CN107680161A - 一种基于ArcGIS的坡面侵蚀发育信息熵测算方法 - Google Patents

一种基于ArcGIS的坡面侵蚀发育信息熵测算方法 Download PDF

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Abstract

本发公开了一种基于ArcGIS的坡面侵蚀发育信息熵测算方法。该方法首先对待分析坡面进行测定，获得其DEM数据；将DEM数据导入ArcGIS软件，进行插值处理，获得插值后的坡面地形完整DEM数据；在ArcGIS中将坡面研究区域生成面文件，并将面文件转换为要素；对坡面地形生成等高线图，依次查询坡面上的每一条等高线以上面积，并在直角坐标系上点绘面积～高程点，根据点的分布形态用多项式进行曲线拟合；计算拟合曲线与坐标轴之间的合围面积S，进而计算得到坡面侵蚀发育信息熵值H。该方法能够综合反映坡面侵蚀系统在发育过程中相互作用机制及能量耗散的非线性动态过程，提高了坡面侵蚀发育程度测算的科学性和准确性。

Description

一种基于ArcGIS的坡面侵蚀发育信息熵测算方法
技术领域
本发明涉及一种基于ArcGIS的坡面侵蚀发育信息熵测算方法，具体是一种从系统能量耗散角度对坡面侵蚀地貌发育演化过程进行量化，从而测算侵蚀系统发育程度的方法。
背景技术
坡面侵蚀是黄土高原地区常见的一种侵蚀方式。在黄河每年输入下游的16亿t泥沙中约有40％～60％来自黄土高原坡耕地，坡面侵蚀既是坡耕地表土和养分流失的主要原因，又是水体非点源污染的重要来源，是该地区土壤贫瘠、土地沙化、生态环境恶化的根源。因此，对坡面侵蚀发育程度进行测算也变得尤为重要。
目前，国内外对坡面侵蚀发育程度的研究，多是基于侵蚀产沙过程，通过对坡面侵蚀产沙量的测量和分析，判断侵蚀发育阶段，然而坡面侵蚀产沙量受降雨、下垫面等多因素影响，很难形成可量化的评判标准。事实上，坡面侵蚀发育过程是一个微地貌演变过程，这种以侵蚀产物的多少为标准判断坡面侵蚀发育程度，并不能真正表达坡面侵蚀所处阶段，而且不能综合反映坡面侵蚀系统在发育过程中相互作用机制及能量耗散的非线性动态过程。
土壤侵蚀系统内部进行的物质和能量交换过程总是伴随着熵的增加，熵的增加表示在系统能量一定的情况下，质量变得愈来愈坏，通过能量的耗散使系统趋于平衡，这一过程对于坡面侵蚀系统来说，则意味着地块愈来愈破碎，地形起伏度不断增加，因此，从熵增的程度可以判断坡面侵蚀系统的发育程度。
信息熵是在Strahler曲线积分的基础上推导而来的，Strahler曲线中的相对高度可代表侵蚀过程的强度，而残留的面积可代表在这种强度下地貌形态保持的能力，因此，Strahler曲线提供了地貌发育阶段的信息。由于坡面的相对高度决定流水势能的大小，为泥沙的起动提供动能，坡面面积及所接受的降水量是决定坡面水动力条件的主要参数，也是坡面土壤侵蚀发生的重要因素，因此，信息熵包含了坡面侵蚀发育程度信息，亟待研发一种基于信息熵的坡面侵蚀发育程度测算方法，对坡面侵蚀系统发生的非线性动态过程进行合理、有效的发育程度测算。
发明内容
本发明的目的是一种基于ArcGIS的坡面侵蚀发育信息熵测算方法，旨在对坡面侵蚀发育程度进行测算，判断侵蚀的发育阶段和侵蚀强弱的动态变化。该测算方法从系统能量耗散的角度量化坡面侵蚀发育程度，从一定程度上减少了随机因素对坡面侵蚀发育测算结果的影响，提高了测算结果的科学性和准确性。
为实现发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于ArcGIS的坡面侵蚀发育信息熵测算方法，所述测算方法包括以下步骤：
(1)对待分析的坡面侵蚀地形进行扫描测定，得到坡面侵蚀地形的DEM(数字高程模型)数据；
(2)将精度≤2mm的坡面侵蚀地形的DEM数据文件导入ArcGIS软件，生成事件，为了补充某些数据缺失部位的坐标，应用ArcGIS软件3D分析模块中的栅格插值工具，对坡面侵蚀地形的DEM数据进行插值处理(通过插值处理获得扫描盲区的数据点)，插值后获得坡面侵蚀地形完整DEM数据；
(3)利用ArcGIS软件中的绘图工具，选择坡面研究区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出；
