CN111127646B - 一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法及系统。该方法包括：获取地貌模型，所述地貌模型采用计算机表达的数字高程模型或者数字地形模型；对所述地貌模型进行预处理，得到预处理后数据；对所述预处理后数据进行分水岭提取，得到覆盖整个地理区域的若干多边形；确定各所述多边形的最大内接椭圆和各所述最大内接椭圆的圆心坐标；根据各所述圆心坐标，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值；根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面；根据所述地貌模型和所述地貌趋势面，得到度量地貌高差的栅格化高程曲面。本发明能够准确描述地貌的真实高度。

Description

一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法及系统

技术领域

本发明涉及栅格化高程曲面的构建领域，特别是涉及一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法及系统。

背景技术

数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)和数字地形模型DTM(DigitalTerrain Model)用栅格化高程(海拔)数据模拟表达地表的高低起伏，其高程的起算点往往是一个国家或地区定义的地表平均海水面(水准面)。在某些地理指标的应用场合，直接使用DEM的高程，往往难以度量山体隆起的实际高度、或者是沟谷切割的实际深度，例如：云南地貌发育在北高南低的大倾斜面上，北部很多高山的海拔为4000～5000m，而南部很多高山的海拔1500～2500m，使用参照水准面的高程，已无法描述地貌的真实高度。

发明内容

本发明的目的是提供一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法及系统，能够准确描述地貌的真实高度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法，包括：

获取地貌模型，所述地貌模型采用计算机表达的数字高程模型或者数字地形模型；

对所述地貌模型进行预处理，得到预处理后数据；

对所述预处理后数据进行分水岭提取，得到覆盖整个地理区域的若干多边形；

确定各所述多边形的最大内接椭圆和各所述最大内接椭圆的圆心坐标；

根据各所述圆心坐标，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值；

根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面；

根据所述地貌模型和所述地貌趋势面，得到度量地貌高差的栅格化高程曲面。

可选的，所述对所述地貌模型进行预处理，得到预处理后数据，具体包括：

对所述地貌数据进行格式转换、投影变换和噪声滤波处理，得到预处理后数据。

可选的，所述根据各所述圆心坐标，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值，具体包括：

根据各所述圆心坐标采用公式u_i(k_i,l_i)＝(h₁+h₂+...+h_j)/m，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值；

其中，k_i、l_i为多边形最大内接椭圆圆心的坐标位置，u_i(k_i,l_i)为圆心位置的数字高程的算术平均值，h_j为每个栅格点的数字高程值，m为多边形内全部栅格点的数量。

可选的，所述根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面，具体包括：

以各所述最大内接椭圆的中心点为对象，各所述高程算术平均值为度量，利用克里金插值法进行栅格化内插，生成地貌趋势面。

可选的，所述根据所述地貌模型和所述地貌趋势面，得到度量地貌高差的栅格化高程曲面，具体包括：

将所述地貌模型减去所述地貌趋势面，得到地貌相对高度度量，所述地貌相对高度度量为度量地貌高差的栅格化高程曲面。

一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建系统，包括：

地貌数据模块，用于获取地貌模型，所述地貌模型采用计算机表达的数字高程模型或者数字地形模型；

预处理模块，用于对所述地貌模型进行预处理，得到预处理后数据；

分水岭提取模块，用于对所述预处理后数据进行分水岭提取，得到覆盖整个地理区域的若干多边形；

内接椭圆确定模块，用于确定各所述多边形的最大内接椭圆和各所述最大内接椭圆的圆心坐标；

高程算术平均值确定模块，用于根据各所述圆心坐标，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值；

地貌趋势面确定模块，用于根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面；

栅格化高程曲面确定模块，用于根据所述地貌模型和所述地貌趋势面，得到度量地貌高差的栅格化高程曲面。

可选的，所述预处理模块，具体包括：

预处理单元，用于对所述地貌数据进行格式转换、投影变换和噪声滤波处理，得到预处理后数据。

可选的，所述高程算术平均值确定模块，具体包括：

高程算术平均值确定单元，用于根据各所述圆心坐标采用公式u_i(k_i,l_i)＝(h₁+h₂+...+h_j)/m，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值；

其中，k_i、l_i为多边形最大内接椭圆圆心的坐标位置，u_i(k_i,l_i)为圆心位置的数字高程的算术平均值，h_j为每个栅格点的数字高程值，m为多边形内全部栅格点的数量。

