CN111738104A - 一种基于地理信息系统提取地形类别的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，所述提取地形类别的方法包括于ArcGIS系统中基于水文地理方法完成待测区各格点的山脊、山谷、垭口、迎风坡和背风坡地形划分提取。本发明方法基于地理信息系统，利用数字地形数据，可有效提升地形类别提取的准确率和效率，并节省了时间和人力成本。
Description
技术领域
本发明属于地形识别技术领域，尤其涉及一种基于地理信息系统提取地形类别的方法。
背景技术
山地地形地貌特征的研究一直是地理地貌学领域传统的研究内容，作为直接影响人类活动的一个基本要素，与经济建设、社会发展、防灾减灾等方面关系密切。输电线路常常从地形多变山区经过，而线路导线覆冰的大小，又与地形有密切联系。因此，识别山区不同类别的地形成为研究地形与覆冰关系的前提。过去地形识别往往依靠个人经验，识别结果有可能因人而异，因此利用地理信息系统获取更加可靠合理的地形类别识别结果成为重要的课题。
在地理学上，根据地形要素的关系特征和计算特征，一般会将地形特征分为多种类别，分类的方法有多种：例如根据等高线特征来判别地形特征的一种分类法，还有地表水文分析的一种分类法。本方法采用地表水文分类法。
根据已有的研究成果和以往电力工程设计的经验和惯例，一般将对于导线覆冰有影响的地形分为山谷、山脊、平坝、迎风坡、背风坡、垭口。本研究初期也按照这种分类方式进行地形识别。然而在识别研究过程中发现，平坝这种类型往往跟山谷和山脊混淆识别或识别效果不佳，仔细分析后发现平坝这种类型其实与其他地形类别在定义上区别不清晰，在不同的情况下有重复定义之处。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术不足，本发明公开了一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，通过本方法实现了地形类别的快速识别划分。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，所述提取地形类别的方法包括于ArcGIS系统中基于水文地理方法完成待测区各格点的山脊、山谷、垭口、迎风坡和背风坡地形划分提取。
根据一个优选的实施方式，对山脊地形的划分提取过程包括：通过地表径流模拟计算之后，获取图像栅格的水流方向只具有流出方向而不存在流入方向，也就是栅格的汇流累积量为零，通过对零值的汇流累计量的栅格的提取，即得到分水线，也就是山脊线。
根据一个优选的实施方式，对山谷地形的划分提取过程包括：对DEM栅格进行DEM反减获得反地形DEM栅格，并基于水流方向数据获得汇集零流量区域并完成与DEM栅格中负地形相交，即获得山谷线。
根据一个优选的实施方式，对垭口地形划分提取过程包括：对DEM栅格分别进行山脊线和山谷线的地形提取，并完成山脊线和山谷线的相交，即获得垭口地形。
根据一个优选的实施方式，对迎风坡和背风坡地形的划分提取过程包括：基于DEM栅格，获取山坡区域，并获取山坡坡向，提取待识别栅格坡向，并将坡向与冬季主风向夹角大于90°的格点区域划分为背风坡，将格点区域的坡向与冬季主风向夹角小于90°的格点区域划分为迎风坡。
根据一个优选的实施方式，所述山坡区域的获取为于DEM栅格上去除山谷、山脊和垭口地形意外区域。
根据一个优选的实施方式，所述冬季主风向为基于气象站获取得到。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：本发明方法基于地理信息系统，利用数字地形数据，可有效提升地形类别提取的准确率和效率，并节省了时间和人力成本。
附图说明
图1是本发明方法中山脊地形的划分识别流程示意图；
图2是本发明方法中山谷地形的划分识别流程示意图；
图3是本发明方法中垭口地形的划分识别流程示意图；
图4是本发明方法中迎风坡和背风坡地形的划分识别流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
本发明公开了一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，所述提取地形类别的方法包括于ArcGIS系统中基于水文地理方法完成待测区各格点的山脊、山谷、垭口、迎风坡和背风坡地形划分提取。
优选地，参考图1所示。对山脊地形的划分提取过程包括：通过地表径流模拟计算之后，获取图像栅格的水流方向只具有流出方向而不存在流入方向，也就是栅格的汇流累积量为零，通过对零值的汇流累计量的栅格的提取，即得到分水线，也就是山脊线。
具体地，山脊和山谷是地形特征线，它们对地形、地貌具有一定的控制作用。对于水文物理过程研究而言，山脊和山谷分别表示分水性与汇水性，山脊和山谷的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。
基于DEM的地形表面流水物理模拟分析的原理是：对于山脊而言，由于它同时也是分水线，那么对于分水线上的那些栅格，由于分水线的性质是水流的起源点，通过地表径流模拟计算之后这些栅格的水流方向应该只具有流出方向而不存在流入方向，也就是栅格的汇流累积量为零。通过对零值的汇流累计量的栅格的提取，就可以得到分水线，也就是山脊线。
优选地，参考图2所示。对山谷地形的划分提取过程包括：对DEM栅格进行DEM反减获得反地形DEM栅格，并基于水流方向数据获得汇集零流量区域并完成与DEM栅格中负地形相交，即获得山谷线。
具体地，山谷地形的识别原理与山脊相同，也是基于地表水文物理模拟方法，山谷线相当于汇水线。汇水线是水流的终点，水流是汇入而非汇出。对于汇水线的提取，其思路与提取山脊线相似，只需要多用一种转换技巧。如果将地形整个反过来，那么水流方向将变得完全相反，水流流入的变成流出，流出的变成流入，那么汇水线将变成分水线。地形反转的方法很简单，直接用一个较大的值减去DEM，这样DEM中的汇水线就变成分水线，即DEM中的山脊线成为山谷线，而山谷线变成山脊线。这样就可以用求山脊线的方法求出山谷线。
