CN107833279A - 一种基于dem的地形坡度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DEM的地形坡度分析方法，该方法首先基于DEM数据结合不同分辨率，计算提取一定地域范围内栅格矩阵的坡度数据；针对地形坡度的具体要求，将坡度要求按照规则划分等级并分别与实际坡度数据矩阵进行比较，得到多个比较结果矩阵并进行融合叠加生成坡度要求矩阵，再按照坡度要求矩阵中各元素值分配颜色进行填充，生成矢量图；最后采用投影算法对矢量图进行转换，得到满足投影模式的坡度分析矢量图。本发明为直升机机降、搜救、路径规划等对地形坡度起伏有一定要求的军事和民事领域提供了一种较为直观、准确的地形展现形式和分析方法。

Description

一种基于DEM的地形坡度分析方法

技术领域

本发明涉及一种地形坡度分析方法，尤其涉及一种基于DEM的地形坡度分析方法。

背景技术

地形坡度分析和快速准确显示对地形起伏程度有一定要求的军事和民事领域有较为显著的指导和帮助意义。如执行直升机搜救时,机降场选择是搜救行动的重要组成部分，正确选择机降场可有效发挥直升机优势，直接到达灾害目的地，对搜救任务完成具有极其重要的意义，机降场应具备的条件之一是:靠近预定搜救的目标；地形平坦，场内无妨碍着陆的障碍物；有足够的面积，便于空中识别；因此机降场选择的前提便是对目标区域及其周边的地形分析。另如直升机起降场的确定有如下要求：直升机在进行着陆时，因其型号和飞行方向不同，对地面起伏程度的要求也不同；如法军“大黄蜂”直升机，其顺坡、横坡、逆坡对地面坡度的要求分别为4°、6°、8°，且最大坡度已成为评价直升机性能的性能参数之一。

目前数字地图为了满足不同用途查看要求，在平面展示时需进行不同的投影转换，如兰勃特投影、墨卡托投影、等经纬投影等投影转换模式，在不同的投影模式下，一定地域内的地形分析展现会呈现不同的形变，区域内点在不同投影模式下显示位置会发生变化。

而目前直升机机降场选择时地形要素主要凭借地图经验以及任务过程中肉眼观察进行决策，缺少一种基于数字地图在不同模式下快速直观的地形坡度分析手段和方法，能为决策者在任务执行之前，提供直观有效的任务执行区域及其周边的地形坡度情况，提前选定机降场，为任务的快速实施提供参考依据。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于数字高程模型(Digital ElevationModel，DEM)进行高程数据提取计算，坡度矩阵对比填充，矢量图形投影转换的一种准确、高效、直观的地形坡度分析和显示方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于数字高程模型(DEM)的地形坡度分析方法，包括以下步骤：

步骤1：根据精度要求，基于一定分辨率提取地域范围内的栅格矩阵数字高程数据，采用该高程数据矩阵结合具体坡度算法计算得到M×N维度的栅格坡度数据矩阵A_MN；其中M、N分别表示矩阵的行和列；

步骤2：结合具体应用环境下对坡度极限值的要求，将坡度极限值按照规则划分等级分配M×N维零矩阵O(M×N)，将各等级坡度值分别与实际地形坡度数据矩阵A_MN进行比较，得到多个比较结果01矩阵并进行融合叠加生成坡度要求矩阵，再按照坡度要求矩阵中不同元素值分配不同颜色进行填充，生成矢量图；

步骤3：根据地图投影模式，将坡度分析得到的矢量图依据矢量图所代表区域的实际地理坐标及显示分辨率计算矢量图每个元素地理坐标，对每个元素地理坐标结合具体投影算法进行投影坐标转换，得到满足地图投影模式的坡度分析矢量图。

步骤1中所述提取地域范围内的栅格矩阵数字高程数据，具体包括如下步骤：

步骤1-1，采用规则格网模型作为DEM模型。规则格网法是把DEM表示成高程矩阵，把区域空间切分为许多个规则的格网单元，此时，DEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据点内插产生，同时为了避免在复杂地形区采样点则不能完整的表达的问题，通过改变格网的大小来适用起伏程度不同的地区，在地形简单地区增大格网间隔，而在复杂地区则减小格网采样间隔。

步骤1-2，根据区域范围内采集确定的DEM数据，采用坡度拟合算法(引用CN201310300633.X《一种基于DEM数据的坡度拟合方法》)，计算得到栅格坡度数据矩阵A_MN，矩阵A_MN包括M×N个栅格中的值a_ij。

步骤2包括如下步骤：

步骤2-1，将已知的某一具体型号直升机起降所需的最大地面坡度参数作为最大坡度极限值P，将P按照直升机起降坡度要求等级规则(等分或者具体直升机坡度等级范围)从小到大分成k个等级，分别为p1,p2,…,pk,其中pk表示第k个等级的坡度值，给每个等级分配一个M×N维零矩阵O(M×N)；

