地形在地球表面的大气、水文和生态等环境动态系统过程中发挥着基础性调节作用，地形与系统过程之间的关联程度有强有弱，在景观上可见或不可见。地形本质上代表了不同系统之间相互作用的结果，对地表进行定量化描述，并将其分割成基本空间单元，对于研究各类环境系统自身演变规律以及系统间相互影响规律具有重要意义。过去的四五十年中，得益于高程数据获取技术、数字地形新方法、地貌和地物提取技术、误差和不确定性理论及计算机软件开发技术等因素的有力推动，数字地形分析和建模技术蓬勃发展。本书首先分析了DEM和尺度在地形分析与建模中的作用，为后续研究奠定了基础。然后深入讨论了高程数据获取方法，重点阐述了各种主要地表参数和次生地表参数的计算与应用，并探讨了DEM网格中误差的传播方式及其造成的影响，介绍了多个可用的数字地形建模软件和服务，展望了数字地形建模的未来发展趋势。 本书可以作为地图学与地理信息工程（系统）、环境科学与工程、地理学、地质学、气象学、水文学、作战环境学等地球科学领域的研究生或本科生的辅助教材，也可以作为高等院校测绘科学与技术、遥感科学、地理信息科学等相关领域研究人员的科研参考书。

译者序 2018年4月，看到南加州大学洛杉矶分校的教授John P. Wilson的新著Environmental Applications of Digital Terrain Modeling，我们为之一振。这本书以发展的视角、翔实的案例、审慎的分析，系统研究了数字地形分析与建模的发展和演变，以及背后推动因素的主要创新与成就，是对全球范围内各时期研究成果的一次全面的、系统的总结。同时，作者兼顾了科学性与实践性，对数字地形建模的未来需求和发展机遇进行了展望，呼吁各领域专家持续合作，以获得切实可行的科学成果，为解决威胁人类福祉和环境可持续发展的相关问题而努力。 可以看出，John P. Wilson教授不仅拥有严谨的科学精神，而且饱含运用科学与技术造福人类的伟大情怀。在当下的科研环境中，部分研究人员以发表论文为己任，而忽略了科学研究的根本任务在于有效解决人类社会可持续发展过程中出现的人口、资源、环境等现实问题，也就缺乏了John P. Wilson教授所体现出的科学家情怀。也正是这一点，促使我们下定决心翻译本书。 在过去70多年中，生物地理学、气候学、生态学、地质学、地貌学、水文学、土壤学等多个领域，均广泛采纳并使用了地形分析和建模方法，极大地促进了各领域的研究工作。与此同时，地形分析和建模方法在各领域广泛而深入的应用，反过来促进了该方法自身的发展和完善，加之对地观测技术、计算机科学与技术、地理信息技术等技术的快速发展，使地形分析和建模方法（尤其是数字地形分析和建模方法）发生了巨大变化。现在，人们已经能够从全球尺度、中尺度、地形尺度、微观尺度乃至纳米尺度等多个计算尺度上，研究环境系统中的各种动态过程，为环境知识发现和环境问题解决提供全尺度的理论与方法支撑。 需要注意的是，地形分析和建模领域的早期研究成果，基于当时可用的数据源和计算方法，能够（在一定程度上）有效地解决当时条件下所面临的环境问题。但在使用早期地形分析和建模的一些结论来直接指导当下乃至未来的环境实践工作时，可能会出现一些预料之外的问题，研究人员对此必须十分谨慎。 因此，在明确数字地形分析与建模工作中DEM和尺度作用的基础上，梳理高程数据源的转变过程及其对地形建模工作流程的影响，深入研究主要地表参数和次生地表参数的产生背景，以及各种计算方法的优劣性，阐明地貌分类和地物提取方法的最新进展，系统分析数字地形建模中的误差和不确定性问题，对比分析各类地表参数计算和地貌分类及地物提取的软件平台，对于专业和非专业的地形分析与建模研究人员都具有十分重要的参考作用。 本书正是从以上各个方面出发，系统地研究了数字地形分析和建模在过去几十年中取得的巨大成就，并辅以典型应用案例展现了当前该领域的最新研究进展。因此，严谨的研究方法和深切的科学情怀相结合，构成了本书的价值体系。 本书翻译工作分工如下：张欣负责前言、第1章、第2章、第3章的翻译工作及全书统稿工作，张锦明负责第4章、第5章及索引表的翻译工作，张威巍负责第6章和第7章的翻译工作，郭彩峰负责校订工作，徐连瑞负责全书插图、表格及格式整理工作。 本书的翻译工作得到了多位老师和朋友的殷切指导与无私帮助，也得到了家人的支持和谅解。感谢原著作者John P. Wilson教授，正是他的辛勤劳动和科学家情怀，才使得我们有幸看到这样一部科学性与实践性兼具的优秀作品。感谢4位合作译者：张锦明老师、张威巍老师、郭彩峰老师和徐连瑞，没有他们的通力支持，这项翻译工作根本无法完成。尤其要感谢张锦明老师，正是他严谨的工作态度和无私的帮助指导，才让本书的翻译工作得以完成。 本书内容专业性较强，涉及许多领域的专业词汇和学术用语。在翻译过程中，尽管我们试图通过各种途径保证翻译内容的准确性和规范性，但是由于专业知识水平的限制，仍然不可避免地存在不足甚至错漏之处。希望读者以宽容的心态阅读本书，如有对译著的任何有益的意见和建议，欢迎发送邮件至zsd200803@126.com，以帮助我们成长和进步。