可选的，所述地貌趋势面确定模块，具体包括：

地貌趋势面确定单元，用于以各所述最大内接椭圆的中心点为对象，各所述高程算术平均值为度量，利用克里金插值法进行栅格化内插，生成地貌趋势面。

可选的，所述栅格化高程曲面确定模块，具体包括：

栅格化高程曲面确定单元，用于将所述地貌模型减去所述地貌趋势面，得到地貌相对高度度量，所述地貌相对高度度量为度量地貌高差的栅格化高程曲面。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法及系统。通过获取地貌模型，地貌模型采用数字高程模型或者数字地形模型；对地貌模型进行预处理，得到预处理后数据；对预处理后数据进行分水岭提取，得到覆盖整个地理区域的若干多边形；确定各多边形的最大内接椭圆和各最大内接椭圆的圆心坐标；根据各圆心坐标，确定各多边形内栅格点的高程算术平均值；根据各圆心坐标和算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面；根据地貌模型和地貌趋势面，得到度量地貌高差的栅格化高程曲面，采用上述方法更能准确描绘和表达地貌的真实高度，有利于构建各种地学指标，刻画相应的地理环境和地表形态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法流程图；

图2为本发明分水岭、内接多边形和椭圆圆心示意图；

图3为本发明云南地貌趋势面示意图；

图4为本发明度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法及系统，能够准确描述地貌的真实高度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

图1为本发明度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法流程图。如图1所示，一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法包括：

步骤101：获取地貌数据，所述地貌数据采用计算机表达的数字高程模型DEM数据或者数字地形模型DTM数据。

步骤102：对所述地貌模型进行预处理，得到预处理后数据，具体包括：

对所述地貌数据进行格式转换、投影变换和噪声滤波处理，得到预处理后数据。

步骤103：对所述预处理后数据进行分水岭提取，得到覆盖整个地理区域的若干多边形。

利用地理系统软件的分水岭提取算法，获得整块地理区域Ω上的分水岭界线组成的多边形p_i(i＝1,2,...,n)。一个多边形覆盖一个地表流域区，所有的多边形形成了对地貌数据所对应的地理区域的完全分割。

一个的流域对应于一个多边形p_i，其中，p_i满足：

Ω＝p₁∪p₂∪....∪p_n且p_i∩p_j＝Φ，∪并集运算，∩交集运算，Ω为全集。

i,j＝1,2,......n,且i≠j，Φ是空集。

其含义是分水岭构成的多边形两两不重叠，空间相邻的任意两个多边形共用边界线，它们之间的连接不存在缝隙。n个多边形形成对地面的完全分割。分水岭提取是一般的地理信系统的公开的常规算法。

步骤104：确定各所述多边形的最大内接椭圆和各所述最大内接椭圆的圆心坐标。

以每个分水岭多边形pi为对象，计算每个分水岭最大内接椭圆C_i以及它的圆心坐标(k_i,l_i),(i＝1，2，...，n)。最大内接椭圆和圆心坐标的计算，也是使用地理信息系统中的公开算法。图2为本发明分水岭、内接多边形和椭圆圆心示意图。以圆心坐标的坐标位置作为该流域，即该多边形的地貌趋势面的代表位置。

步骤105：根据各所述圆心坐标，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值，具体包括：

根据各所述圆心坐标采用公式u_i(k_i,l_i)＝(h₁+h₂+...+h_j)/m，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值。

其中，k_i、l_i为多边形最大内接椭圆圆心的坐标位置，u_i(k_i,l_i)为圆心位置的数字高程的算术平均值，h_j为每个栅格点的数字高程值，m为多边形内全部栅格点的数量，j＝1，2...m，i＝1，2...n。

通过步骤105可知该步骤是构建一个坐标点，该点的坐标位置为最大内接椭圆的圆心，该点属性值为高程算术平均值。

步骤106：根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面，具体包括：

以各所述最大内接椭圆的中心点为对象，各所述高程算术平均值为度量，利用克里金插值法进行栅格化内插，生成地貌趋势面。

以所有的u_i(k_i，l_i)为空间点集，利用克里金插值法内插生成空间曲面，该曲面即为最终的地势趋势面，用RDEM或者RDTM记之。克里金插值法也是地理信息系统软件中公开的一种内插方法。