(4)运用ArcGIS软件空间分析模块中的表面分析工具，在步骤(2)得到的坡面侵蚀地形完整DEM数据的基础上生成坡面侵蚀地形的等高线图；
(5)利用ArcGIS软件的面积查询工具对坡面侵蚀地形等高线图中的每一条等高线依次进行面积查询，获得每一条等高线以上的坡面面积(具体操作为：选择坡面侵蚀地形等高线图中的任意一条等高线，在编辑器中进行裁剪——拆分——面积查询，由此可获得该条等高线以上的坡面面积)；
(6)设A为坡面侵蚀地形的总坡面面积，am为坡面内第m条等高线以上的坡面面积，hm为第m条等高线与坡面最低点的高差，△H为坡面最高点与最低点的高差，计算高程百分比hm/△H和该高程以上的面积百分比am/A，以am/A为X轴，以hm/△H为Y轴，得到一系列面积～高程坐标点(X,Y)，显然X、Y均在[0，1]内取值；在直角坐标系上点绘面积～高程坐标点(X,Y)，根据面积～高程坐标点(X,Y)的分布形态用多项式进行曲线拟合，通过改变多项式的次数使R2>0.99，得到Strahler面积～高程拟合曲线和曲线方程；
(7)计算Strahler面积～高程拟合曲线与坐标轴之间所包围的面积S(Strahler面积～高程拟合曲线在[0,1]的定积分，即为Strahler面积～高程拟合曲线与坐标轴之间所包围的面积S)，将S带入公式：H＝S-lnS-1进行计算，得到坡面侵蚀发育信息熵值H；根据信息熵值H的大小即可判断坡面侵蚀发育情况。
根据上述的测算方法，步骤(1)中采用TrimbleGS200三维激光扫描系统对待分析的坡面侵蚀地形进行扫描测定。
根据上述的测算方法，步骤(2)的具体过程为：在ArcGIS软件下导入坡面侵蚀地形的DEM数据文件，文件——添加数据——添加XY数据——选择DEM数据文件——生成事件，生成事件图层后导出数据，然后，空间分析工具——插值——自然邻域法——生成插值后坡面侵蚀地形完整DEM数据。
根据上述的测算方法，步骤(3)的具体过程为：利用ArcGIS软件中的绘图工具，选择坡面研究区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出，绘制——面——选择坡面区域——生成面文件——将图形转换为要素。
根据上述的测算方法，步骤(4)中所述等高线图中相邻两条等高线间的距离为20mm-60mm，优选为40mm。
本发明取得积极有益效果：
(1)本发明的测算方法该方法能够综合反映坡面侵蚀系统在发育过程中相互作用机制及能量耗散的非线性动态过程，克服了现有研究方法对坡面侵蚀发育程度表达的不足，从系统能量耗散的角度量化坡面侵蚀发育程度，从一定程度上减少了随机因素对坡面侵蚀发育测算结果的影响，提高了测算结果的科学性和准确性。
(2)通过对坡面侵蚀系统信息熵测算，能够反映坡面微地貌演变过程和土壤侵蚀强弱的动态变化，为研究坡面水蚀过程中地形的空间变异性问题提供了一种解决方法。
(3)本发明的测算方法无需复杂的编程，只需简单掌握ArcGIS界面操作即可，对技术人员要求低，实现难度小，推广性好。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的测算坡面侵蚀发育信息熵的流程图。
图2为ArcGIS面积查询示意图；图中：1、坡面总面积A；2、第m条等高线；3、第m条等高线以上的面积am；4、第m条等高线与坡面最低点高差hm；5、坡面最高点与最低点高差△H。
图3实施例1中运用ArcGIS软件空间分析模块中的表面分析工具生成的坡面侵蚀地形等高线图。
具体实施方式
以下结合具体实例对本发明做进一步说明，但并限制本发明的范围。
实施例1：
一种基于ArcGIS的坡面侵蚀发育信息熵测算方法，具体包括以下步骤：
(1)为研究黄土坡面侵蚀地形的演变过程，在规格为5m×1m×0.6m的试验土槽上进行了一场雨强为90mm/h的人工模拟降雨试验。降雨过程中坡面发生细沟侵蚀，60min后停止降雨，得到了坡面侵蚀地形。采用Trimble GS200三维激光扫描系统进行坡面侵蚀地形扫描测定，该系统全角实景扫描360°×60°，50m距离实测精度达1.4mm，扫描速度5000点/秒，扫描一个标准坡面用时约30min，扫描完成后获得坡面侵蚀地形的DEM数据。
