CN104252556A - 一种河流分类系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种河流分类系统，其包括：一DEM数据获取模块、一河网水系提取模块、一分类单元确定模块、一分类指标计算模块和一分类模块；所述DEM数据获取模块获取DEM数据；所述河网水系提取模块采用地表径流漫流模型计算获取河网水系；所述分类单元确定模块以DEM提取的河网水系图为基础，对河流水系进行分段；所述分类指标计算模块计算分类的指标并确定分类标准；所述分类模块根据所述分类标准对河流进行分类。这样，能够快速进行河流分类。

Description

一种河流分类系统

技术领域

本发明涉及生态规划技术领域，具体涉及一种河流分类系统。

背景技术

河流分类指根据分类准则把河流划分为特征相对相似的河流类型的过程。目前，河流系统出现了许多严重的生态问题，河流分类对于当前河流修复、河流保护以及河流管理有重要的意义。

当前，河流分类的方法有很多，但是存在工作量大、考虑因素不全面以及推广性不高的问题，因此急需建立一个快速的河流分类方法，能反应河流结构差异、满足多个分类目的、适应所有河流类型、为河流功能管理服务。

另外，目前河网水系的数据均为自于美国太空总署、国防部国家测绘局以及德国与意大利航天机构共同测绘完成的数据，缺少一种可以获取DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型))数据的装置。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和试验终于提出了河流分类系统。

发明内容

本发明的目的在于用以克服上述技术缺陷，提供一种河流分类系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于：提供一种河流分类系统，其包括：一DEM数据获取模块、一河网水系提取模块、一分类单元确定模块、一分类指标计算模块和一分类模块；所述DEM数据获取模块获取DEM数据；所述河网水系提取模块采用地表径流漫流模型计算获取河网水系形成河网水系图；所述分类单元确定模块以所述河网水系图为基础，对所述河流水系进行分段；所述分类指标计算模块计算分类的指标并确定分类标准；所述分类模块根据所述分类标准对河流进行分类。

较佳的，所述DEM数据获取模块为一数据采集仪，所述数据采集仪包括一数据采集子模块；所述数据采集子模块采集近地面数据，其包括至少一个温度采集仪，所述近地面数据包括温度数据、湿度数据和地表数据；所述温度采集仪一分钟内采集的温度的平均值为所述数据采集仪所处位置的所述温度数据，其计算公式为：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}\∫\mathrm{\δ}\left(E_{\mathrm{ij}}\right)d{E}_{\mathrm{ij}}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\Σ}}}\∫\mathrm{\δ}\left(E_{\mathrm{ij}}\right)d{E}_{\mathrm{ij}}}$

其中，E_ij的计算公式为：

$e_{\mathrm{ij}}=\ln \left|\frac{x_{\mathrm{ij}}-\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}\right)/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}{\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}\right)/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}\right|$

式中，为所求的温度平均值，x_ij为第j个温度采集仪测量的第i秒的温度，n为温度采集仪的数量，n_j为测量的时间长度，单位为秒，e_ij为第j个温度采集仪测量的第i秒的温度的判断值，E_ij为第j个温度采集仪测量的第i秒的温度的判定值，δ(E_ij)为单位冲激函数，R(e_ij)为判断值e_ij的整数部分，S(e_ij)为判断值的e_ij小数部分。

较佳的，所述数据采集子模块还包括一湿度采集仪和一地表数据采集仪；所述湿度采集仪对所述数据采集仪所处位置的所述湿度数据进行采集；所述地表数据采集仪对所述数据采集仪下方的所述地表数据进行采集。

较佳的，所述数据采集仪还包括一高度控制子模块、一飞行控制子模块和一通讯子模块；所述高度控制子模块控制所述数据采集仪的悬浮高度；所述飞行控制子模块控制所述数据采集仪移动到指定的地点进行所述近地面数据采集；所述通讯子模块与地面控制中心建立通讯，将采集的所述近地面数据转化为所述DEM数据并传输给所述地面控制中心。

