CN107977635B - 一种格状水系识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种格状水系识别方法，包括：(1)获取shp格式的待识别水系线图层数据，读入至数据集L＝{l_i|i＝0,1,2,…,m}；(2)根据数据集L计算得到待识别水系的总长度RL和水系平直特征因子SL；(3)根据数据集L统计得到各方位角区间内的河流累积长度，统计结果存入列表DL；(4)根据列表DL和水系总长度RL计算得到水系主要走向占比因子Rratio和水系主要走向夹角因子Rangle；(5)基于SL、Rratio和Rangle进行格状水系类型识别；(6)对识别出的格状水系绘制走向玫瑰花图。本发明基于矢量数据识别格状水系，算法复杂度较低，识别准确度较高。

Description

一种格状水系识别方法

技术领域

本发明涉及地理信息技术应用领域，具体一种基于矢量数据的格状水系识别方法。

背景技术

1957年，Leopold和Wolman首先系统地提出了利用河流的平面形态对水系进行区分(参见Leopold L,Wolman M G.River channel patterns:braided,meandering,andstraight[R],U.S.Geol.Surv.:282-B.1957.)，此后，国内外学者对这一分类方法进行了讨论和拓展,并总结出了树枝状水系、格状水系、放射状水系、环状水系、平行状水系以及羽毛状水系等多种水系类型。

在自然界中，相同类型的水系所在区域往往有着相似的地质构造和自然环境。通过对水系的排列形式、平面形态等进行分析，可以大致推断出水系所在区域的地质构造和地壳运动的大致情况。从而，水系信息的快速、准确解译具有重要的研究意义。

水系信息解译主要分为两个步骤：首先，是将水系从遥感图象或DEM中提取出来；然后，是识别出相应水系类型。当前，基于DEM、遥感影像的水系自动提取方法已相对成熟，并已得到广泛应用。然而，水系类型的自动识别方法较为有限，检索到的主要有：王一川使用二值化水系图像，基于最优统计图象分类器，形成了以水系纹理单元为单位进行水系分类的方法(参见王一川.水系自动分类研究[D].西南交通大学,2006.)；车国泉利用句法模式识别技术，对辫状水系的图像进行了自动识别(参见车国泉.辫状水系的自动识别[D].西南交通大学,2007.)。相关水系类型识别方法，虽能够进行水系类型的一定识别，但由于是利用二值化水系图像，而不是直接利用水系矢量数据，导致算法的复杂度较高，识别效果较差。

要发育于褶皱构造区域的格状水系，作为众多水系类型中非常特殊的一种，主要具有河流较为平直、支流与主流近似呈直角相交等典型特征。基于特征的格状水系自动识别方法研究，具有重要的地学研究意义和应用价值。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种格状水系识别方法，该方法基于矢量数据识别格状水系，算法复杂度较低，识别准确度较高。

技术方案：本发明所述的格状水系识别方法包括：

(1)获取shp格式的待识别水系线图层数据，读入至数据集L＝{l_i|i＝0,1,2,…,m-1}，其中，l_i为表示河流的线要素，m为线要素的个数；

(2)根据数据集L计算得到待识别水系的总长度RL和水系平直特征因子SL；

(3)根据数据集L统计得到各方位角区间内的河流累积长度，统计结果存入列表DL；

(4)根据列表DL和水系总长度RL计算得到水系主要走向占比因子Rratio和水系主要走向夹角因子Rangle；

(5)基于水系平直特征因子SL、水系主要走向占比因子Rratio和水系主要走向夹角因子Rangle进行格状水系类型识别；

(6)对识别出的格状水系绘制走向玫瑰花图。

进一步的，步骤(2)具体包括：

(2-1)针对数据集L中任一要素l_i，采用以下公式计算其支流长度rl_i和支流首尾点长度ht_i：

式中，ht_i表示要素l_i所代表的支流首尾点长度，rl_i表示线要素l_i所代表的支流长度，形如p_i,*为线要素l_i上第*个点，形如

表示两点间的距离，i∈[0,m-1],j∈[0,n-1]，n代表线要素l_i上点的个数；

(2-2)循环执行步骤(2-1)，直至完成所有线要素的计算；

(2-3)按照以下公式计算整个水系的总长度RL和水系平直特征因子SL：

式中，RL表示整个水系的总长，HT表示所有支流的首尾点长度，SL为水系的平直特征因子。

进一步的，步骤(3)具体包括：

(3-1)针对数据集L中任一线要素l_i，采用以下公式计算得到线要素上各河流分段的方位角angle_ij：

式中，j∈[0,n-1]，形如(x_i,*,y_i,*)为线要素l_i上第*个点的坐标，angle_ij的阈值范围为[0,180)；

(3-2)循环执行步骤(3-1)，直至完成所有线要素的计算；

(3-3)对于计算得到的所有方位角angle_ij，按10度间隔，分类统计各方位角区间上的河流累积长度，统计结果存入列表DL＝{dl_k|k＝0,1,..,17},其中，k为方位角区间序号，其区间范围为[k*10,k*10+10)，dl_k为相应区间中各线要素河流分段的累积长度。