按上述方法，利用云南的90m数字地形模型，最后生成的云南地势趋势面RDEM如图3所示，图3为本发明云南地貌趋势面示意图。

步骤107：根据所述地貌模型和所述地貌趋势面，得到度量地貌高差的栅格化高程曲面，具体包括：

将所述地貌模型减去所述地貌趋势面，得到地貌相对高度度量，所述地貌相对高度度量为度量地貌高差的栅格化高程曲面。具体包括以下两种方式：

1)用绝对高程表达的数字高程模型DEM与RDEM相减，即可得到地貌的相对高度度量△DEM，即△DEM＝DEM-RDEM。

如果空间的一片连接区域的△DEM都取正值，表示该地理区域为隆起地貌；如果为负值，表示该区域为向下切割的沟谷或塌陷地貌；如果一片区域的△DEM数值很小或接近于0，在表示该区域地势平坦。

2)用绝对高程表达的数字地形模型DTM与RDTM相减，即可得到地貌的相对高度度量△DTM，即△DTM＝DTM-RDTM。

如果空间的一片连接区域的△DTM都取正值，表示该地理区域为隆起地貌；如果为负值，表示该区域为向下切割的沟谷或塌陷地貌；如果一片区域的△DTM数值很小或接近于0，在表示该区域地势平坦。

利用上述的△DEM，或△DTM和栅格单元面积、栅格的坡度度量等，即可得到某个栅格单元对应的山体区域隆起的体积，或沟谷、塌陷地下切的体积。

以上方法涉及的DEM、DTM、RDEM和△DEM，是计算机中用地图坐标系统存储、管理和运算的数字矩阵，按数据格式称为栅格数据；矩阵的行列坐标、地图坐标可以进行相互转换。以上方法所涉及的分水岭、流域、椭圆、圆心为常规平面地图坐标系中的矢量图形。以上方法的实施，可以借助商业化地理信系统软件工具，在计算机中运算和实现。

实施例2：

图4为本发明度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建系统结构图。如图4所示，一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建系包括：

地貌数据模块201，用于获取地貌模型，所述地貌模型采用计算机表达的数字高程模型或者数字地形模型。

预处理模块202，用于对所述地貌模型进行预处理，得到预处理后数据。

分水岭提取模块203，用于对所述预处理后数据进行分水岭提取，得到覆盖整个地理区域的若干多边形。

内接椭圆确定模块204，用于确定各所述多边形的最大内接椭圆和各所述最大内接椭圆的圆心坐标。

高程算术平均值确定模块205，用于根据各所述圆心坐标，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值。

地貌趋势面确定模块206，用于根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面。

栅格化高程曲面确定模块207，用于根据所述地貌模型和所述地貌趋势面，得到度量地貌高差的栅格化高程曲面。

所述预处理模块202，具体包括：

预处理单元，用于对所述地貌数据进行格式转换、投影变换和噪声滤波处理，得到预处理后数据。

所述高程算术平均值确定模块205，具体包括：

高程算术平均值确定单元，用于根据各所述圆心坐标采用公式u_i(k_i,l_i)＝(h₁+h₂+...+h_j)/m，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值。

其中，k_i、l_i为多边形最大内接椭圆圆心的坐标位置，u_i(k_i,l_i)为圆心位置的数字高程的算术平均值，h_j为每个栅格点的数字高程值，m为多边形内全部栅格点的数量。

所述地貌趋势面确定模块206，具体包括：

地貌趋势面确定单元，用于以各所述最大内接椭圆的中心点为对象，各所述高程算术平均值为度量，利用克里金插值法进行栅格化内插，生成地貌趋势面。

所述栅格化高程曲面确定模块207，具体包括：

栅格化高程曲面确定单元，用于将所述地貌模型减去所述地貌趋势面，得到地貌相对高度度量，所述地貌相对高度度量为度量地貌高差的栅格化高程曲面。

本发明以DEM或DTM为基本数据，将数据调入计算机中，可显示和表达为地图坐标系统中计算机栅格图像。计算机沿着数据集表达的地貌山脊线，提取矢量线并生成分水岭多边形，每一个多边形围成一个小流域，全部多边形将地表分割成一个一个的小流域区。每个流域包含着多个栅格点，栅格点的海拔表达了地貌的高低起伏。在大尺度的地貌趋势分析中，一般认为每个流域已经足够小，可以用流域中的一个代表点以及赋予该点的流域区的平均高程，代表这个流域的平均地貌高，多个代表点表达了地貌高度的化趋势。

为了使代表点落在多边形的内部，在每个多边形内，计算和绘制它的最大内接椭圆，并以最大内接椭圆圆心坐标点为该流域的代表点；这样，就形成了用一个高程点代表一个小流域的地貌起伏趋势。使用这样的代表点选择方法，可以避免月牙形流域的代表点在流域区之外。