较佳的，所述河网水系提取模块通过所述DEM数据计算水流方向，利用所述水流方向计算汇流累积量，超过阈值的所述汇流累积量生成水流路径，形成所述河网水系，根据河流单一性、不回流特点进行所述河网水系的删减，得到所述河网水系图。

较佳的，所述分类单元确定模块以所述河网水系图为基础，目视并标示所述河网水系中河流的交汇点，以所述交汇点为分割点实现河流分段。

较佳的，所述分类指标计算模块计算的分类指标包括河流坡降、河流蜿蜒度和河流等级，所述河流坡降的计算公式为：

P＝(Eu-Ed)/Lr

其中，P为河流坡降，Eu为所测河段上游的海拔，Ed为所测河段下游的海拔，Lr为所测河段本身的长度。

较佳的，所述河流蜿蜒度的计算公式为：

S＝Lr/Lv,

其中，S为河流蜿蜒度，Lr是所测河段本身的长度，Lv是所测河段两点间的直线距离。

较佳的，所述分类模块根据所述河流坡降的分类标准将河段分为m类，每一类再根据所述河流蜿蜒度的分类标准进一步分为n类，再根据所述河流等级的分类标准将m*n类河流每一类分成p个子类，完成分类，共m*n*p种河流类型。

较佳的，所述河流分类系统还包括一命名模块，所述命名模块根据所述分类指标的分类顺序依次对河段分类结果进行命名。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：提供了一种河流分类系统，能够快速进行河流分类；DEM数据易获取，易操作；能够体现河段的综合特征，而且速度快，容易计算，适合各种河流类型，便于推广；提供了一数据采集仪，能够采集近地面数据；对温度的计算提高了温度测量的准确性，计算公式简单，方便，能够快速得到结果，提高了温度测量的速度，进而提高了整个河流分类系统的速度，同时，简单的计算过程节约了系统资源。

附图说明

图1为为本发明河流分类系统的结构图；

图2为为本发明河流分类系统数据采集仪的结构图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

数字高程模型(Digital Elevation Model),简称DEM。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。

请参阅图1所示，其为本发明河流分类系统的结构图；其中，河流分类系统包括：DEM数据获取模块1、河网水系提取模块2、分类单元确定模块3、分类指标计算模块4、分类模块5、命名模块6。

DEM数据获取模块1获取DEM数据，其可以为一通讯模块，从美国地质调查局网站(http://srtm.usgs.gov)免费下载获取90m分辨率的为美国太空总署、国防部国家测绘局以及德国与意大利航天机构共同测绘完成的DEM数据，覆盖率达到全球的80％，DEM数据免费下载，易获取，易操作；也可以为一数据采集仪，采集相应地区的DEM数据。DEM数据很容易被应用，它可以通过ArcInfo、ASCII和GeoTiff格式打开，可以在GIS和其他遥感软件下进行各种图像处理。

河网水系提取模块2在ArcGIS软件下，采用地表径流漫流模型计算获取河网水系，这样就降低了成本，而且体现了河流的自然特征。具体步骤为：通过DEM计算水流的方向，利用水流方向计算汇流累积量，因为汇流累积量达到一定的值就会产生地表水，所以需要设置一个汇流量阈值，超过阈值的汇流量就会生成水流路径，形成河网。最后根据河流单一性、不回流等特点进行河网水系的删减，体现出河流的自然特征。

分类单元确定模块3以DEM提取的河网水系图为基础，对河流水系进行分段；具体为：在ArcGIS软件下，目视并标示水系中河流的交汇点，以交汇点为分割点实现河流分段。以河流交汇点为河段分割点，操作简便，减少工作量。

