CN109035179B - 一种基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法，包括：(1)基于待恢复峡谷的DEM，在峡谷边缘两侧设置边缘控制线c₁、c₂；(2)基于边缘控制线c₁、c₂，作峡谷DEM的堆栈剖面，得到c₁、c₂所经过格网单元的高程序列FC、LC；(3)根据高程序列FC、LC获取待恢复峡谷的高程相近邻近区域DEM`，并沿山脊线设置高程变化控制线c<sub>3</sub>，作DEM`的堆栈剖面，得到c₃所经过格网单元的高程序列MC；(4)基于Morphing技术，根据高程序列FC、LC和MC，生成插值曲面Surface；(5)将插值曲面Surface镶嵌至待恢复峡谷的DEM上，得到恢复后的峡谷地貌DEM_restore。本发明采用的DEM数据易于获取，自动化程度高，且恢复结果支持三维展示。

Description

一种基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法

技术领域

本发明涉及地理信息技术应用领域和地貌学领域，尤其涉及一种基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法。

背景技术

地貌是沉积体发育的基础，地貌的恢复不仅能够还原原始地貌的形态，还有助于人们认识地理、生物的分布以及构造演化特征，揭示物源、沉积体系的发育特征和空间配置关系，并为构造分析、地质勘探提供依据。

峡谷是指谷坡陡峻、深度大于宽度的山谷。它通常发育在构造运动抬升和谷坡由坚硬岩石组成的地段。当地面抬升速度与下切作用协调时，最易形成峡谷。峡谷作为一种典型的地貌类型，是修建水库大坝的理想部位，并在地球表面形成了众多独特的自然景观。峡谷地貌自动恢复方法研究，在地貌学研究、地貌景观资源开发与利用、水资源开发与利用等诸多方面具有一定的研究意义和实用价值。

目前，峡谷地貌的恢复，主要是地貌专家运用专家知识进行概要模型构建或示意性图解制作，研究不够深入，且自动化程度低。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法，该方法以DEM为数据源，通过峡谷两岸边缘控制线的设置、邻近区域山脊线的选取、基于Morphing技术的三维插值等环节，有效实现峡谷地貌的自动化恢复。

技术方案：本发明所述的基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法包括：

(1)基于待恢复峡谷的DEM，在峡谷边缘两侧设置边缘控制线c₁、c₂；

(2)基于边缘控制线c₁、c₂，作峡谷DEM的堆栈剖面，得到c₁、c₂所经过格网单元的高程序列FC、LC；

(3)根据高程序列FC、LC获取待恢复峡谷的高程相近邻近区域DEM`，并沿山脊线设置高程变化控制线c<sub>3</sub>，作DEM`的堆栈剖面，得到c₃所经过格网单元的高程序列MC；

(4)基于Morphing技术，根据高程序列FC、LC和MC，生成插值曲面Surface；

(5)将插值曲面Surface镶嵌至待恢复峡谷的DEM上，得到恢复后的峡谷地貌DEM_restore。

进一步的，步骤(1)具体包括：

(1-1)读取待恢复峡谷的DEM数据并进行二维图像显示；

(1-2)在峡谷的二维图像一侧，绘制一条长度比峡谷长度长3至5个像素的线状要素，作为边缘控制线c₁；

(1-3)在峡谷的二维图像另一侧，绘制一条与边缘控制线c₁长度相等的线状要素，作为边缘控制线c₂。

进一步的，步骤(2)具体包括：

分别采用边缘控制线c₁、c₂对DEM作堆栈剖面，得到高程序列FC＝{fc_i|i＝0,1,2,…,N-1}、LC＝{lc_i|i＝0,1,2,…,N-1}；其中，fc_i、lc_i分别为采用c₁、c₂得到的堆栈剖面中第i个格网单元的高程值，N为序列FC、LC的元素个数。

进一步的，步骤(3)具体包括：

(3-1)分别获取高程序列FC中最大值max₁和LC中最大值max₂，将两者中较大者记为e_max，较小者记为e_min；

(3-2)从待恢复峡谷的DEM中，提取出高程位于区间[0.9*e_min,1.1e_max]的子集，记为DEM`；

(3-3)在DEM`上，沿山脊线绘制一条长度与峡谷宽度相等或相近的高程变化控制线c₃；

(3-4)采用高程变化控制线c₃对DEM`作堆栈剖面，得到高程序列MC＝{mc_i|i＝0,1,2,…,M-1}；其中，mc_i为堆栈剖面中第i个格网单元的高程值，M为序列MC中的元素个数。