步骤2-2，将各等级坡度值p1,p2,…,pk分别与实际地形坡度矩阵A_MN中M×N个栅格中的值a_ij进行比较，若栅格中的实际坡度值a_ij小于等级坡度值px，x取值范围为1～k，则将px坡度等级对应的零矩阵中(i,j)元素的值设为1，按此规则直至所有等级坡度值与实际地形坡度矩阵A_MN比较完成，得到k个经过比较处理的等级坡度01矩阵；

步骤2-3，将k个经过处理的01矩阵进行相加处理，生成一个矩阵元素范围为0到k的M×N维坡度要求矩阵，该坡度要求矩阵中元素值为0的代表不满足最大坡度极限值P要求的点，元素值为1的代表满足坡度pk要求的点，以此类推元素值为k的代表满足最小等级坡度p1要求的点；

步骤2-4，对坡度要求矩阵中不同元素值分配不同颜色进行填充，生成矢量图。

步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，将矢量图依据所在区域地理经纬度范围和分辨率，根据区域边界经纬度值结合矢量图栅格化分辨率，逐点位移计算矢量图每个元素点地理经纬度坐标；

步骤3-2，依照具体投影转换算法(引用《信息系统中地图投影变形问题及其解决方法》指挥信息系统与技术2016.12汤扣林)对矢量图每个元素点进行投影转换，将地理经纬度坐标进行计算得到元素点投影坐标；

步骤3-3，将矢量图投影坐标进行显示绘制，得到经过投影转换的坡度分析矢量图。

本发明具有以下有益效果：本发明为直升机机降、搜救、路径规划、道路导航等对地形坡度起伏有一定要求的军事和民事领域，基于数字地图在不同投影模式下提供了一种较为直观、准确的地形坡度展现形式和分析方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明基于DEM的地形坡度分析方法流程图。

图2为本发明中坡度极限值分等级与实际坡度矩阵比较流程图。

图3为本发明中经过等经纬投影转换的坡度分析矢量图。

图4为本发明中经过兰勃特投影转换的坡度分析矢量图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

结合图1、图2本发明的一种基于数字高程模型(DEM)的地形坡度分析方法的具体分析流程为：

一、根据精度要求，基于一定分辨率提取地域范围，若该地域范围是基于某一种投影地图确定，则根据当前投影模式及选择区域投影坐标值，反解计算出所选择区域地理坐标值，根据反解计算出的地理坐标值结合当前显示分辨率确定高程数据取值分辨率，并据此提取栅格矩阵数字高程数据，采用该高程数据矩阵结合具体坡度算法计算得到M×N维度的栅格坡度数据矩阵A_MN；并结合具体应用环境下对坡度极限值的要求，确定极限坡度值P。

二、将坡度极限值按照规则划分等级并将各等级坡度值分别与实际地形坡度数据矩阵A_MN进行比较，得到多个比较结果矩阵并进行融合叠加生成坡度要求矩阵，再按照坡度要求矩阵中不同元素值分配不同颜色进行填充，生成矢量图；结合图2，坡度比较的具体流程为：

(1)将最大坡度极限值P按照规则从小到大分成k个等级，分别为p1,p2,…,pk,给每个等级分配一个M×N维零矩阵O(M×N)；

(2)将各等级坡度值p1,p2,…,pk分别与实际地形坡度矩阵A_MN中M×N个栅格中的值a_ij进行比较，若栅格中的实际坡度值a_ij小于等级坡度值px，则将px坡度等级对应的零矩阵中(i,j)元素的值设为1，按此规则直至所有等级坡度值与实际地形坡度矩阵A_MN比较完成，得到k个经过比较处理的等级坡度01矩阵；

(3)将k个经过处理的01矩阵进行相加处理，生成一个矩阵元素范围为0到k的M×N维坡度要求矩阵，该坡度要求矩阵中元素值为0的代表不满足坡度极限P要求的点，元素值为1的代表满足坡度pk要求的点，以此类推元素值为k的代表满足最小等级坡度p1要求的点；

(4)按照上述步骤生成的坡度要求矩阵中不同元素值，对矩阵元素分配不同颜色进行填充，生成矢量图。

三、根据地图投影模式，将坡度分析得到的矢量图依据矢量图所代表区域的实际地理坐标及显示分辨率计算矢量图每个元素地理坐标，对每个元素地理坐标结合具体投影算法进行投影坐标转换，并将投影坐标依据显示分辨率转换为显示屏幕坐标进行显示绘制，得到满足地图投影模式的坡度分析矢量图。

下面结合实施例对本发明一种应用进行具体说明，使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例：

以某型号直升机在雅安地区附近执行直升机搜救任务时机降场选择为例。该应用场景为四架直升机在目的区域以单一纵队降落，根据机降场地要求量化公式计算得到机降场地不能小于423m×105m，且根据直升机性能参数选取机降最大坡度P＝5°，为了在目标区域附近选择合适机降场，因此选定目标周围50km的区域进行地形坡度分析。