分类指标计算模块4计算分类的指标并确定分类标准。分类的指标有河流坡降、河流蜿蜒度和河流等级。

河流坡降指河流上游的海拔与河流下游的海拔之差与河流本身的长度之比：

P＝(Eu-Ed)/Lr

其中，P为坡降，Eu为所测河段上游的海拔，Ed为河段下游的海拔，Lr为所测河段本身的长度。Eu和Ed是在ArcGIS软件下利用DEM提取的，Lr是通过ArcGIS软件计算得到的

坡降的分类采用聚类分析的方法，聚类操作在R软件下进行，聚类方法采用目前应用最广泛的ward聚类法，该方法可以保证组内方差最小，组件方差最大，能将对象很好的分开。根据聚类结果将坡降进行分类。坡降(P)分类标准采用聚类的方法，标准开放，便于推广。

蜿蜒度的计算方法与分类标准：

河流的蜿蜒度是由河流本身的长度与河流上下游两点间的距离的比值决定的：

S＝Lr/Lv,

其中，S为蜿蜒度，Lr是所测河段本身的长度，Lv是所测河段两点间的直线距离，Lr和Lv都是利用ArcGIS软件计算得到的。

蜿蜒度的分类标准为S<1.2为低度蜿蜒河流，S＝1.2～1.4为中度蜿蜒河流，S>1.4为高度蜿蜒河流。

河流等级的计算方法与分类标准：

在ArcGIS软件下，根据Strahler法定义河流顶端的没有支流的河流为最低等级，即一级河流。再根据相同等级的河流交汇时河流等级增加1级，所以两个1级河流汇流后形成2级河流，如此下去分别为3级、4级……一直到河网的出水口为止。

河流等级的分类标准为：1、2级河流为源头溪流，3、4级河流为中等支流，5、6级河流为大型河流。

分类模块5根据分类标准对河流进行分类。首先根据坡降的分类标准将河段分为m类，每一类再根据蜿蜒度的分类标准进一步分为n类，这样河流初步被分为m*n类，最后再根据河流等级的分类标准将m*n类河流每一类分成p个子类，完成分类，总共m*n*p种河流类型。

命名模块6根据指标的分类顺序依次对河段分类结果进行命名。在命名中可以体现指标所表征的河流特征，例如：坡降较小中度蜿蜒中等支流，坡降很大高度蜿蜒源头溪流，坡度较大低度蜿蜒大型河流等。

本发明采用的DEM数据易获取，易操作，在ArcGIS软件下均可完成，本发明选取的指标能够体现河段的综合特征，而且速度快，容易计算，适合各种河流类型，便于推广。

如图2所示，其为本发明河流分类系统数据采集仪的结构图，其中，数据采集仪包括：高度控制子模块11、飞行控制子模块14、数据采集子模块12、通讯子模块13，数据采集子模块包括温度采集仪121、湿度采集仪122、地表数据采集仪123。

高度控制子模块11控制数据采集仪的悬浮高度，使得数据采集仪可以悬浮在一定高度对近地面数据进行采集。

飞行控制子模块14控制数据采集仪进行移动，使得数据采集仪可以移动的制定的地点进行近地面数据采集。

通讯子模块13可以与地面控制中心7建立通讯，将采集的近地面数据转化为DEM数据并传输给地面控制中心7。

数据采集子模块12可以采集近地面数据，其包括温度采集仪121、湿度采集仪122、地表数据采集仪123。温度采集仪121对数据采集仪所处位置的温度数据进行采集；湿度采集仪122对数据采集仪所处位置的湿度数据进行采集；地表数据采集仪123对数据采集仪下方的地表数据进行采集；近地面数据包括温度数据、湿度数据和地表数据。

为了提高采集的温度数据的准确性，采用的温度采集仪121为多个，每个温度采集仪每秒钟采集一次温度，每分钟的所有温度进行计算，得到温度的平均温值x，其计算公式为：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&Integral;\mathrm{\&delta;}\left(E_{\mathrm{ij}}\right)d{E}_{\mathrm{ij}}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\&Integral;\mathrm{\&delta;}\left(E_{\mathrm{ij}}\right)d{E}_{\mathrm{ij}}}---\left(1\right)$

