CN111739143B - 一种黄土地貌沟沿线提取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种黄土地貌沟沿线提取方法及系统。该方法包括获取待研究地区的高分辨率栅格DEM数据；根据所述高分辨率栅格DEM数据确定栅格的坡向数据；将所述坡向数据大于所述坡向阈值的格栅进行保留；根据保留的栅格的坡向数据确定坡面朝向；根据所述坡面朝向获取所述保留的栅格的上坡面的设定区域和下坡面的设定区域；根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据和所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述设定区域内的平均坡度差；将所述平均坡度差大于坡度差阈值对应的所述保留的栅格确定为沟沿线候选点；根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取。本发明能够相对连续地实现黄土地貌沟沿线的提取。

Description

一种黄土地貌沟沿线提取方法及系统

技术领域

本发明涉及黄土地貌沟沿线提取领域，特别是涉及一种黄土地貌沟沿线提取方法及系统。

背景技术

沟沿线是一条最典型的地貌特征线，由一系列坡面转折突变点构成的点集合。它所分割的沟间地(正地形)和沟谷地(负地形)交错分布，形成了独特的黄土地貌景观。正确有效认识与提取沟沿线对于揭示地貌形态的空间分异规律和演化机理有着重要的科学价值。

一直以来，相对连续地提取沟沿线是黄土高原科学研究和水土保持服务的重要工作。沟沿线提取主要有实地测量法、遥感影像解译法和数字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)提取法。使用实地测量法可以获得具有一定精度的沟沿线，但总体来说精确度受操作者主观影响大，提取效率低下。利用遥感影像目视解译来勾绘能获得高精度的沟沿线，但涉及后期的转绘等较为复杂的技术环节时，对解译人员具有较高专业度要求，需解译人员有较好的黄土地貌基础和认知，且能够对三维可视化平台的影像做出预判，准确识别出反映地形特征的沟沿线。基于DEM提取沟沿线技术可分两类：基于水文学的地貌特征线提取技术和基于地貌学定义的提取技术。两类各有利弊，前者对沟沿线候选点的判断仅为通过判断坡面流水路径上下单栅格内坡度对比，探测尺度仅限于单线条栅格单元内部，而损失了对沟沿线上下局部地形信息的探测，从而导致提取精度受到影响，而后者在实际操作中难度较大，且针对不同地貌类型样区需重新定义地貌类型单元。

发明内容

本发明的目的是提供一种黄土地貌沟沿线提取方法及系统，能够相对连续地实现黄土地貌沟沿线的提取。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种黄土地貌沟沿线提取方法，包括：

获取待研究地区的高分辨率栅格DEM数据；

根据所述高分辨率栅格DEM数据确定栅格的坡向数据；

判断所述坡向数据是否大于坡向阈值；

若所述坡向数据小于或等于所述坡向阈值，则剔除所述坡向数据对应的栅格；

若所述坡向数据大于所述坡向阈值，则保留所述坡向数据对应的栅格；

根据保留的栅格的坡向数据确定坡面朝向；

根据所述坡面朝向获取所述保留的栅格的上坡面的设定区域和下坡面的设定区域；所述上坡面的设定区域和所述下坡面的设定区域面积相同；

根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据和所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述设定区域内的平均坡度差；

根据所述平均坡度差判断所述保留的栅格是否为沟沿线候选点；

若所述平均坡度差小于或等于坡度差阈值，则所述保留的栅格不是沟沿线候选点；

若所述平均坡度差大于坡度差阈值，则所述保留的栅格是沟沿线候选点；

根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取。

可选的，所述根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据和所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述设定区域内的平均坡度差，具体包括：