首先，结合显示分辨率以50m为分辨率提取DEM高程数据，采用坡度算法计算得到目标区域的坡度矩阵

将直升机要求的极限坡度值P＝5°分为三个等级分别为理想坡度(0～2°)、可用坡度(2～5°)、不可用坡度(>5°)，并分别给理想坡度和可用坡度分配零矩阵O_lx(M×N)，O_ky(M×N)，分别将2°和5°与实际坡度矩阵A_MN中元素逐个进行比较，若A_MN中(i,j)元素a_ij≤2°则将O_lx(M×N)矩阵中(i,j)置为1，若A_MN中(i,j)元素a_ij≤5°则将O_ky(M×N)矩阵中(i,j)置为1，比较完成生成两个01矩阵，将两个01矩阵相加得到坡度要求矩阵，该矩阵中元素值的范围为(0,1,2)，其中元素值为2的代表理想坡度点(0～2°)，元素值为1的代表可用坡度点(2～5°)，元素值为0的代表不可用坡度点(>5°)。对坡度要求矩阵中0、1、2的元素点分别分配红、蓝、绿颜色进行填充，生成坡度分析矢量图。将该矢量图直接在等经纬度地图中绘制如图3所示(由于说明书附图只能是灰度图，因此图3和图4中的内容为灰度)，地图比例为1:30万。

如果当前地图投影模式为兰勃特投影，根据本发明中步骤三，采用兰勃特投影转换算法对以上生成矢量图进行转换计算得到投影转换坡度分析矢量图，并在兰勃特投影地图模式下进行绘制如图4所示，地图比例为1:30万。

通过图3、图4可以发现，坡度分析结果与地图中等高线有较好的吻合程度，能够较好的反映区域的地形坡度情况；通过图3、图4对比，相同区域投影转换前后的结果基本一致，经过投影转换之后坡度分析结果与实际地形坡度有较好的契合程度。综合以上结果，本发明能够直观、准确的对地形坡度进行分析和展现。

本发明提供了一种基于DEM的地形坡度分析方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于DEM的地形坡度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：提取地域范围内的栅格矩阵数字高程数据，采用该高程数据矩阵计算得到M×N维度的栅格坡度数据矩阵A_MN，其中M、N分别表示矩阵的行和列；

步骤2：将坡度极限值按照规则划分等级并将各等级坡度值分别与实际地形坡度数据矩阵A_MN进行比较，将得到的比较结果矩阵进行融合叠加生成坡度要求矩阵，对坡度要求矩阵中不同元素值分配不同颜色进行填充，生成矢量图；

步骤3：将步骤2得到的矢量图依据矢量图所代表区域的实际地理坐标及显示分辨率进行转换，得到满足地图投影模式的坡度分析矢量图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述提取地域范围内的栅格矩阵数字高程数据，具体包括如下步骤：

步骤1-1，采用规则格网模型作为DEM模型；

步骤1-2，根据区域范围内采集确定的DEM数据，采用坡度拟合算法，计算得到栅格坡度数据矩阵A_MN，矩阵A_MN包括M×N个栅格中的值a_ij。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括如下步骤：

步骤2-1，获取最大坡度极限值P，将P按照直升机起降坡度要求等级规则从小到大分成k个等级，分别为p1,p2,…,pk，其中pk表示第k个等级的坡度值，给每个等级分配一个M×N维零矩阵O(M×N)；

步骤2-2，将各等级坡度值p1,p2,…,pk分别与实际地形坡度矩阵A_MN中M×N个栅格中的值a_ij进行比较，若栅格中的实际坡度值a_ij小于等级坡度值px，x取值范围为1～k，则将px坡度等级对应的零矩阵中(i,j)元素的值设为1，按此规则直至所有等级坡度值与实际地形坡度矩阵A_MN比较完成，得到k个经过比较处理的等级坡度01矩阵；

步骤2-3，将k个经过处理的01矩阵进行相加处理，生成一个矩阵元素范围为0到k的M×N维坡度要求矩阵，该坡度要求矩阵中元素值为0的代表不满足最大坡度极限值P要求的点，元素值为1的代表满足坡度pk要求的点，以此类推元素值为k的代表满足最小等级坡度p1要求的点；

步骤2-4，对坡度要求矩阵中不同元素值分配不同颜色进行填充，生成矢量图。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，将矢量图依据所在区域地理经纬度范围和分辨率，根据区域边界经纬度值结合矢量图栅格化分辨率，逐点位移计算矢量图每个元素点地理经纬度坐标；

步骤3-2，依照具体投影转换算法对矢量图每个元素点进行投影转换，将地理经纬度坐标进行计算得到元素点投影坐标；

步骤3-3，将矢量图投影坐标进行显示绘制，得到经过投影转换的坡度分析矢量图。