一種基于數(shù)字高程模型的坡形提取與識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地理信息領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]坡形是一種重要的地形特征，也是影響滑坡發(fā)育的決定性因素，因此無論是在滑坡預(yù)測還是在土地評價(jià)中，都會涉及到坡形的提取。而如今最常用的地形信息獲取數(shù)據(jù)源就是數(shù)字高程模型(以下簡稱DEM)，它是地表形態(tài)高程屬性的數(shù)字化表達(dá)。
[0003]目前，隨著GIS技術(shù)的飛速發(fā)展，利用DEM作為信息源，提取各種地形定量因子，例如坡度、坡向、地表曲率、地形起伏度、地表粗糙度等，已經(jīng)成為十分成熟的技術(shù)。然而，坡形的提取卻由于其無法準(zhǔn)確定量化計(jì)算且存在大量不確定性因素等原因一直被研宄者所回避。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種利用DEM作為數(shù)據(jù)源提取各種坡形分類信息的方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，其具體的技術(shù)方案為:
[0006]一種基于數(shù)字高程模型的坡形提取與識別方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1.將所測區(qū)域的DEM利用地表水文分析提取出的匯水線與分水線(即山谷和山脊線)所形成的集水流域，劃分為若干個(gè)斜坡單元；
[0008]步驟2.對于每一個(gè)斜坡單元，從單元內(nèi)所有高程數(shù)據(jù)點(diǎn)中找出高程最大的一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)高程最大的點(diǎn)不止一個(gè)時(shí)可任取一個(gè)；
[0009]步驟3.在每一個(gè)斜坡單元內(nèi)，利用單元內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程值做出斜坡在單元范圍內(nèi)的所有等高線，數(shù)據(jù)點(diǎn)不足時(shí)需要進(jìn)行插值處理，等高線越密最終所得到的坡形結(jié)果越準(zhǔn)確；
[0010]步驟4.以步驟2中得出的高程最大點(diǎn)為起點(diǎn)，從高到低依次找出下一條等高線上的一個(gè)點(diǎn)，使之與找出的上一點(diǎn)距離最近，所有找到點(diǎn)的連線可稱為斜坡的一條最陡路徑；
[0011]步驟5.將步驟4中找到的每個(gè)點(diǎn)放置于直角坐標(biāo)系中，以每個(gè)點(diǎn)的高程值作為縱坐標(biāo)，每兩個(gè)相鄰點(diǎn)的橫坐標(biāo)間隔為它們之間的水平距離差。連接直角坐標(biāo)系中各點(diǎn)即可得到可以合理表達(dá)坡形的斜坡縱剖面曲線；
[0012]步驟6.將步驟5中直角坐標(biāo)系內(nèi)的所有點(diǎn)擬合成一個(gè)三次函數(shù)曲線的一部分，并找出這個(gè)三次函數(shù)的極值點(diǎn)與拐點(diǎn)；
[0013]步驟7.如果步驟6所擬合出的曲線上靠近兩端點(diǎn)的某一指定范圍內(nèi)存在極值點(diǎn)，則舍去極值點(diǎn)與端點(diǎn)之間所有的點(diǎn)；
[0014]步驟8.經(jīng)步驟7處理后的曲線上，靠近中點(diǎn)的某一指定范圍內(nèi)如果存在拐點(diǎn)，則以拐點(diǎn)為分界點(diǎn)，判斷:(1)如果拐點(diǎn)以上部分的兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值與中點(diǎn)縱坐標(biāo)值之差大于某一特定參數(shù)R(R為正)，拐點(diǎn)以下部分的中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差大于參數(shù)R，則識別結(jié)果為上凹下凸形坡；(2)如果拐點(diǎn)以上部分的兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值與中點(diǎn)縱坐標(biāo)值之差大于參數(shù)R，拐點(diǎn)以下部分的中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差不大于參數(shù)R，則識別結(jié)果為凹形坡；(3)如果拐點(diǎn)以上部分的中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差大于參數(shù)R，拐點(diǎn)以下部分的兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值與中點(diǎn)縱坐標(biāo)值之差大于參數(shù)R，則識別結(jié)果為上凸下凹形坡；(4)如果拐點(diǎn)以上部分的中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差大于參數(shù)R，拐點(diǎn)以下部分的兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值與中點(diǎn)縱坐標(biāo)值之差不大于參數(shù)R，則識別結(jié)果為凸形坡；(5)如果拐點(diǎn)以上部分的中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差的絕對值不大于參數(shù)R，拐