优选地，参考图3所示。对垭口地形划分提取过程包括：对DEM栅格分别进行山脊线和山谷线的地形提取，并完成山脊线和山谷线的相交，即获得垭口地形。
具体地，垭口点是重要的地形控制点，它和山顶点、山谷点以及山脊线、山谷线等构成的地形特征点线。
垭口点的描述性表达比较清晰，一般认为垭口是山脊上两山间的低浅处，但比山坳高，如垭口典型描述：“地形图中为两组表示山头的相同高度的等高线各自的闭相邻并列，其中间处为垭口”；“两个山顶之间的低洼山脊处，形状象马鞍形”。Maxwell将垭口点定义为每个垭口周围的圆必须至少通过两个高点及两个低点；《数字高程模型及地学分析的原理与方法》(汤国安等)中定义其为在两个正交方向上，一个方向凸起而另一个方向凹陷的点；《数字地形分析》(周启鸣、刘学军等)定义为位于成正交的凸凹线的交点处，又称交线点。
因而，可以认为垭口位于山脊上相对汇水的区域。另一方面，如果将整个地形反转得到原始地形的反地形，则会发现鞍部可以认为处于反地形分水线的发源之处，这对应着原始地形的汇水线的源点，因此垭口也可被理解为分水线与汇水线相交而产生的点。从这个意义上，可以得到垭口点提取方法的一些启示，即可以通过提取分水线和汇水线的交点而得到。
优选地，参考图4所示。对迎风坡和背风坡地形的划分提取过程包括：基于DEM栅格，获取山坡区域，并获取山坡坡向，提取待识别栅格坡向，并将坡向与冬季主风向夹角大于90°的格点区域划分为背风坡，将格点区域的坡向与冬季主风向夹角小于90°的格点区域划分为迎风坡。
进一步地，所述山坡区域的获取为于DEM栅格上去除山谷、山脊和垭口地形意外区域。
进一步地，所述冬季主风向为基于气象站获取得到。
具体地，通过前面的方法已从DEM数据中自动提取山谷、山脊和垭口这3种地形，那么设定除去山谷、山脊和垭口地形以外的区域为山坡区域，则迎风坡和背风坡就是在山坡区域内坡向与区域冬季主风向相迎或相背的栅格。由此，可定义栅格坡向与冬季主风向夹角大于90°的为背风坡，与冬季主风向夹角小于90°的为迎风坡。
因此，识别迎风坡与背风坡应当先获取坡向，再与最邻近气象站的冬季主风向比较夹角，最终根据夹角大小判定是迎风坡还是背风坡。
并且，由于不同的气象站冬季主风向并不一致，不同的位置获取的坡向与主风向夹角不能按单一方向统一计算，只有选择距离最近气象站的冬季主风向加以计算。因此需要先确定待计算的栅格，再求该点与邻近气象站距离以确定最近气象站，才能计算坡向与主风向夹角。为减小计算量，对夹角的计算是采取零星地有选择性的只计算待求栅格(观冰站点所在栅格)的夹角，而非整个区域的每一个栅格全部计算。
优选地，对于上述5种类别地形，经过识别后的结果是一种分类结果，获得的是不同类别的标签，而分类结果难以直接用于回归建模。因此，还需要对分类结果进行某种形式的量化，对每种结果赋予一个数值，才能实现后期数值回归模型的建立。为便于在建立模型中体现出不同地形的差异性，经过多次模型探索和对比分析，可以采用了如下的赋值方案。
不同地形类别系数表1
| 地形 | 山谷 | 山脊 | 背风坡 | 迎风坡 | 垭口 |
| 系数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
以上赋值将作为地形类别因子加入数学模型的建模中。
综上，本方法基于地理信息系统，利用数字地形数据，可有效提升地形类别提取的准确率和效率，并节省了时间和人力成本。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，其特征在于，所述提取地形类别的方法包括于ArcGIS系统中基于水文地理方法完成待测区各格点的山脊、山谷、垭口、迎风坡和背风坡地形划分提取。
2.如权利要求1所述的一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，其特征在于，对山脊地形的划分提取过程包括：
通过地表径流模拟计算之后，获取图像栅格的水流方向只具有流出方向而不存在流入方向，也就是栅格的汇流累积量为零，通过对零值的汇流累计量的栅格的提取，即得到分水线，也就是山脊线。
3.如权利要求2所述的一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，其特征在于，对山谷地形的划分提取过程包括：
对DEM栅格进行DEM反减获得反地形DEM栅格，并基于水流方向数据获得汇集零流量区域并完成与DEM栅格中负地形相交，即获得山谷线。
4.如权利要求3所述的一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，其特征在于，对垭口地形划分提取过程包括：
对DEM栅格分别进行山脊线和山谷线的地形提取，并完成山脊线和山谷线的相交，即获得垭口地形。
5.如权利要求4所述的一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，其特征在于，对迎风坡和背风坡地形的划分提取过程包括：
基于DEM栅格，获取山坡区域，并获取山坡坡向，提取待识别栅格坡向，并将坡向与冬季主风向夹角大于90°的格点区域划分为背风坡，将格点区域的坡向与冬季主风向夹角小于90°的格点区域划分为迎风坡。
6.如权利要求5所述的一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，其特征在于，所述山坡区域的获取为于DEM栅格上去除山谷、山脊和垭口地形意外区域。
7.如权利要求5所述的一种基于地理信息系统提取地形类别的方法，其特征在于，所述冬季主风向为基于气象站获取得到。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201002 |