根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述上坡面的设定区域内的平均坡度；

根据所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述下坡面的设定区域内的平均坡度；

将所述下坡面的设定区域内的平均坡度减去所述上坡面设定区域内的平均坡度，得到所述设定区域内的平均坡度差。

可选的，所述根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取，具体包括：

将所有的所述沟沿线候选点进行连接，得到沟沿线线划矢量数据；

对所述沟沿线线划矢量数据进行数据转换，提取所述待研究地区的沟沿线。

可选的，所述根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取，具体还包括：

根据所有的所述沟沿线候选点，采用ArcGIS Desktop10.4软件进行所述待研究地区的沟沿线的提取。

可选的，所述设定区域为3×3栅格区域。

一种黄土地貌沟沿线提取系统，包括：

高分辨率栅格DEM数据获取模块，用于获取待研究地区的高分辨率栅格DEM数据；

坡向数据确定模块，用于根据所述高分辨率栅格DEM数据确定栅格的坡向数据；

第一判断模块，用于判断所述坡向数据是否大于坡向阈值；

剔除模块，用于若所述坡向数据小于或等于所述坡向阈值，则剔除所述坡向数据对应的栅格；

保留模块，用于若所述坡向数据大于所述坡向阈值，则保留所述坡向数据对应的栅格；

坡面朝向确定模块，用于根据保留的栅格的坡向数据确定坡面朝向；

设定区域获取模块，用于根据所述坡面朝向获取所述保留的栅格的上坡面的设定区域和下坡面的设定区域；所述上坡面的设定区域和所述下坡面的设定区域面积相同；

平均坡度差确定模块，用于根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据和所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述设定区域内的平均坡度差；

第二判断模块，用于根据所述平均坡度差判断所述保留的栅格是否为沟沿线候选点；

第一沟沿线候选点确定模块，用于若所述平均坡度差小于或等于坡度差阈值，则所述保留的栅格不是沟沿线候选点；

第二沟沿线候选点确定模块，用于若所述平均坡度差大于坡度差阈值，则所述保留的栅格是沟沿线候选点；

沟沿线提取模块，用于根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取。

可选的，所述平均坡度差确定模块具体包括：

上坡面的设定区域内的平均坡度确定单元，用于根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述上坡面的设定区域内的平均坡度；

下坡面的设定区域内的平均坡度确定单元，用于根据所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述下坡面的设定区域内的平均坡度；

平均坡度差确定单元，用于将所述下坡面的设定区域内的平均坡度减去所述上坡面设定区域内的平均坡度，得到所述设定区域内的平均坡度差。

可选的，所述沟沿线提取模块具体包括：

沟沿线线划矢量数据确定单元，用于将所有的所述沟沿线候选点进行连接，得到沟沿线线划矢量数据；

沟沿线提取单元，用于对所述沟沿线线划矢量数据进行数据转换，提取所述待研究地区的沟沿线。

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：

本发明所提供的一种黄土地貌沟沿线提取方法及系统，根据待研究地区的高分辨率栅格DEM数据，确定栅格的坡向数据，坡面形态特征出发进行第一格栅数据的筛选；之后再以沟沿线处上坡面和下坡面设定区域内坡面的坡度改变为着眼点，进行二次筛选，确定沟沿线候选点；使得沟沿线候选点探测结果更加精确，有效避免由于单栅格点上出现坡度突变而影响提取结果；进而根据沟沿线候选点进行沟沿线的提取。实现对沟沿线相对连续地自动提取，引导黄土形貌分析与黄土高原生产建设工作向更高的台阶迈步。

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为本发明所提供的一种黄土地貌沟沿线提取方法流程示意图；

图2为黄土丘陵沟壑区坡面模型；

图3为所述保留的栅格的上坡面的设定区域和下坡面的设定区域示意图；

图4为保留的格栅的上坡面的3×3栅格区域和下坡面的3×3栅格区域示意图；

图5为保留的栅格的坡向数据确定坡面朝向的示意图；

图6为沟沿线提取示意图；

图7为本发明所提供的一种黄土地貌沟沿线提取系统结构示意图。

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黄土地貌沟沿线提取方法及系统，能够相对连续地实现黄土地貌沟沿线的提取。

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为本发明所提供的一种黄土地貌沟沿线提取方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种黄土地貌沟沿线提取方法，包括：

S101，获取待研究地区的高分辨率栅格DEM数据。高分辨率栅格DEM数据为1:10000比例尺5m分辨率的黄土长梁残塬沟壑样区DEM数据。其中，图2为黄土丘陵沟壑区坡面模型，由图2可知黄土丘陵沟壑区坡面的特征。