其中，E_ij的计算公式为：

$e_{\mathrm{ij}}=\ln \left|\frac{x_{\mathrm{ij}}-\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\right)/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_j}{\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\right)/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_j}\right|---\left(2\right)$

上式中，为所求的温度平均值，x_ij为第j个温度采集仪测量的第i秒的温度，n为温度采集仪的数量，n_j为测量的时间长度，单位为秒，e_ij为第j个温度采集仪测量的第i秒的温度的判断值，E_ij为第j个温度采集仪测量的第i秒的温度的判定值，δ(E_ij)为单位冲激函数，R(e_ij)为判断值e_ij的整数部分，S(e_ij)为判断值的e_ij小数部分。

单位冲激函数为：

$\mathrm{\&delta;}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& t=0\\ 0& t\&NotEqual;0\end{array}\right.---\left(4\right)$

其积分为：

$\&Integral;\mathrm{\&delta;}\left(t\right)\mathrm{dt}=\left\{\begin{array}{cc}1& t=0\\ 0& t\&NotEqual;0\end{array}\right.---\left(5\right)$

上述思路为：先求出所有温度仪一分钟内测量的温度的平均值，对各个温度与平均值的差值与平均值的比取对数后再取负数作为各个温度的判断值，对各个判断值小数部分的双倍向下取整后与其整数部分的和为各个温度的判定值，也即是最接近各个温度判断值正值的整数为各个温度的判定值，最后通过单位冲激函数的积分保留判定值为0的温度，进而求保留的温度的平均值，作为这一分钟内数据采集仪所处位置的温度。

有益效果为：通过取对数和取整运算将因为温度采集仪的故障等因素造成的测量误差转换为判定值，从而选取误差较小的各个温度计算最后的温度平均值，这样就提高了温度测量的准确性；计算公式简单，方便，能够快速得到结果，提高了温度测量的速度，进而提高了整个河流分类系统的速度，同时，简单的计算过程节约了系统资源。

实施例一：

本实施例与具体实施方式不同的是：没有DEM数据获取模块1、河网水系提取模块2、分类单元确定模块3，而是通过实地调查并记录河流的相关指标对河流进行分类的，分类指标计算模块4中选取的指标没有河流等级，而是选取了河床底质与河流地貌单元。其他模块及相关参数与具体实施方式相同。

实施例二：

本实施例与具体实施方式不同的是：分类单元确定模块3中河流分段采用的是河流蜿蜒度突变点、坡降突变点、河流平面形态拐点进行分割的；分类指标计算模块4中选取的指标没有有河流等级和坡降，而是选取了封闭度、河床底质与河流地貌单元。其他步骤及相关参数与具体实施方式相同。

实施例三：

本实施例与具体实施方式不同的是：没有DEM数据获取模块1、河网水系提取模块2、分类单元确定模块3，而是通过实地调查并记录河流的相关指标对河流进行分类的，分类指标计算模块4选取的指标为河床底质、地貌单元和河流坡降，而且指标的分类是通过定性分析判断的。其他步骤及相关参数与具体实施方式相同。

实施例四：

本实施例与具体实施方式不同的是：没有分类指标计算模块4中河段的分割，而是利用DEM合成流域的汇水区边界，在流域尺度上进行的河流分类。其他步骤及相关参数与具体实施方式相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种河流分类系统，其特征在于，该系统包括：一DEM数据获取模块、一河网水系提取模块、一分类单元确定模块、一分类指标计算模块和一分类模块；所述DEM数据获取模块获取DEM数据；所述河网水系提取模块采用地表径流漫流模型计算获取河网水系，形成河网水系图；所述分类单元确定模块以所述河网水系图为基础，对所述河流水系进行分段；所述分类指标计算模块计算分类的指标并确定分类标准；所述分类模块根据所述分类标准对河流进行分类。