(2)将坡面侵蚀地形的DEM数据文件导入ArcGIS软件，生成事件，为了补充某些数据缺失部位的坐标，应用ArcGIS软件3D分析模块中的栅格插值工具，对坡面侵蚀地形的DEM数据进行插值处理(通过插值处理获得扫描盲区的数据点)，插值后获得坡面侵蚀地形完整DEM数据。具体操作为：文件——添加数据——添加XY数据——选择DEM数据文件——生成事件，生成事件图层后导出数据，然后，空间分析工具——插值——自然邻域法——生成插值后坡面侵蚀地形完整DEM数据。
(3)利用ArcGIS软件中的绘图工具，选择坡面研究区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出；具体操作为：绘制——面——选择坡面区域——生成面文件——将图形转换为要素。
(4)运用ArcGIS软件空间分析模块中的表面分析工具，在步骤(2)得到的坡面侵蚀地形完整DEM数据的基础上生成坡面侵蚀地形的等高线图；相邻两条等高线间的距离设置为40mm，整个坡面共生成40条等高线。
(5)利用ArcGIS软件的面积查询工具对坡面侵蚀地形等高线图中的每一条等高线依次进行面积查询，获得每一条等高线以上的坡面面积；具体操作为：将等高线文件与坡面面积文件叠加，选择坡面侵蚀地形等高线图中的任意一条等高线，在编辑器中进行裁剪——拆分——面积查询，由此可获得该条等高线以上的坡面面积。
(6)设A为坡面侵蚀地形的总坡面面积，am为坡面内第m条等高线以上的坡面面积，hm为第m条等高线与坡面最低点的高差，△H为坡面最高点与最低点的高差，计算高程百分比hm/△H和该高程以上的面积百分比am/A，其中，坡面总面积A＝4.39m2，坡面高差△H＝1.56m。计算结果如表1所示。以am/A为X轴，以hm/△H为Y轴，得到一系列面积～高程坐标点(X,Y)，显然X、Y均在[0，1]内取值；在直角坐标系上点绘面积～高程坐标点(X,Y)，根据面积～高程坐标点(X,Y)的分布形态用三次多项式进行曲线拟合，得到Strahler面积～高程拟合曲线，该拟合曲线的方程为：y＝0.0023x3+0.0997x2-1.1614x+0.9888，R2＝0.9996。
(7)计算Strahler面积～高程拟合曲线与坐标轴之间所包围的面积S(Strahler面积～高程拟合曲线在[0,1]的定积分，即为Strahler面积～高程拟合曲线与坐标轴之间所包围的面积S)，得到S＝0.442；将S带入公式：H＝S-lnS-1进行计算，得到坡面侵蚀发育信息熵值H＝0.259，根据信息熵值H的大小即可判断坡面侵蚀发育情况。
表1面积～高程计算结果
m am am/A hm hm/△H
1 0.001 0.000 1.56 1.000
2 0.020 0.005 1.52 0.974
3 0.155 0.035 1.48 0.949
4 0.254 0.058 1.44 0.923
5 0.342 0.078 1.40 0.897
6 0.442 0.101 1.36 0.872
7 0.532 0.121 1.32 0.846
8 0.632 0.144 1.28 0.821
9 0.759 0.173 1.24 0.795
10 0.860 0.196 1.20 0.769
11 0.969 0.221 1.16 0.744
12 1.060 0.241 1.12 0.718
13 1.133 0.258 1.08 0.692
14 1.230 0.280 1.04 0.667
15 1.332 0.303 1.00 0.641
16 1.433 0.326 0.96 0.615
17 1.541 0.351 0.92 0.590
18 1.647 0.375 0.88 0.564
19 1.758 0.400 0.84 0.538
20 1.855 0.422 0.80 0.513
21 1.971 0.449 0.76 0.487
22 2.082 0.474 0.72 0.462
23 2.197 0.500 0.68 0.436
24 2.315 0.527 0.64 0.410
25 2.425 0.552 0.60 0.385
