CN102968470A - 一种准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法，首先将测定的冲沟地形网格数据导入GIS软件，设置坐标投影系统；然后将冲沟的地形数据按照集水区、沟壁和沟床边界裁切为三部分；将沟壁的地形数据导入能够进行数据运算的文档中，并按照一定的角度分别绕Z轴和X轴进行空间坐标旋转；将旋转后的沟壁数据再次导入GIS软件，并提取沟壁的边界点位在GIS软件环境中生成面文件，然后利用旋转后的空间点位和边界文件，生成TIN，然后将TIN转换为合适网格大小的DEM，将不同时期的DEM相减，最终就获得不同时期的地形变化过程。本发明能够准确而快速地生成DEM，操作简单，不需要进行复杂的三维空间转换运算。

Description

一种准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法

技术领域

本发明涉及一种冲沟沟壁形态演化的监测和计算方法，特别是涉及准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法。

背景技术

冲沟侵蚀是一种主要土壤侵蚀形式。据美国农业部调查，沟蚀量占总侵蚀量的18-73％（平均为35%）；总结分析世界各国家的沟蚀情况，沟蚀量占侵蚀总量的10-94％（平均为44%）；在我国黄土高原的丘陵沟壑区，面积有21.76万km²，沟蚀量占侵蚀总量的60-90%；在金沙江干热河谷区，该区域内冲沟年均溯源侵蚀速率50cm/年左右，最大达200cm，沟壑密度为3.0～5.0km/km²，最大达7.4km/km²，土壤侵蚀模数高达1.64×10⁴t/(km²·a)。因此，冲沟侵蚀研究不仅具有重要的科学意义，而且对于地区国民经济发展也具有重要的影响，其中，冲沟形态演化过程是一项重要内容。

水涮窝是指在活跃沟头沟壁下部发育形成窝状的半圆形洞穴，它在冲沟溯源侵蚀过程中扮演了重要角色（见附图1）。水涮窝的形成和扩大导致沟头沟壁呈“上凸下凹”的不稳定形态，造成沟壁上部土体失稳，进而发生崩塌，冲沟沟头不断前进。

目前，计算地形变化的主要方法之一是运用GIS软件基于海拔（Z）生成TIN（不规则三角网：Triangulated Irregular Network），然后将TIN转GRID（网格），从而生成不同时间的DEM（数字高程模型：Digital Elevation Model），计算前后两次DEM的变化获取地形变化。由于水涮窝为沟头沟壁下部的负地形，基于三维扫描仪等仪器测量的地形数据由于相近或相同的坐标（X,Y）会对应海拔差异很大的Z值（同一个坐标（X,Y）既有对应于内凹洞的Z值，也会有对应于内凹洞顶部集水区的Z值），利用其直接生成DEM具有很大的误差，甚至是错误的DEM，此外，沟壁的地形变化并不是海拔（Z）的变化，而是沟头沟壁不断后退，即表现为X和Y轴方向的变化，这与传统的土壤侵蚀过程差异显著。因此，需要发明一种能快速准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法，从而为监测冲沟朔源侵蚀过程和计算沟头沟壁地形变化提供可靠的方法。

发明内容

本发明技术的目的是提供一种可操作、能快速准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法。

本发明技术的目的是这样实现的：

一种准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法，首先将测定的冲沟地形网格数据（X，Y，Z）导入GIS软件，设置坐标投影系统；

然后将冲沟的地形数据按照集水区、沟壁和沟床（见附图2）边界裁切为三部分；

将沟壁的地形数据导入能够进行数据运算的文档中，并按照一定的角度分别绕Z轴和X轴进行空间坐标旋转；将旋转后的沟壁数据再次导入GIS软件，并提取沟壁的边界点位在GIS软件环境中生成面文件，然后利用旋转后的空间点位和边界文件，生成TIN，然后将TIN转换为合适网格大小的DEM，将不同时期的DEM相减，最终就获得不同时期的地形变化过程。

