地形模拟仿真实验平台是在仿真环境下培养学生地形数字化表达及分析技能的教学项目，主要面向学院地理信息科学、地理科学和测绘工程专业。该平台以地形图、野外地形量测数据等地形采集数据为基础，通过数字地形分析的仿真教学，依据项目实验的具体目标，教授学生利用仿真平台构建数字地形的理论与方法。学生在仿真实验平台上不仅能完成地形数据采集基础应用技能、数字地形分析等基础实践教学内容，并能结合学院产学研项目与科研课题，运用地理学空间关系模型、地理学分析模型、地理学工程模型等，获取地貌识别、地形发育、水文分析、太阳辐射等方面的地学知识。该平台基础性实验与综合性实验的紧密耦合，提升了实验教学的效率与层次，有效促进了学生对地理现实世界与地理现象认知水平的提高。

实验项目：

基础实验：地形图数据采集与加工；数字高程模型构建实验；基础地形因子提取；山顶点提取；河流网络提取实验；光照模拟实验；地形可视化表达实验。

综合实验：地表汇流过程模拟；太阳辐射模拟；可视域模拟；地貌形态分类实验；地形素描仿真实验；地形发育过程模拟实验。

图2-137 地表汇流过程模拟

图2-138 城市太阳辐射模拟

图2-142 地形发育过程模拟

实验效果：

通过地形模拟仿真平台，学生从地形数据采集与处理、数字高程模型构建、数字地形分析等方面掌握了地形模拟与分析的技能；通过该虚拟仿真平台，学生能够在数字模拟环境下了解地表形态特征及地理过程的分析，提升了学生运用空间分析技术获取地学知识的能力，以及对地理现实世界与地理现象认知水平。

实验流程:

• 地形图数据采集与加工

  地形图数据采集与加工是在地形图配准的基础上，按照《国家自然资源和地理空间基础信息库项目标准》对地形图中的交通、水系（湖泊、水库、河流）、居民区、植被、等高线、高程点、界线、断崖等必要要素的空间数据与属性数据进行快速有效采集，包括矢量化和编辑加工等过程。同时，对采集数据的拓扑关系进行有效检查后，以标准地理数据库的方式，构建地形采集数据地理数据库。

  

  （a）地形图（b）采集高程点

  图2-143 地形图上高程点采集

• 数字高程模型构建

  数字高程模型简称DEM，是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟。常见的数字高程模型有规则格网DEM、TIN两种类型。以规则格网DEM为例，其构建的基本流程为：其基本内容与步骤为：首先对研究区域在二维平面上进行格网划分（格网大小取决于DEM 应用目的），形成覆盖整个区域的格网空间结构；然后利用分布在格网点周围的地形采样点内插计算格网点的高程值，最后按一定的格式输出，形成该地区的格网DEM。在DEM 建立过程中的关键环节是格网点上高程的内插计算，通常采用直接内插法或基于TIN 的间接内插法进行解算。对于地形图数据，由于其等高线数据组织的特殊性，一般都采用基于TIN 的间接内插法完成格网DEM 建立。

图2-145 数字高程模型构建实例

• 基础地形因子提取

  地形因子是反映地形高低起伏等形态特征的度量，同时也是复杂地理建模的基础数据源。基于DEM数据的基础地形因子提取是以DEM为基本数据源，根据相应的因子计算算法，基于窗口分析法、图层复合法等空间分析方法，计算得到坡度、坡向、曲率等基本地形因子。基础地形因子的提取不仅能够帮助学生感官上认知地形的形态特征，同时为后续的复杂地理建模提供基础。

图2-146 基础地形因子计算

• 山顶点提取

  山顶点是重要的地形特征点之一，准确、有效的提取不同研究尺度下的山顶点是数字地形分析研究中的重要内容之一。基于DEM数据的山顶点提取综合运用了GIS空间分析中的邻域分析、叠置分析等基本方法，同时还锻炼了学生矢量数据编辑的基本能力。基于DEM数据提取山顶点的基本流程是：分析邻域最大值计算、将邻域计算结果与原始DEM数据做差得到潜在山顶点、将潜在山顶点由栅格转为矢量、结合等高线等辅助数据删除伪山顶点、制图输出不同研究尺度下的山顶点分布。

  

    

  图2-147 中国内陆不同相对起伏度山顶点空间分布图

• 河流网络提取

  河流网络提取是以DEM数据为基础数据源，提取满足一定阈值的汇流累积量的分布区域来。河流网络提取是流域水文分析的前提，同时也能够作为反映区域地表起伏形态的度量。基于DEM数据提取河流网络的基本流程为：研究区域填洼、水流方向计算、汇流累积量计算、根据一定的阈值提取河流网络区域、连接形成河流网络、按照一定的形式制图输出。

  

  图2-148 不同复杂地形区域的河流网络提取

• 光照模拟

  光照模拟实验是模拟太阳光照射地表，所形成的山体阴影图，光照模拟是一种地形晕渲手法，能够更明显的感知地表的起伏特征。光照模拟以DEM为数据源，指定两个参数，即太阳的高度角和方位角，这两个角度参数的变化，得到的光照山体阴影图也会随之发生变化。

  

  图2-149 不同太阳方位角下计算得到的山体阴影效果图

• 地形可视化表达

  DEM可以通过多种途径提高对地形起伏特征的渲染效果，例如分层设色、光照晕渲、明暗等高线等。同时，结合不同地形可视化表达方法，可对地形进行可视化增强，如光照晕渲+等高线、光照晕渲+基本地形因子等。地形可视化表达实验以DEM为数据源，通过上述手段，实现对原始DEM数据的渲染，提高地形特征的三维视觉效果。

  

  图2-150 地形可视化增强效果