在此致以深深的感谢！ 张欣 2021.5.1 前言 本书从2015年1月开始撰写，写作过程既令人振奋，又让人谦卑。从始至终，我的主要目标就是写一本书，它能够描述典型的数字地形建模工作流程，从数据获取，到数据预处理和DEM生成，再到地表参数和对象计算。 本书共7章。第1章介绍了数字高程模型、尺度的作用及其过去30～40年数量不断增多和复杂程度不断加大的应用案例，以及本书用以描述核心概念和结果的研究地点。第2章描述了包含LiDAR和雷达遥感技术在内的一些方法，这些方法改变了高程数据的来源和获取方法。接下来讨论了目前DEM预处理的需求及各种方法，以及解决相关问题所面临的一些挑战。第3章是本书的重中之重，内容也最丰富，描述了计算主要地表参数（无须额外输入而直接来源于DEM）所涉及的细节，以及通常用于模拟能量和热状态的两组次生地表参数，一组用于模拟地表与大气之间的相互作用，另一组用于模拟水流与土壤湿度再分布。第4章研究了如何利用主要地表参数和次生地表参数，从数字高程数据中提取和划分地貌及其他类型的地表对象。误差的影响以各种形式出现在第2章、第3章、第4章中，从而促成了第5章，该章探讨了DEM中嵌入的各种误差，在计算地表参数和对象时这些误差如何传播与累积，以及这种状况对现代地形分析造成的影响。第6章介绍了可用于实施和执行前5章所述的数字地形建模工作流程的软件与服务。第7章回顾了数字地形分析的起源、发展现状，以及数字地形建模的未来发展趋势。 自从我发表了第1篇关于通用土壤流失方程中地形因子的期刊文章（Wilson, 1986），并在2000年参与编写且与Gallant合作编辑了地形分析专著（Wilson and Gallant, 2000a）之后，我的想法在这期间发生了巨大变化，因而撰写本书对我来说成为一个令人兴奋且充满激情的工作。随着地形研究者和从业者的人数与类别不断增多，相关的方法和数据也发生了巨大变化，如果将现在的状况与20世纪80年代的状况做比较（当时我还是加拿大多伦多大学的博士生），结果已经远远超过我当时最疯狂的想象。我耗费了两年时间才写就本书，因为我同时还在努力让自己熟悉迄今所取得的技术成果，这使得写作旅程充满了快乐，同时也让我深感谦卑。 基于此，如果不感谢那些分享了他们的知识并在过去40年里给我指明前进方向的学者们，我会深感遗憾。有些人是我亲身结识的，因为我获得了与他们直接合作的机会和乐趣，包括John Gallant、Michael Hutchinson、Ian Moore和Tian-Xiang Yue等，但还有更多人的工作我只能间接地了解和欣赏。我在本书结尾列出了25本著作，你将会在表7.1中看到其中一些人的著作，正是这些著作引导和启发了这本书的内容与布局。 在写作过程中，我得到了许多机构和人员的帮助。我要感谢南加州大学空间科学研究所和中国科学院地理科学与资源研究所的有关人员，他们给予我充分的时间和自由，使我能够投入几个月时间致力于本书的写作。特别要感谢3个人：第1个是Petter Pilesjo，他慷慨地分享了TFM算法，我才能用来构建图3.24；第2个是Beau MacDonald，他帮我准备了整本书中的许多图和图表，还从头到尾审阅了手稿，帮助我发现了大量的遗漏和错误；第3个是我的合伙人和知己Ha Nguyen，没有他的帮助，就没有我现在取得的成果。 可以这样说，希望读者在阅读这本书时能够找到一些有价值的东西。另外，限于科学技术的发展和个人知识水平，书中错漏之处请读者谅解。 John P. Wilson 2017.10.1

1引言 1 1.1 DEM的作用 4 1.2 尺度的作用 7 1.3 应用调查 14 1.4 研究地点和软件工具 18 1.4 本书结构 22 2数字高程模型构建 27 2.1 高程数据网 28 2.2 高程数据源 34 2.3 适用性 49 2.4 总结数据预处理与DEM构建 49 2.5 美国国家高程数据集 56 3地表参数计算 59 3.1 主要地表参数 60 3.2 次生地表参数 131 3.3 结论 166 4地表对象与地貌描述 169 4.1 特定地貌要素的提取和分类 171 4.2 基于流变量的地表对象提取与分类 178 4.3 特定（模糊）地貌的提取和分类 185 4.4 重复地貌类型的提取和分类 188 4.5 离散地貌计量学：多尺度模式分析和对象描述的耦合 195 5误差和不确定性测量 201 5.1 误差和不确定性的识别与处理 202 5.2 验证方法 221 5.3 多尺度分析和跨尺度推理 237 5.4 美国国家水模型 245 6地形建模软件与服务 251 6.1 数据获取与处理系统的变化 254 6.2 Esri的ArcGIS生态系统 258 6.3 第三方Esri附加组件 270 6.4 其他软件选项 274 6.5 未来趋势 286 7结论 289 7.1 当前技术水平 292 7.2 未来的需求和机遇 297 7.3 行动呼吁 307