进一步的，步骤(4)具体包括：

(4-1)从列表DL中抽取出极大值元素并存入队列MAXL中，当队列MAXL中极大值元素个数小于2时，判定待识别水系为非格状水系，执行步骤(6)；否则，执行步骤(4-2)；

(4-2)从队列MAXL中抽取最大、第二大的两个极大值元素，其在DL中对应方位角区间序号分别记为a、b，其值分别为dl_a、dl_b；

(4-3)针对dl_a、dl_b两个极大值所对应的两个波峰，计算各波峰所包含元素的累加值，分别记为S_a、S_b；其中，计算时不包含波峰的端点元素；

(4-4)根据以下公式分别计算水系主要走向占比Rratio和水系主支流夹角Rangle：

Rangle＝|a-b|*10。

进一步的，步骤(5)具体包括：

(5-1)判断基于水系平直特征因子SL、水系主要走向占比因子Rratio和水系主要走向夹角因子Rangle是否满足以下条件：

(5-2)若满足条件，则判定待识别水系为格状水系，否则判定为非格状水系。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明方法，能够通过计算水系平直特征、水系主要走向占比和水系主支流夹角等特征，有效识别出格状水系。本发明与现有技术相比，算法复杂度较低，识别准确度较高，分类结果较为准确直观。同时，本发明方法同样适用于其他水系类型的自动识别。此外，水系类型判别规则中的相关参数取值，可根据实际情况做适当调整。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为实验例中实验数据；

图3为实施例中波峰及其包含元素(▲号标注元素)示意图；

图4为实施例中生成的玫瑰花图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供的格状水系是被方法包括以下步骤：

(1)获取shp格式的待识别水系线图层数据，读入至数据集L＝{l_i|i＝0,1,2,…,m-1}，其中，l_i为表示河流的线要素，m为线要素的个数。本实施例中采用待识别水系线图层数据如图2所示，共包含28个线要素。

(2)根据数据集L计算得到待识别水系的总长度RL和水系平直特征因子SL。

该步骤具体包括：

(2-1)针对数据集L中任一要素l_i，采用以下公式计算其支流长度rl_i和支流首尾点长度ht_i：

式中，ht_i表示要素l_i所代表的支流首尾点长度，rl_i表示线要素l_i所代表的支流长度，形如p_i,*为线要素l_i上第*个点，形如

表示两点间的距离，i∈[0,m-1],j∈[0,n-1]，n代表线要素l_i上点的个数；

(2-2)循环执行步骤(2-1)，直至完成所有线要素的计算；

本实施例中，针对图2中线要素计算得到的支流长度rl_i和支流首尾点长度ht_i具体如表1所示：

表1

(2-3)按照以下公式计算整个水系的总长度RL和水系平直特征因子SL：

式中，RL表示整个水系的总长，HT表示所有支流的首尾点长度，SL为水系的平直特征因子。

本实施例中，RL和SL相应计算结果分别为4113668.005、1,118306。

(3)根据数据集L统计得到各方位角区间内的河流累积长度，统计结果存入列表DL。该步骤具体包括：

(3-1)针对数据集L中任一线要素l_i，采用以下公式计算得到线要素上各河流分段的方位角angle_ij：

式中，j∈[0,n-1]，形如(x_i,*,y_i,*)为线要素l_i上第*个点的坐标，angle_ij的阈值范围为[0,180)；

(3-2)循环执行步骤(3-1)，直至完成所有线要素的计算；

(3-3)对于计算得到的所有方位角angle_ij，按10度间隔，分类统计各方位角区间上的河流累积长度，统计结果存入列表DL＝{dl_k|k＝0,1,..,17},其中，k为方位角区间序号，其区间范围为[k*10,k*10+10)，dl_k为相应区间中各线要素河流分段的累积长度。

本实施例中，DL中各元素取值如表2所示：

表2

K	方位角区间(°)	累积河流长度
			0	0-10	99673.1373
1	10-20	27891.2085
			2	20-30	0
3	30-40	106871.2027
			4	40-50	204488.8783
5	50-60	705896.2157
			6	60-70	831965.4177
7	70-80	174636.8704
			8	80-90	33897.06612
9	90-100	2440.403888
			10	100-110	10289.64626
11	110-120	81576.28496
			12	120-130	70986.29944
13	130-140	425765.6784
			14	140-150	608282.2277
15	150-160	418856.1943
			16	160-170	235135.6043
17	170-180	75015.66906

(4)根据列表DL和水系总长度RL计算得到水系主要走向占比因子Rratio和水系主要走向夹角因子Rangle。该步骤具体包括：

(4-1)从列表DL中抽取出极大值元素并存入队列MAXL中，当队列MAXL中极大值元素个数小于2时，判定待识别水系为非格状水系，执行步骤(6)；否则，执行步骤(4-2)；