2.根据权利要求1所述的河流分类系统，其特征在于，所述DEM数据获取模块为一数据采集仪，所述数据采集仪包括一数据采集子模块；所述数据采集子模块采集近地面数据，其包括至少一个温度采集仪，所述近地面数据包括温度数据、湿度数据和地表数据；所述温度采集仪一分钟内采集的温度的平均值为所述数据采集仪所处位置的所述温度数据，其计算公式为：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&Integral;\mathrm{\&delta;}\left(E_{\mathrm{ij}}\right)d{E}_{\mathrm{ij}}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\&Integral;\mathrm{\&delta;}\left(E_{\mathrm{ij}}\right)d{E}_{\mathrm{ij}}}$

其中，E_ij的计算公式为：

$e_{\mathrm{ij}}=\ln \left|\frac{x_{\mathrm{ij}}-\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\right)/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_j}{\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\right)/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{n}_j}\right|$

式中，为所求的温度平均值，x_ij为第j个温度采集仪测量的第i秒的温度，n为温度采集仪的数量，n_j为测量的时间长度，单位为秒，e_ij为第j个温度采集仪测量的第i秒的温度的判断值，E_ij为第j个温度采集仪测量的第i秒的温度的判定值，δ(E_ij)为单位冲激函数，R(e_ij)为判断值e_ij的整数部分，S(e_ij)为判断值e_ij的小数部分。

3.根据权利要求2所述的河流分类系统，其特征在于，所述数据采集子模块还包括一湿度采集仪和一地表数据采集仪；所述湿度采集仪对所述数据采集仪所处位置的所述湿度数据进行采集；所述地表数据采集仪对所述数据采集仪下方的所述地表数据进行采集。

4.根据权利要求3所述的河流分类系统，其特征在于，所述数据采集仪还包括一高度控制子模块、一飞行控制子模块和一通讯子模块；所述高度控制子模块控制所述数据采集仪的悬浮高度；所述飞行控制子模块控制所述数据采集仪移动到指定的地点进行所述近地面数据采集；所述通讯子模块与地面控制中心建立通讯，将采集的所述近地面数据转化为所述DEM数据并传输给所述地面控制中心。

5.根据权利要求1-4中任一所述的河流分类系统，其特征在于，所述河网水系提取模块通过所述DEM数据计算水流方向，利用所述水流方向计算汇流累积量，超过阈值的所述汇流累积量生成水流路径，形成所述河网水系，根据河流单一性、不回流特点进行所述河网水系的删减，得到所述河网水系图。

6.根据权利要求5所述的河流分类系统，其特征在于，所述分类单元确定模块以所述河网水系图为基础，目视并标示所述河网水系中河流的交汇点，以所述交汇点为分割点实现河流分段。

7.根据权利要求1-4中任一所述的河流分类系统，其特征在于，所述分类指标计算模块计算的分类指标包括河流坡降、河流蜿蜒度和河流等级，所述河流坡降的计算公式为：

P＝(Eu-Ed)/Lr

其中，P为河流坡降，Eu为所测河段上游的海拔，Ed为所测河段下游的海拔，Lr为所测河段本身的长度。

8.根据权利要求7所述的河流分类系统，其特征在于，所述河流蜿蜒度的计算公式为：

S＝Lr/Lv,

其中，S为河流蜿蜒度，Lr是所测河段本身的长度，Lv是所测河段两点间的直线距离。

9.根据权利要求7所述的河流分类系统，其特征在于，所述分类模块根据所述河流坡降的分类标准将河段分为m类，每一类再根据所述河流蜿蜒度的分类标准进一步分为n类，再根据所述河流等级的分类标准将m*n类河流每一类分成p个子类，完成分类，共m*n*p种河流类型。

10.根据权利要求1-4中任一所述的河流分类系统，其特征在于，所述河流分类系统还包括一命名模块，所述命名模块根据所述分类指标的分类顺序依次对河段分类结果进行命名。