数字地形分析方法研究的维度——精准、高效、易用

自地图学发轫，表达地形就是地图的基本功能之一，表达地形内容的不同类型地图以清晰、直观的呈现方式供使用者了解研究区的自然地理环境，是地理学者分析和理解地理现象和过程的重要支撑工具。陈述彭先生1954年发表出版的《中国地形鸟瞰图集》即为典范之一。

陈述彭先生所作《中国地形鸟瞰图集》

（中华书局1954年出版）

进入GIS时代，地形信息在诸多地理现象和地理过程的定量刻画和模拟中都必不可少，利用计算机等现代计算设备由数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）计算得到所需各种地形信息的过程就是数字地形分析（Digital Terrain Analysis，DTA），数字地形分析自GIS诞生之初就一直是其地理信息空间分析的一个基本组成内容、GIS的必备功能。本文从数字地形分析方法研究的3个“维度”来阐述作者对该领域已有工作及发展趋势的一些认识和想法。

第1维度：精准

“精准”维度关注于如何设计新的DTA方法以更准确、精确地计算出符合地理学认知、满足应用领域问题求解所需的地形信息。在这个维度上的DTA方法研究可进一步分为以下三类：

01

对已有地形信息设计新算法

对一种已有地形信息改进原有算法、设计新算法的研究思路通常是在发现原有算法在某些场合不适用（如计算结果偏离参考值较大，即精度不够，或结果明显不符合地理学认知，即不准确、不合理）时，在地理学及其分支学科（如地貌、水文、土壤等）知识的引导下设计该地形信息的新算法，以改善计算结果的质量。

图片作者：Tom Patterson

02

设计新型的地形信息

当已有的地形信息不足以满足应用需求时，新的地形信息就可能被设计出来，以期从一个新的角度定量刻画地形，服务于某些应用。一个新的地形信息可能是和已有的某种地形信息有不少重叠的，或是对现有若干地形信息的组合，也有可能是出于一个现有地形信息设计中缺乏考虑的新思路。

图片作者：Ellen_Kuzdro

03

设计新的DTA评价方法

DTA算法的评价常常是多角度、多方式的，其评价结论常常并非简单绝对化的正误，这是源于地理学的特殊性质。注意对于地形信息而言，“真值”并非确定无疑，有些并非野外观测所能获得、甚或不存在。

当关注于对DTA算法的不同评价角度和评价方式，有可能需要在传统的评价方法之外，开发新的DTA评价方法。一个新的DTA评价方法提出后，并不意味着其所改进的面向同一个评价角度的已有评价方法是错误的，有可能只是新方法得到的评价结论所适用的场景更全面或是更贴近实际应用。

图片作者：陈述彭院士

第2维度：高效

沿着“精准”维度发展出的大量DTA算法在实际应用中日益面临着如何高效运行出计算结果的效率问题，因此扩展出了DTA方法研究的第二个维度——高效。

01

串行算法优化设计

早期提高DTA算法速度的主要方式是串行算法优化设计，单机版串行算法的改进尽管体现着计算机科学传统的编程艺术，但现实应用中DTA所日益表现出的数据密集型和计算密集型相叠加的特点远远超出了传统单机版串行算法设计的能力范围。

02

特定并行化策略设计

并行计算是当前解决数据密集型和计算密集型的地学计算效率问题的主流途径。最初的DTA算法并行化研究都是对单一算法针对特定并行计算平台的并行化设计，同一个DTA算法若需运行在另一种并行计算平台需要重新开发相应的并行算法，并行编程中的可移植性问题强烈制约着已有的大量DTA算法的并行化改造效率。

03

通用并行化策略设计

为降低DTA算法设计者在设计实现并行化DTA程序中的并行编程难度，使设计者能像其所熟悉的传统DTA串行算法设计过程一样关注于DTA设计本身、尽可能忽略并行编程细节，通用并行化策略设计提供了解决之道，其核心思想是计算机软件设计中的底层编程细节封装。

图片来源：IJGIS 2014, 28(11): 2127-2144.