(4-2)从队列MAXL中抽取最大、第二大的两个极大值元素，其在DL中对应方位角区间序号分别记为a、b，其值分别为dl_a、dl_b；本实施例中，a＝6,b＝14,dl_a＝831965.41768407461，dl_b＝608282.22769849945；

(4-3)针对dl_a、dl_b两个极大值所对应的两个波峰，计算各波峰所包含元素的累加值，分别记为S_a、S_b；其中，计算时不包含波峰的端点元素。本实施例中，S_a＝2057755.651，S_b＝1688039.705，两个波峰及其所包含元素，如图3所示；

(4-4)根据以下公式分别计算水系主要走向占比Rratio和水系主支流夹角Rangle：

Rangle＝|a-b|*10。

本实施例中，Rratio＝0.91057，Rangle＝80；

(5)基于水系平直特征因子SL、水系主要走向占比因子Rratio和水系主要走向夹角因子Rangle进行格状水系类型识别。具体包括：

(5-1)判断基于水系平直特征因子SL、水系主要走向占比因子Rratio和水系主要走向夹角因子Rangle是否满足以下条件：

(5-2)若满足条件，则判定待识别水系为格状水系，否则判定为非格状水系。

本实施例中，SL＝1,118306，Rratio＝0.91057，Rangle＝80，判别结果为格状水系。

(6)对识别出的格状水系绘制走向玫瑰花图。本实施例中，相应图如图4所示。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种格状水系识别方法，其特征在于该方法包括：

(1)获取shp格式的待识别水系线图层数据，读入至数据集L＝{l_i|i＝0,1,2,…,m-1}，其中，l_i为表示河流的线要素，m为线要素的个数；

(2)根据数据集L计算得到待识别水系的总长度RL和水系平直特征因子SL；该步骤具体包括：

(2-1)针对数据集L中任一要素l_i，采用以下公式计算其支流长度rl_i和支流首尾点长度ht_i：

式中，ht_i表示要素l_i所代表的支流首尾点长度，rl_i表示线要素l_i所代表的支流长度，形如p_i,*为线要素l_i上第*个点，形如

表示两点间的距离，i∈[0,m-1],j∈[0,n-1]，n代表线要素l_i上点的个数；

(2-2)循环执行步骤(2-1)，直至完成所有线要素的计算；

(2-3)按照以下公式计算整个水系的总长度RL和水系平直特征因子SL：

式中，RL表示整个水系的总长，HT表示所有支流的首尾点长度，SL为水系的平直特征因子；

(3)根据数据集L统计得到各方位角区间内的河流累积长度，统计结果存入列表DL；

(4)根据列表DL和水系总长度RL计算得到水系主要走向占比因子Rratio和水系主要走向夹角因子Rangle；该步骤具体包括：

(4-1)从列表DL中抽取出极大值元素并存入队列MAXL中，当队列MAXL中极大值元素个数小于2时，判定待识别水系为非格状水系，执行步骤(6)；否则，执行步骤(4-2)；

(4-2)从队列MAXL中抽取最大、第二大的两个极大值元素，其在DL中对应方位角区间序号分别记为a、b，其值分别为dl_a、dl_b；

(4-3)针对dl_a、dl_b两个极大值所对应的两个波峰，计算各波峰所包含元素的累加值，分别记为S_a、S_b；其中，计算时不包含波峰的端点元素；

(4-4)根据以下公式分别计算水系主要走向占比Rratio和水系主支流夹角Rangle：

Rangle＝|a-b|*10；

(5)基于水系平直特征因子SL、水系主要走向占比因子Rratio和水系主要走向夹角因子Rangle进行格状水系类型识别；

(6)对识别出的格状水系绘制走向玫瑰花图。

2.根据权利要求1所述的格状水系识别方法，其特征在于：步骤(3)具体包括：

(3-1)针对数据集L中任一线要素l_i，采用以下公式计算得到线要素上各河流分段的方位角angle_ij：

式中，j∈[0,n-1]，形如(x_i,*,y_i,*)为线要素l_i上第*个点的坐标，angle_ij的阈值范围为[0,180)；

(3-2)循环执行步骤(3-1)，直至完成所有线要素的计算；

(3-3)对于计算得到的所有方位角angle_ij，按10度间隔，分类统计各方位角区间上的河流累积长度，统计结果存入列表DL＝{dl_k|k＝0,1,..,17},其中，k为方位角区间序号，其区间范围为[k*10,k*10+10)，dl_k为相应区间中各线要素河流分段的累积长度。

3.根据权利要求1所述的格状水系识别方法，其特征在于：步骤(5)具体包括：

(5-1)判断基于水系平直特征因子SL、水系主要走向占比因子Rratio和水系主要走向夹角因子Rangle是否满足以下条件：

(5-2)若满足条件，则判定待识别水系为格状水系，否则判定为非格状水系。

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