CN110288645B - 一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法，针对现有技术无法有效地直接存储地形信息数据，且忽视地形要素对于地形地貌的骨架控制作用等的问题，通过地形分析提取地形地貌要素，挖掘隐含在DEM数据中的地形地貌信息，通过地形因子辅助的作用提高了地形表面面积建模精度。

Description

一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法
技术领域
本发明属于地表面积计算技术领域，具体涉及一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法。
背景技术
地形地貌是地球自然过程和人类活动共同作用的结果，是地表最复杂的现象之一。其形态千变万化但可以分解一系列规律的点、线、面要素。这些点、线、面要素决定了地貌形态的规模和类型，通过地形分析提取要素是地形地貌分析的基础。作用于地形地貌内外营力不同，所形成地形地貌的类型、尺度和规模会出现明显差异；经过长期的地理理论和实践研究，一般认为内营力是形成星体、巨型和大型地貌的主因，而外营力是形成中小型和微型地貌的主因。数字地形地貌分析是对DEM数据的深度信息的提取，由于DEM数据仅记录离散的高程点、线数据，无法有效地直接存储地形信息数据，因此有必要通过一系列提取方法挖掘隐含在DEM数据中的地形地貌信息。表面面积是众多地形因子中非常重要的一个，也是众多其他复杂地形因子的基础因子。随着遥感技术的提高，基于规则格网DEM格式存储的高精度高程数据得到广泛推广，而传统规则格网DEM数据的表面面积提取方法通过三角构网、曲面拟合等方法实现表面面积计算，忽视了地形要素对于地形地貌的骨架控制作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法，用于通过地形因子辅助的作用提高地形表面面积的建模精度。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法，包括以下步骤：
步骤S1：收集数字高程模型数据集A；
步骤S2：根据步骤S1得到的数据集A计算坡向数据集B；
步骤S3：根据数据集A创建表面面积数据集C；
步骤S4：以数据集A和步骤S2得到的数据集B作为输入数据，数据集C为输出参数，以像元矩阵作为滑动窗口，对数据集A、数据集B和数据集C进行遍历操作；
步骤S5：步骤S4创建的滑动窗口每次变换之后，以窗口内数据集A和数据集B作为输入参数，计算窗口中心像元表面面积，将结果计入数据集C；
步骤S6：累积数据集C中所有像元的数值之和作为所求的表面面积。
按上述方案，所述的步骤S2中，坡向计算采用基于数值积分的二次曲面拟合曲面法，设Aspect表示像元坡向，Slopesn表示像元在南北方向坡度，Slopewe在东西方向的坡度，则每个像元的坡度和坡向的计算公式为：
Aspect＝Slopesn/Slopewe。
进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：
步骤S31：分别设数据集A的行数为Rows、列数为Cols，设数据集A的像元尺寸为x-size和y-size，设数据集A的起始点的横坐标为x-tl、纵坐标为y-tl；
步骤S32：以Rows、Cols、x-size、y-size、x-tl、y-tl作为栅格参数，创建数据类型为浮点型的栅格数据集，记为C。
进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：
步骤S41：设像元矩阵的行列数为3×3，设正整数Rc的取值范围为(1，Rows-1)，遍历Rc的所有取值，每次递增1；
步骤S42：针对步骤S41中Rc的每一次取值，设正整数Cc的取值范围为(1，Cols-1)，遍历Cc的所有取值，每次递增1；
步骤S43：针对步骤S42中Cc的每一次取值，分别读取数据集A、数据集B中行列号为(Rc-1，Cc-1)、(Rc-1，Cc)、(Rc-1，Cc+1)、(Rc，Cc-1)、(Rc，Cc)、(Rc，Cc+1)、(Rc+1，Cc-1)、(Rc+1，Cc)、(Rc+1，Cc+1)的像元值，作为当前窗口内数据集A和数据集B的读取值。
进一步的，所述的步骤S5中，具体步骤为：
步骤S51：将窗口内数据集A的像元中心点分别记为a、b、c、d、e、f、g、h、i；
步骤S52：将窗口内数据集B的中心像元值记为θ；
步骤S53：过e点以θ为方向角做直线l，l与a点和g点的连线相交于j点，与c点和i点的连线相交于k点；
步骤S54：分别连接b点和j点、h点和k点、b点和f点、d点和h点，将步骤S51得到的中心点围成的矩形区域划分为10个三角形区域；
步骤S55：计算步骤S54得到的各三角形面积之和再除以4，获得窗口中心点的表面积栅格像元值，将结果计入数据集C。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法通过地形因子辅助提高了地形表面面积的建模精度。
2.本发明能够挖掘隐含在DEM数据中的地形地貌信息。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
图2是本发明实施例的坡向计算示意图。
图3是本发明实施例的坡向约束表面面积计算示意图。
图4是本发明实施例的研究区表面积结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
以神农架林区作为研究，参见图1至图4，本发明的一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法，包括以下步骤：
步骤S1：收集研究区数字高程模型数据集A。