點(diǎn)以下部分的兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值與中點(diǎn)縱坐標(biāo)值之差大于參數(shù)R，則識別結(jié)果為凹形坡；(6)如果拐點(diǎn)以上部分的中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差的絕對值不大于參數(shù)R，拐點(diǎn)以下部分的中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差大于參數(shù)R，則識別結(jié)果為凸形坡；(7)如果拐點(diǎn)以上部分的中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差的絕對值不大于參數(shù)R，拐點(diǎn)以下部分的中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差的絕對值也不大于參數(shù)R，則識別結(jié)果為平坡；
[0015]步驟9.經(jīng)步驟7處理后的曲線上，靠近中點(diǎn)的某一指定范圍內(nèi)如果不存在拐點(diǎn)，則判斷:(1)如果兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值與中點(diǎn)縱坐標(biāo)值之差大于某一特定參數(shù)Hr為正)，則識別結(jié)果為凹形坡；(2)如果中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差大于參數(shù)r，則識別結(jié)果為凸形坡；(3)如果中點(diǎn)縱坐標(biāo)值與兩個(gè)端點(diǎn)縱坐標(biāo)平均值之差的絕對值不大于參數(shù)r，則識別結(jié)果為平坡。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于:
[0017](I)在劃分了斜坡單元的基礎(chǔ)上提取坡形，而非網(wǎng)格單元，使得最終得出的坡形分布結(jié)果更加準(zhǔn)確，避免了一個(gè)單元內(nèi)包含多個(gè)斜坡的情況；
[0018](2)利用等高線的原理找到斜坡的最陡路徑，以此獲得縱剖面曲線，而非以直線路徑獲得縱剖面曲線，這樣可以比較合理的反映出斜坡的真實(shí)坡形；
[0019](3)運(yùn)用三次函數(shù)擬合的方法識別坡形，可以在保證貼近真實(shí)情況的同時(shí)，較好地將主觀過程轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)計(jì)算，并且可以較好的把握住斜坡的整體坡形，而不被小范圍內(nèi)的坡形變化所影響；
[0020](4)本發(fā)明可以完整地識別出出各種坡形情況，無論簡單的凹凸平坡還是復(fù)雜的“S”形坡。還可以根據(jù)需要設(shè)定參數(shù)來主觀控制識別過程，這些都使得最終識別結(jié)果更加準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的流程圖。
[0022]圖2為本發(fā)明的計(jì)算機(jī)操作流程圖。
[0023]圖3為本發(fā)明提供的方法對某斜坡生成的最陡路徑示意圖。
[0024]圖4為本發(fā)明提供的方法對某斜坡生成的縱剖面線及坡形識別結(jié)果示意圖。
[0025]圖5為本發(fā)明提供的方法在某村鎮(zhèn)提取的坡形分類示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方法作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明范圍僅限于下述實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明上述方法的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0027]如圖2所示，為利用本發(fā)明的實(shí)施方法編織出的計(jì)算機(jī)程序流程圖，具體實(shí)施步驟包括:
[0028](I)利用GIS軟件中的水文分析工具，分別提取出正地形和反地形的匯水線與分水線，然后把生成的集水流域與反向集水流域融合，再經(jīng)后期修改不合理的單元，最終得到所測區(qū)域的斜坡單元劃分結(jié)果；
[0029](2)將GIS軟件中DEM的高程值與xy坐標(biāo)值均提取至魚網(wǎng)點(diǎn)，同時(shí)將每個(gè)魚網(wǎng)點(diǎn)所處斜坡單元的編號一并提取至魚網(wǎng)點(diǎn)，最后將魚網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出；
[0030](3)由于GIS軟件無法處理較為復(fù)雜的計(jì)算過程，因此需要借助二次開發(fā)編程實(shí)現(xiàn)，可以選擇Python、C等各種計(jì)算機(jī)語言。本實(shí)施例選擇應(yīng)用Matlab計(jì)算軟件。將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)通過read函數(shù)導(dǎo)入至Matlab ；
[0031](4)應(yīng)用循環(huán)語句依次提取出每個(gè)單元編號下所有的魚網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)，之后的步驟5到12均是以一個(gè)單元內(nèi)的點(diǎn)為操作對象進(jìn)行的；
[0032](5)找出單元內(nèi)所有點(diǎn)中