进一步的，步骤(4)具体包括：

(4-1)创建插值曲面Surface＝{e_uv|u＝0,1,2,…,N-1；v＝0,1,2,…,M-1}；其中，e_uv为曲面Surface上第u行v列格网单元的高程值，N为Surface的行数，M为Surface的列数；

(4-2)基于Morphing技术，根据高程序列FC、LC、MC计算插值曲面Surface上各格网单元的高程值e_uv。

进一步的，步骤(4-2)具体包括：

(4-2-1)根据高程序列FC、LC、MC分别计算高程差hs_v、he_v：

式中，高程序列MC中元素个数，fc_v、lc_v分别表示高程序列FC、LC中第v个元素，mc₀、mc_M-1分别表示高程序列MC的第一个元素和最后一个元素；

(4-2-2)根据下式计算各格网单元的高程值e_uv：

式中，mc_u表示高程序列MC的第u个元素。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明以DEM为数据源，通过峡谷两岸边缘控制线的设置、邻近区域山脊线的选取、基于Morphing技术的三维插值等环节，有效实现峡谷地貌的自动化恢复，本发明采用的DEM数据易于获取，自动化程度高，且恢复结果支持三维展示。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法的流程示意图；

图2是峡谷DEM的二维图像；

图3是设置峡谷边缘控制线的示意图；

图4是设置高程变化控制线的示意图；

图5是峡谷区域三维插值的高程曲面Surface；

图6是峡谷地貌恢复前后的DEM对比(其中，图a为巫峡峡谷地貌恢复前的DEM，图b为巫峡峡谷地貌恢复后的DEM_restore)

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，本实施例采用的实验数据是30M分辨率的巫峡DEM数据。区域内的巫峡峡谷，是长江三峡中最为陡峭的一段。下面结合附图，并通过描述一个具体的实施例，来进一步说明。

如图1所示，本实施例的基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法包括以下步骤：

(1)基于待恢复峡谷的DEM，在峡谷边缘两侧设置边缘控制线c₁、c₂。具体包括：

(1-1)读取待恢复峡谷的DEM数据并进行二维图像显示，如图2所示；

(1-2)在峡谷的二维图像一侧，绘制一条长度比峡谷长度长3至5个像素的线状要素，作为边缘控制线c₁；

(1-3)在峡谷的二维图像另一侧，绘制一条与边缘控制线c₁长度相等的线状要素，作为边缘控制线c₂。具体在绘制边缘控制线c₂时，可以先复制边缘控制线c₁，然后移到另一侧就可以了，绘制的边缘控制线c₁、c₂如图3所示。

(2)基于边缘控制线c₁、c₂，作峡谷DEM的堆栈剖面，得到c₁、c₂所经过格网单元的高程序列FC＝{fc_i|i＝0,1,2,…,N-1}、LC＝{lc_i|i＝0,1,2,…,N-1}；其中，fc_i、lc_i分别为采用c₁、c₂得到的堆栈剖面中第i个格网单元的高程值，N为序列FC、LC的元素个数。在本实施例中，N＝106，FC＝{170,167,164,…}，LC＝{260,267,276,…}；

(3)根据高程序列FC、LC获取待恢复峡谷的高程相近邻近区域DEM`，并沿山脊线设置高程变化控制线c<sub>3</sub>，作DEM`的堆栈剖面，得到c₃所经过格网单元的高程序列MC。具体包括：

(3-1)分别获取高程序列FC中最大值max₁和LC中最大值max₂，将两者中较大者记为e_max，较小者记为e_min；本实施例中，序列FC中高程最大值max₁＝471米、序列LC中高程最大值max₂＝521米，相应的e_min＝471米、e_max＝521米；

(3-2)从待恢复峡谷的DEM中，提取出高程位于区间[0.9*e_min,1.1e_max]的子集，记为DEM`；在本实施例中，DEM`的高程区间为[424,573]；

(3-3)在DEM`上，沿山脊线绘制一条长度与峡谷宽度相等或相近的高程变化控制线c₃；如图4所示；

(3-4)采用高程变化控制线c3对DEM`作堆栈剖面，得到高程序列MC＝{mci|i＝0,1,2,…,M-1}；其中，mci为堆栈剖面中第i个格网单元的高程值，M为序列MC中的元素个数。在本实施例中，M＝46，MC＝{495,498,502,…}。