步骤S2：根据步骤S1得到的数字高程模型数据集A计算研究区坡向数据集B；坡向计算采用基于数值积分的二次曲面拟合曲面法，设Aspect表示像元坡向，Slopesn表示像元在南北方向坡度，Slopewe在东西方向的坡度，则每个像元的坡度和坡向的计算公式为：
Aspect＝Slopesn/Slopewe。
步骤S3：依据数据集A的坐标系统信息创建表面面积数据集C：
步骤S31：获取数据集A的行数为Rows＝399、列数为Cols＝474，获取数据集A的像元尺寸分别记为x-size＝30m和y-size＝30m，获取数据集A的起始点的横坐标为x-tl＝110.3877°、纵坐标为y-tl＝31.6819°；
步骤S32：以Rows、Cols、x-size、y-size、x-tl、y-tl作为栅格参数，创建数据类型为浮点型的栅格数据集，记为C。
步骤S4：以数据集A和步骤S2得到的数据集B作为输入数据，数据集C为输出参数，以像元矩阵作为滑动窗口，对数据集A、数据集B和数据集C进行遍历操作：
步骤S41：设像元矩阵的行列数为3×3，根据步骤S3设置的数据集A的行列数，设Rc为正整数，取值范围为(1，Rows-1＝398)，遍历Rc的所有取值，每次递增1；
步骤S42：针对步骤S41中Rc的每一次取值，设Cc为正整数，取值范围为(1，Cols-1＝473)，遍历Cc的所有取值，每次递增1；
步骤S43：针对步骤S42中Cc的每一次取值，分别读取数据A、B中行列号为(Rc-1，Cc-1)、(Rc-1，Cc)、(Rc-1，Cc+1)、(Rc，Cc-1)、(Rc，Cc)、(Rc，Cc+1)、(Rc+1，Cc-1)、(Rc+1，Cc)、(Rc+1，Cc+1)的像元值，作为当前窗口数据集A和数据集B的读取值。
步骤S5：步骤S4创建的滑动窗口每次变换之后，以窗口内数据集A和数据集B作为输入参数，计算窗口中心像元表面面积，将结果计入数据集C：
步骤S51：获取窗口内数据集A的像元中心点分别记为a、b、c、d、e、f、g、h、i；
步骤S52：获取窗口内数据B的中心像元值记为θ；
步骤S53：过e点以θ为方向角做直线l，l与a点和g点的连线相交于j点，与c点和i点的连线相交于k点；
步骤S54：分别连接b点和j点、h点和k点、b点和f点、d点和h点，将步骤S51得到的中心点围成的矩形区域划分为10个三角形区域；
步骤S55：计算步骤S54得到的各三角形面积之和再除以4，获得窗口中心点的表面积栅格像元值，将结果计入数据集C。
步骤6：累积数据集C中所有像元数值之和作为研究区表面面积。
综上所述，本发明的一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法针对现有技术无法有效地直接存储地形信息数据，且忽视地形要素对于地形地貌的骨架控制作用等的问题，通过地形分析提取地形地貌要素，挖掘隐含在DEM数据中的地形地貌信息，通过地形因子辅助的作用提高了地形表面面积建模精度。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：收集数字高程模型数据集A；
步骤S2：根据步骤S1得到的数据集A计算坡向数据集B；
所述的步骤S2中，坡向计算采用基于数值积分的二次曲面拟合曲面法，设Aspect表示像元坡向，Slopesn表示像元在南北方向坡度，Slopewe在东西方向的坡度，则每个像元的坡度和坡向的计算公式为：
Aspect＝Slopesn/Slopewe；
步骤S3：根据数据集A创建表面面积数据集C；
步骤S4：以数据集A和步骤S2得到的数据集B作为输入数据，数据集C为输出参数，以像元矩阵作为滑动窗口，对数据集A、数据集B和数据集C进行遍历操作；
步骤S5：步骤S4创建的滑动窗口每次变换之后，以窗口内数据集A和数据集B作为输入参数，计算窗口中心像元表面面积，将结果计入数据集C；
步骤S6：累积数据集C中所有像元的数值之和作为所求的表面面积。
2.根据权利要求1所述的一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：
步骤S31：分别设数据集A的行数为Rows、列数为Cols，设数据集A的像元尺寸为x-size和y-size，设数据集A的起始点的横坐标为x-tl、纵坐标为y-tl；
步骤S32：以Rows、Cols、x-size、y-size、x-tl、y-tl作为栅格参数，创建数据类型为浮点型的栅格数据集，记为C。
3.根据权利要求2所述的一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：
步骤S41：设像元矩阵的行列数为3×3，设正整数Rc的取值范围为(1，Rows-1)，遍历Rc的所有取值，每次递增1；
步骤S42：针对步骤S41中Rc的每一次取值，设正整数Cc的取值范围为(1，Cols-1)，遍历Cc的所有取值，每次递增1；
步骤S43：针对步骤S42中Cc的每一次取值，分别读取数据集A、数据集B中行列号为(Rc-1，Cc-1)、(Rc-1，Cc)、(Rc-1，Cc+1)、(Rc，Cc-1)、(Rc，Cc)、(Rc，Cc+1)、(Rc+1，Cc-1)、(Rc+1，Cc)、(Rc+1，Cc+1)的像元值，作为当前窗口内数据集A和数据集B的读取值。
4.根据权利要求3所述的一种基于坡向约束的地形表面面积计算方法，其特征在于：所述的步骤S5中，具体步骤为：
步骤S51：将窗口内数据集A的像元中心点分别记为a、b、c、d、e、f、g、h、i；
步骤S52：将窗口内数据集B的中心像元值记为θ；
步骤S53：过e点以θ为方向角做直线l，l与a点和g点的连线相交于j点，与c点和i点的连线相交于k点；
步骤S54：分别连接b点和j点、h点和k点、b点和f点、d点和h点，将步骤S51得到的中心点围成的矩形区域划分为10个三角形区域；
步骤S55：计算步骤S54得到的各三角形面积之和再除以4，获得窗口中心点的表面积栅格像元值，将结果计入数据集C。
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