计算每个流域包含的栅格点的海拔算术平均值，并将该值赋给流域内的代表点，以其作为流域趋势代表点的海拔。显然，每个流域且只有一个海拔。之后，将全部流域的代表点看成地图坐标平面上的样本点集，利用克里金差值方法，用这些高程点可内插成一个曲面，则该曲面就是度量地貌高度的地貌趋势面。

在任何的地貌分析应用中，用原DEM或原DTM上减去内插地貌趋势面，其结果就是地图坐标系中的表达地貌起伏的栅格图像。其数值大于0的栅格点代表的隆起地貌、数字小于0的栅格点代表切割地貌，数值近似等于0的点代表平坦地貌。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法，其特征在于，包括：

获取地貌模型，所述地貌模型采用计算机表达的数字高程模型或者数字地形模型；

对所述地貌模型进行预处理，得到预处理后数据；

对所述预处理后数据进行分水岭提取，得到覆盖整个地理区域的若干多边形；

确定各所述多边形的最大内接椭圆和各所述最大内接椭圆的圆心坐标；

根据各所述圆心坐标，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值；

根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面；

根据所述地貌模型和所述地貌趋势面，得到度量地貌高差的栅格化高程曲面；具体包括：

将所述地貌模型减去所述地貌趋势面，得到地貌相对高度度量，所述地貌相对高度度量为度量地貌高差的栅格化高程曲面。

2.根据权利要求1所述的度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法，其特征在于，所述对所述地貌模型进行预处理，得到预处理后数据，具体包括：

对所述地貌模型进行格式转换、投影变换和噪声滤波处理，得到预处理后数据。

3.根据权利要求1所述的度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法，其特征在于，所述根据各所述圆心坐标，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值，具体包括：

根据各所述圆心坐标采用公式u_i(k_i,l_i)＝(h₁+h₂+...+h_j)/m，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值；

其中，k_i、l_i为多边形最大内接椭圆圆心的坐标位置，u_i(k_i,l_i)为圆心位置的数字高程的算术平均值，h_j为每个栅格点的数字高程值，m为多边形内全部栅格点的数量。

4.根据权利要求1所述的度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建方法，其特征在于，所述根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面，具体包括：

以各所述最大内接椭圆的中心点为对象，各所述高程算术平均值为度量，利用克里金插值法进行栅格化内插，生成地貌趋势面。

5.一种度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建系统，其特征在于，包括：

地貌数据模块，用于获取地貌模型，所述地貌模型采用计算机表达的数字高程模型或者数字地形模型；

预处理模块，用于对所述地貌模型进行预处理，得到预处理后数据；

分水岭提取模块，用于对所述预处理后数据进行分水岭提取，得到覆盖整个地理区域的若干多边形；

内接椭圆确定模块，用于确定各所述多边形的最大内接椭圆和各所述最大内接椭圆的圆心坐标；

高程算术平均值确定模块，用于根据各所述圆心坐标，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值；

地貌趋势面确定模块，用于根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面；

栅格化高程曲面确定模块，用于根据所述地貌模型和所述地貌趋势面，得到度量地貌高差的栅格化高程曲面；具体包括：

栅格化高程曲面确定单元，用于将所述地貌模型减去所述地貌趋势面，得到地貌相对高度度量，所述地貌相对高度度量为度量地貌高差的栅格化高程曲面。

6.根据权利要求5所述的度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建系统，其特征在于，所述预处理模块，具体包括：

预处理单元，用于对所述地貌模型进行格式转换、投影变换和噪声滤波处理，得到预处理后数据。

7.根据权利要求5所述的度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建系统，其特征在于，所述高程算术平均值确定模块，具体包括：

高程算术平均值确定单元，用于根据各所述圆心坐标采用公式u_i(k_i,l_i)＝(h₁+h₂+...+h_j)/m，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值；

其中，k_i、l_i为多边形最大内接椭圆圆心的坐标位置，u_i(k_i,l_i)为圆心位置的数字高程的算术平均值，h_j为每个栅格点的数字高程值，m为多边形内全部栅格点的数量。

8.根据权利要求5所述的度量地貌高差的栅格化高程曲面的构建系统，其特征在于，所述地貌趋势面确定模块，具体包括：

地貌趋势面确定单元，用于以各所述最大内接椭圆的中心点为对象，各所述高程算术平均值为度量，利用克里金插值法进行栅格化内插，生成地貌趋势面。

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