展和演變，以及背后推動因素的主要創新與成就，是對全球范圍內各時期研究成果的一次全面的、系統的總結。同時，作者兼顧了科學性與實踐性，對數字地形建模的未來需求和發展機遇進行了展望，呼吁各領域專家持續合作，以獲得切實可行的科學成果，為解決威脅人類福祉和環境可持續發展的相關問題而努力。

可以看出，John P. Wilson教授不僅擁有嚴謹的科學精神，而且飽含運用科學與技術造福人類的偉大情懷。在當下的科研環境中，部分研究人員以發表論文為己任，而忽略了科學研究的根本任務在于有效解決人類社會可持續發展過程中出現的人口、資源、環境等現實問題，也就缺乏了John P. Wilson教授所體現出的科學家情懷。也正是這一點，促使我們下定決心翻譯本書。

在過去70多年中，生物地理學、氣候學、生態學、地質學、地貌學、水文學、土壤學等多個領域，均廣泛采納并使用了地形分析和建模方法，極大地促進了各領域的研究工作。與此同時，地形分析和建模方法在各領域廣泛而深入的應用，反過來促進了該方法自身的發展和完善，加之對地觀測技術、計算機科學與技術、地理信息技術等技術的快速發展，使地形分析和建模方法（尤其是數字地形分析和建模方法）發生了巨大變化�，F在，人們已經能夠從全球尺度、中尺度、地形尺度、微觀尺度乃至納米尺度等多個計算尺度上，研究環境系統中的各種動態過程，為環境知識發現和環境問題解決提供全尺度的理論與方法支撐。

需要注意的是，地形分析和建模領域的早期研究成果，基于當時可用的數據源和計算方法，能夠（在一定程度上）有效地解決當時條件下所面臨的環境問題。但在使用早期地形分析和建模的一些結論來直接指導當下乃至未來的環境實踐工作時，可能會出現一些預料之外的問題，研究人員對此必須十分謹慎。

因此，在明確數字地形分析與建模工作中DEM和尺度作用的基礎上，梳理高程數據源的轉變過程及其對地形建模工作流程的影響，深入研究主要地表參數和次生地表參數的產生背景，以及各種計算方法的優劣性，闡明地貌分類和地物提取方法的最新進展，系統分析數字地形建模中的誤差和不確定性問題，對比分析各類地表參數計算和地貌分類及地物提取的軟件平臺，對于專業和非專業的地形分析與建模研究人員都具有十分重要的參考作用。

本書正是從以上各個方面出發，系統地研究了數字地形分析和建模在過去幾十年中取得的巨大成就，并輔以典型應用案例展現了當前該領域的最新研究進展。因此，嚴謹的研究方法和深切的科學情懷相結合，構成了本書的價值體系。（以上內容節選自本書譯者序）  

1引言 1
1.1 DEM的作用 4
1.2 尺度的作用 7
1.3 應用調查 14
1.4 研究地點和軟件工具 18
1.4 本書結構 22

2數字高程模型構建 27
2.1 高程數據網 28
2.2 高程數據源 34
2.3 適用性 49
2.4 總結數據預處理與DEM構建 49
2.5 美國國家高程數據集 56

3地表參數計算 59
3.1 主要地表參數 60
3.2 次生地表參數 131
3.3 結論 166

4地表對象與地貌描述 169
4.1 特定地貌要素的提取和分類 171
4.2 基于流變量的地表對象提取與分類 178
4.3 特定（模糊）地貌的提取和分類 185
4.4 重復地貌類型的提取和分類 188
4.5 離散地貌計量學：多尺度模式分析和對象描述的耦合 195

5誤差和不確定性測量 201
5.1 誤差和不確定性的識別與處理 202
5.2 驗證方法 221
5.3 多尺度分析和跨尺度推理 237
5.4 美國國家水模型 245

6地形建模軟件與服務 251
6.1 數據獲取與處理系統的變化 254
6.2 Esri的ArcGIS生態系統 258
6.3 第三方Esri附加組件 270
6.4 其他軟件選項 274
6.5 未來趨勢 286

7結論 289
7.1 當前技術水平 292
7.2 未來的需求和機遇 297
7.3 行動呼吁 307