本发明最终得到的DEM并未改变地形数据的大小，只是进行了空间坐标变换，相当于将一个“直立的碗”进行翻转，最终被水平放置，其高程变化能够准确反映沟壁的形态变化。

其中，测定的冲沟地形网格数据可以由三维扫描仪测定得到；

GIS软件为ArcGIS9.0以上版本的ArcGIS软件；

能够进行数据运算的文档为EXCEL文档，如Microsoft Office Excel或者WPS表格等。

本发明的有益效果是：

1、快速性和准确性

本发明运用ArcGIS和Excel，能够准确而快速地生成DEM。

2、简单和便捷。

本发明涉及软件为ArcGIS和Excel，操作简单，不需要进行复杂的三维空间转换运算。

3、满足多需求性。

本发明提出的空间坐标转换方法，不仅适用于冲沟沟头沟壁等垂直或接近垂直面上形成的水涮窝等负地形的研究需求，也能够用于切沟和河岸等具有垂直地形的地貌演化过程研究。

附图说明

图1是本发明所针对的冲沟沟头水涮窝地形。

图2是本发明所指冲沟沟头的集水区、沟壁和沟床示意图。

具体实施方式

一种准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法，具体的步骤如下：

步骤一、原始数据的导入和裁切

将由三维扫描仪测定得到的冲沟地形网格数据（文本格式）导入ArcGIS，设置合理的坐标投影系统，然后将冲沟的地形数据按照集水区、沟壁和沟床边界进行裁切。然后将裁切好的地形数据导出为.dbf文档，该格式文档可以采用Excel格式打开。

步骤二、沟头沟壁空间坐标数据的旋转

具有水涮窝的直立冲沟沟头沟壁地形数据在相近或相同的坐标（X,Y）下，对应的海拔值差异很大（同一个坐标（X,Y）既有对应于内凹洞的Z值，也会有对应于内凹洞顶部集水区的Z值），此外，沟头沟壁的地形变化不是体现为海拔（Z）的变化，而主要表现为沟壁后退，即空间坐标系的X和Y轴方向变化，因此，运用ArcGIS直接进行插值，误差较大，不仅不能满足实验对数据的误差要求，甚至可能是一个不能够描述实际地形的DEM。基于以上原因，需要对沟头沟壁的地形数据按照一定的角度进行旋转。

本发明提出首先将沟壁的地形数据在三维立体坐标系中进行旋转，最终使直立的沟头沟壁被水平放置，因此，需要进行两次旋转。

第一次旋转是先绕Z轴转动α角度，这是为了让沟壁面垂直于ZX面，即消除沟头沟壁面地形变化既在X轴方向变化，也在Y轴方向变化的情况，所以旋转的角度是沟壁面与XY面相交的角度，即 $\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{X}{Y}\right).$

第二次旋转是为了让沟壁面平躺在ZY面，所以旋转的角度是第一次旋转后的沟壁面与ZY面行成的夹角，即绕X轴旋转θ，

第一次绕Z轴旋转公式如下：

X₁=XCOSα-Ysinα,                                        （1）

Y₁=Xsinα+Ycosα,                                        （2）

Z1=Z                                                     （3）

式中，X,Y,Z为野外测定的沟头沟壁地形空间数据坐标，X₁,Y₁,Z₁为绕Z轴转动后的沟头沟壁地形空间坐标数据，α为旋转角度。

第二次绕X轴旋转公式如下：

X₂=X₁

Y₂=Y₁cosθ-Z₁sinθ

Z₂=Y₁sinθ+Z₁cosθ

式中，X₂,Y₂,Z₂为绕X轴转动后的空间坐标数据，θ为旋转角度。

步骤三、旋转后冲沟沟头沟壁边界的确定

为了对比不同时期沟头沟壁地形变化，采用ArcGIS的TIN模块对旋转后的地形数据进行插值，地形数据需要进行栅格数据的运算，而栅格数据运算必须每个栅格相对应计算才有意义，但旋转后沟头沟壁的边界已经不是原来野外测量的边界，且不同时期的沟头沟壁应采用一个统一的边界，才能使其生成的每个栅格都一一对应，因此，必须确定一个统一的沟头沟壁边界，确定过程如下：

1)先将不同时间的同一沟头沟壁的地形数据利用Excel进行运算（达到旋转坐标的目的），然后将旋转后的地形数据导入ArcGIS软件，并设置与旋转前相同的坐标投影系统。

2)在ArcCatalog中新建一个属性表有高程字段的面文件（Polygon），并设置相同的地理坐标，并将该面文件与旋转后的沟壁地形数据加载到同一个ArcMap的工程文件中。

3)编辑新建的面文件，并选择笔形工具，然后再选择Edit菜单下的“Snapping”选项，然后在弹出的菜单上勾选加入的六个沟壁点图层的勾选框，意为在勾画边界时，会自动的咬合到位于边界的某一次冲刷的点上，此点即为Polygon的结点，该点的高程即为结点的高程，点击“Sketcher Properties”，在弹出的界面上为该结点加入高程值，即Z的值，为后面生成TIN模型做准备。