26 2.533 0.577 0.56 0.359
27 2.650 0.603 0.52 0.333
28 2.763 0.629 0.48 0.308
29 2.860 0.651 0.44 0.282
30 2.963 0.675 0.40 0.256
31 3.055 0.695 0.36 0.231
32 3.141 0.715 0.32 0.205
33 3.236 0.737 0.28 0.179
34 3.358 0.764 0.24 0.154
35 3.456 0.787 0.20 0.128
36 3.578 0.814 0.16 0.103
37 3.701 0.842 0.12 0.077
38 3.832 0.872 0.08 0.051
39 3.947 0.898 0.04 0.026
40 4.143 0.943 0.00 0.000
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于ArcGIS的坡面侵蚀发育信息熵测算方法，其特征在于，所述测算方法包括以下步骤：
(1)对待分析的坡面侵蚀地形进行扫描测定，得到坡面侵蚀地形的DEM数据；
(2)将坡面侵蚀地形的DEM数据文件导入ArcGIS软件，生成事件，然后进行插值处理，插值后获得坡面侵蚀地形完整DEM数据；
(3)利用ArcGIS软件中的绘图工具将选择的坡面研究区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出；
(4)运用ArcGIS软件空间分析模块中的表面分析工具，在步骤(2)得到的坡面侵蚀地形完整DEM数据的基础上生成坡面侵蚀地形的等高线图；
(5)利用ArcGIS软件的面积查询工具对坡面侵蚀地形等高线图中的每一条等高线依次进行面积查询，获得每一条等高线以上的坡面面积；
(6)设A为坡面侵蚀地形的总坡面面积，am为坡面内第m条等高线以上的坡面面积，hm为第m条等高线与坡面最低点的高差，△H为坡面最高点与最低点的高差，计算高程百分比hm/△H和该高程以上的面积百分比am/A，以am/A为X轴，以hm/△H为Y轴，得到一系列面积～高程坐标点(X,Y)；在直角坐标系上点绘面积～高程坐标点(X,Y)，根据面积～高程坐标点(X,Y)的分布形态用多项式进行曲线拟合，通过改变多项式的次数使R2>0.99，得到Strahler面积～高程拟合曲线和曲线方程；
(7)计算Strahler面积～高程拟合曲线与坐标轴之间所包围的面积S，将S带入公式：H＝S-lnS-1进行计算，得到坡面侵蚀发育信息熵值H。
2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，步骤(1)中采用TrimbleGS200三维激光扫描系统对待分析的坡面侵蚀地形进行扫描测定。
3.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，步骤(2)的具体操作为：在ArcGIS软件下导入坡面侵蚀地形的DEM数据文件，文件——添加数据——添加XY数据——选择DEM数据文件——生成事件，生成事件图层后导出数据，然后，空间分析工具——插值——自然邻域法——生成插值后坡面侵蚀地形完整DEM数据。
4.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，步骤(3)的具体操作为：利用ArcGIS中的绘图工具，选择坡面研究区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出，绘制——面——选择坡面区域——生成面文件——将图形转换为要素。
5.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，步骤(4)中所述等高线图中相邻两条等高线间的距离为20mm-60mm。
6.根据权利要求5所述的测算方法，其特征在于，步骤(4)中所述等高线图中相邻两条等高线间的距离为40mm。
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