在“高效”维度上的DTA方法研究工作已趋近于GIS领域与计算机科学高性能计算领域的研究内容分野。

第3维度：易用

数字地形分析在实际应用中常常表现为需要合理组合一系列不同DTA任务成为一个工作流之后，才能实现由DEM计算得到应用所需的地形信息。这种应用方式与地理信息空间分析中其它分支领域的方法应用方式是类似的。

为了使DTA对于应用者（尤其是非DTA专家的相关应用领域用户）更加易用，DTA方法研究的第三个维度——易用，正日益显现出重要性。在这个维度上的研究工作可进一步分为三类：可视化建模、网络化服务、智能化建模。三者均高度依赖于计算机科学和信息科学中分支领域（如可视化、网络服务、云计算、人工智能等）的方法和技术成果，这源自于GIS先天的计算机科学与技术基因。相对而言，前两者更多地是直接套用整个地理计算领域目前对可视化建模、网络化服务的通用设计；而在智能化建模方面，研究问题具有较显著的领域特殊性，同时，在整个地理计算领域中对该方面的方法研究都还十分薄弱的同时，近年在DTA领域对此开始出现一些针对性的研究。DTA的实际应用过程是一个典型的地理计算工作流构建过程，这一建模过程中对于领域建模知识有很高的要求，需用到两大类DTA建模知识来指导搭建出适用的工作流：

①任务和算法知识，用于回答“需要哪些DTA计算任务”、“如何组织为可运行的工作流”等问题；

②使用DTA“应用场景知识”逐一为每一个DTA计算任务回答如下的一系列关键问题，即“选取哪个具体算法”、“算法参数值如何设置”、更重要的是“选取的算法和设置的参数是否适合实际的应用场景（如应用目标、分辨率、研究区特点等）”。这些问题的答案直接决定着所建立的DTA工作流不但是可运行的、更应是正确合理的。

数字地形分析建模知识示意

现有工具仍要求用户具备DTA应用场景知识、自行保证所建DTA工作流的合理性，还远未实现DTA应用建模的易用性，其它地理建模领域也常面临类似的问题。

这主要源于DTA领域应用场景知识多为非系统化、经验性的知识，难于形式化，这些知识常常隐性地存在于应用案例文档和专家头脑中。为此，作者近年提出了DTA应用场景知识的重要性并开始了DTA智能化建模方法的探索，其针对的核心科学问题是如何对DTA应用场景知识进行形式化表达并应用于自动建模，以降低用户实际应用DTA的难度。

小 结

本文归纳出的DTA方法研究的三个维度（精准、高效、易用），其次序既是按发展起步为序，也是实际应用深度、广度的需求驱动的结果。

尤其是在“易用”维度上探索的DTA智能化建模的思路和方法，可为地理信息空间分析中诸多其它分支领域解决所面临的类似问题提供借鉴。

作者后记

蒙陈述彭先生不弃，2000年招我为博士生，并嘱周成虎老师指导我博士论文研究工作，由此我才进入地理信息科学之门，之后一直在此门中开展方法研究，一晃也是第20个年头了。我在1999年对未来从事工作的彷徨中定下转方向的念头，在对GIS几乎无知的情况下冒昧给陈先生写信求师，不想陈先生竟很快亲笔复信，同意并鼓励我跨学科报考攻博，现在想来何其莽撞，却又何其幸运！来到地理所信息室后，不时眼见耳闻陈先生和蔼幽默的风度和高屋建瓴的学术思想，高山仰止之感常在我心！2008年陈先生去世的那个冬夜，我见先生在病床上的最后一面，悲痛之情记忆犹新！今年逢陈先生百年诞辰，也是先生创建的资源与环境信息系统国家重点实验室成立35周年、创办的《地球信息科学学报》进入第25个年头，谨以此文敬献给先生，恭祝陈先生所引领出的学术大家庭、所奠基的事业蒸蒸日上！

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作者介绍

秦承志 研究员

中国科学院地理科学与资源研究所研究员，博士生导师。主要研究方向为数字地形分析、流域模拟和情景分析、地理建模的智能化。所设计的地形分析多流向算法已被ArcGIS、SAGA等GIS软件所集成。现任《地理研究》编委、中国地理信息产业协会理论与方法工作委员会秘书长等学术职务。

详见个人主页：

http://people.ucas.ac.cn/~qincz

《地球信息科学学报》是由中国科学院地理科学与资源研究所和中国地理学会联合主办，由中国科学院资源与环境信息系统国家重点实验室、虚拟地理环境教育部重点实验室（南京师范大学）、三维信息获取与应用教育部重点实验室（首都师范大学）共同协办的学术期刊。学报为月刊，是中国科学引文数据库（CSCD）核心期刊、中国科技核心期刊、全国中文核心期刊、北大《中文核心期刊要目总览》来源期刊。《2018年版中国科技期刊引证报告（核心版）》显示，《地球信息科学学报》影响因子位列测绘科学技术期刊第3名，综合评价总分位列第4名。

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