4)完成并保存该面文件，该面文件也就是沟头沟壁的新边界。

步骤四、生成TIN

边界确定完毕后，运用ArcGIS的Selection模块，确保所有边界内所有点位均参与DEM的生成。具体步骤如下：

1.点击Add Data按钮，将要旋转后的沟壁点图层和旋转后的沟壁边界图层加入到ArcMap中。

2.点击Selection按钮，选择命令“Select By Location”，选择“Select featuresfrom”，勾选转动后的沟壁点图层，关系为“are completely within”，再选择新的沟壁边界，点击Ok，即选中在边界内的点。

3.然后将沟壁的点图层保存。

4.利用ArcGIS生成沟头沟壁的TIN。

步骤五、沟头沟壁地形演化

将不同时期的沟头沟壁DEM相减，即可获取不同时期的沟头沟壁地形演化过程。

Claims (6)

1.一种准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法，其特征在于：

首先将测定的冲沟地形网格数据（X，Y，Z）导入GIS软件，设置坐标投影系统；

然后将冲沟的地形数据按照集水区、沟壁和沟床边界裁切为三部分；

将沟壁的地形数据导入能够进行数据运算的文档中，并按照一定的角度分别绕Z轴和X轴进行空间坐标旋转；将旋转后的沟壁数据再次导入GIS软件，并提取沟壁的边界点位在GIS软件环境中生成面文件，然后利用旋转后的空间点位和边界文件，生成TIN，然后将TIN转换为合适网格大小的DEM，将不同时期的DEM相减，最终就获得不同时期的地形变化过程。

2.根据权利要求1所述准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法，其特征在于：所述测定的冲沟地形网格数据由三维扫描仪测定得到。

3.根据权利要求1所述准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法，其特征在于：所述的GIS软件为ArcGIS9.0以上版本的ArcGIS软件。

4.根据权利要求1所述准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法，其特征在于：所述的能够进行数据运算的文档为EXCEL文档，如Microsoft Office Excel或者WPS表格。

5.根据权利要求1所述准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法，其特征在于：所述的按照一定的角度分别绕Z轴和X轴进行空间坐标旋转的具体步骤如下：

第一次旋转是先绕Z轴转动α角度，这是为了让沟壁面垂直于ZX面，即消除沟头沟壁面地形变化既在X轴方向变化，也在Y轴方向变化的情况，所以旋转的角度是沟壁面与XY面相交的角度，即 $\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{X}{Y}\right);$

第二次旋转是为了让沟壁面平躺在ZY面，所以旋转的角度是第一次旋转后的沟壁面与ZY面行成的夹角，即绕X轴旋转θ，

第一次旋转公式如下：

X₁=XCOSα-Ysinα,

Y₁=Xsinα+Ycosα,

Z1=Z

式中，X,Y,Z为野外测定的沟头沟壁地形空间数据坐标，X₁,Y₁,Z₁为绕Z轴转动后的沟头沟壁地形空间坐标数据，α为旋转角度；

第二次旋转公式如下：

X₂＝X₁

Y₂=Y₁cosθ-Z₁sinθ

Z₂=Y₁sinθ+Z₁cosθ

式中，X₂,Y₂,Z₂为绕X轴转动后的空间坐标数据，θ为旋转角度。

6.根据权利要求1所述准确计算具有水涮窝的冲沟沟头沟壁形态变化的方法，其特征在于：所述的将旋转后的沟壁数据再次导入GIS软件，并提取沟壁的边界点位在GIS软件环境中生成面文件，具体步骤如下：

1)先将不同时间的同一沟头沟壁的地形数据利用Excel进行运算，然后将旋转后的地形数据导入ArcGIS软件，并设置与旋转前相同的坐标投影系统；

2)在ArcCatalog中新建一个属性表有高程字段的面文件，并设置相同的地理坐标，并将该面文件与旋转后的沟壁地形数据加载到同一个ArcMap的工程文件中；

3)编辑新建的面文件，并选择笔形工具，然后再选择Edit菜单下的“Snapping”选项，然后在弹出的菜单上勾选加入的六个沟壁点图层的勾选框，意为在勾画边界时，会自动的咬合到位于边界的某一次冲刷的点上，此点即为Polygon的结点，该点的高程即为结点的高程，点击“Sketcher Properties”，在弹出的界面上为该结点加入高程值，即Z的值，为后面生成TIN模型做准备；

4)完成并保存该面文件，该面文件也就是沟头沟壁的新边界。

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