(4)基于Morphing技术，根据高程序列FC、LC和MC，生成插值曲面Surface。具体包括：

(4-1)创建插值曲面Surface＝{e_uv|u＝0,1,2,…,N-1；v＝0,1,2,…,M-1}；其中，e_uv为曲面Surface上第u行v列格网单元的高程值，N为Surface的行数，M为Surface的列数；

(4-2)基于Morphing技术，根据高程序列FC、LC、MC计算插值曲面Surface上各格网单元的高程值e_uv，具体计算过程为：

(4-2-1)根据高程序列FC、LC、MC分别计算高程差hs_v、he_v：

式中，高程序列MC中元素个数，fc_v、lc_v分别表示高程序列FC、LC中第v个元素，mc₀、mc_M-1分别表示高程序列MC的第一个元素和最后一个元素；在本实施例中，计算得到的hs₀＝-140，hs₀＝-143

(4-2-2)根据下式计算各格网单元的高程值e_uv：

式中，mc_u表示高程序列MC的第u个元素。例如，本实施例中计算得到的e_0,0＝353，e_1,0＝356，最终生成的插值曲面Surface如图5所示。

(5)将插值曲面Surface镶嵌至待恢复峡谷的DEM上，得到恢复后的峡谷地貌DEM_restore，如图6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 (4)

1.一种基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法，其特征在于该方法包括：

(1)基于待恢复峡谷的DEM，在峡谷边缘两侧设置边缘控制线c₁、c₂；

(2)基于边缘控制线c₁、c₂，作峡谷DEM的堆栈剖面，得到c₁、c₂所经过格网单元的高程序列FC、LC；

(3)根据高程序列FC、LC获取待恢复峡谷的高程相近邻近区域DEM`，并沿山脊线设置高程变化控制线c<sub>3</sub>，作DEM`的堆栈剖面，得到c₃所经过格网单元的高程序列MC；

(4)基于Morphing技术，根据高程序列FC、LC和MC，生成插值曲面Surface；具体包括：

(4-1)创建插值曲面Surface＝{e_uv|u＝0,1,2,…,N-1；v＝0,1,2,…,M-1}；其中，e_uv为曲面Surface上第u行v列格网单元的高程值，N为Surface的行数，M为Surface的列数；

(4-2)基于Morphing技术，根据高程序列FC、LC、MC计算插值曲面Surface上各格网单元的高程值e_uv，具体包括：

(4-2-1)根据高程序列FC、LC、MC分别计算高程差hs_v、he_v：

式中，M为高程序列MC中元素个数，fc_v、lc_v分别表示高程序列FC、LC中第v个元素，mc₀、mc_M-1分别表示高程序列MC的第一个元素和最后一个元素；

(4-2-2)根据下式计算各格网单元的高程值e_uv：

式中，mc_u表示高程序列MC的第u个元素；

(5)将插值曲面Surface镶嵌至待恢复峡谷的DEM上，得到恢复后的峡谷地貌DEM_restore。

2.根据权利要求1所述的基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法，其特征在于：步骤(1)具体包括：

(1-1)读取待恢复峡谷的DEM数据并进行二维图像显示；

(1-2)在峡谷的二维图像一侧，绘制一条长度比峡谷长度长3至5个像素的线状要素，作为边缘控制线c₁；

(1-3)在峡谷的二维图像另一侧，绘制一条与边缘控制线c₁长度相等的线状要素，作为边缘控制线c₂。

3.根据权利要求1所述的基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法，其特征在于：步骤(2)具体包括：

分别采用边缘控制线c₁、c₂对DEM作堆栈剖面，得到高程序列FC＝{fc_i|i＝0,1,2,…,N-1}、LC＝{lc_i|i＝0,1,2,…,N-1}；其中，fc_i、lc_i分别为采用c₁、c₂得到的堆栈剖面中第i个格网单元的高程值，N为序列FC、LC的元素个数。

4.根据权利要求1所述的基于Morphing技术的峡谷地貌恢复方法，其特征在于：步骤(3)具体包括：

(3-1)分别获取高程序列FC中最大值max₁和LC中最大值max₂，将两者中较大者记为e_max，较小者记为e_min；

(3-2)从待恢复峡谷的DEM中，提取出高程位于区间[0.9*e_min,1.1e_max]的子集，记为DEM`；

(3-3)在DEM`上，沿山脊线绘制一条长度与峡谷宽度相等或相近的高程变化控制线c₃；

(3-4)采用高程变化控制线c₃对DEM`作堆栈剖面，得到高程序列MC＝{mc_i|i＝0,1,2,…,M-1}；其中，mc_i为堆栈剖面中第i个格网单元的高程值，M为序列MC中的元素个数。

Images