S102，根据所述高分辨率栅格DEM数据确定栅格的坡向数据。依据D8算法计算样区栅格坡向。

S103，判断所述坡向数据是否大于坡向阈值。S103进行坡面形态的判别。

S104，若所述坡向数据小于或等于所述坡向阈值，则剔除所述坡向数据对应的栅格。

S105，若所述坡向数据大于所述坡向阈值，则保留所述坡向数据对应的栅格。

S106，根据保留的栅格的坡向数据确定坡面朝向，并如图5所示。

具体的，保留的栅格与其周围8个栅格值进行比较，坡面朝向为保留的栅格指向最小栅格值的栅格。

S107，根据所述坡面朝向获取所述保留的栅格的上坡面的设定区域和下坡面的设定区域；所述上坡面的设定区域和所述下坡面的设定区域面积相同；设定区域为3×3栅格区域。具体如图3和图4所示，避免由于单栅格上出现坡度突变从而影响提取结果。

S108，根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据和所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述设定区域内的平均坡度差。

S108具体包括：

根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述上坡面的设定区域内的平均坡度。

根据所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述下坡面的设定区域内的平均坡度。

将所述下坡面的设定区域内的平均坡度减去所述上坡面设定区域内的平均坡度，得到所述设定区域内的平均坡度差。

S109，根据所述平均坡度差判断所述保留的栅格是否为沟沿线候选点。

S110，若所述平均坡度差小于或等于坡度差阈值，则所述保留的栅格不是沟沿线候选点。

S111，若所述平均坡度差大于坡度差阈值，则所述保留的栅格是沟沿线候选点。

具体的，基于C#语言和ArcGIS Engine及Microsoft Visual Studio软件平台实现。

S112，根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取。采用ArcGIS Desktop10.4软件进行所述待研究地区的沟沿线的提取，如图6所示。

S112具体包括：

将所述的所述沟沿线候选点进行连接，得到沟沿线线划矢量数据。

对所述沟沿线线划矢量数据进行数据转换，提取所述待研究地区的沟沿线。

本发明围绕地形的几何形态及物理形态所设计，根据地形坡折特征，进行坡形位置的判断，使得沟沿线栅格点探测结果更加精确，可作为目前自动识别提取沟沿线较为有效的方式。

通过采用坡面局部栅格平均坡度值可有效避免由于单栅格点上出现坡度突变而影响提取结果，对现有沟沿线自动提取方法亟待完善之处进行了必要补充。对实际黄土高原数字地形研究及开展黄土高原水土保持实践具有指导意义。

图7为本发明所提供的一种黄土地貌沟沿线提取系统结构示意图，如图7所示，本发明所提供的一种黄土地貌沟沿线提取系统，包括：高分辨率栅格DEM数据获取模块701、坡向数据确定模块702、第一判断模块703、剔除模块704、保留模块705、坡面朝向确定模块706、设定区域获取模块707、平均坡度差确定模块708、第二判断模块709、第一沟沿线候选点确定模块710、第二沟沿线候选点确定模块711和沟沿线提取模块712。

高分辨率栅格DEM数据获取模块701用于获取待研究地区的高分辨率栅格DEM数据。

坡向数据确定模块702用于根据所述高分辨率栅格DEM数据确定栅格的坡向数据。

第一判断模块703用于判断所述坡向数据是否大于坡向阈值。

剔除模块704用于若所述坡向数据小于或等于所述坡向阈值，则剔除所述坡向数据对应的栅格。

保留模块705用于若所述坡向数据大于所述坡向阈值，则保留所述坡向数据对应的栅格。

坡面朝向确定模块706用于根据保留的栅格的坡向数据确定坡面朝向。

设定区域获取模块707用于根据所述坡面朝向获取所述保留的栅格的上坡面的设定区域和下坡面的设定区域；所述上坡面的设定区域和所述下坡面的设定区域面积相同。

平均坡度差确定模块708用于根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据和所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述设定区域内的平均坡度差。

第二判断模块709用于根据所述平均坡度差判断所述保留的栅格是否为沟沿线候选点。

第一沟沿线候选点确定模块710用于若所述平均坡度差小于或等于坡度差阈值，则所述保留的栅格不是沟沿线候选点。

第二沟沿线候选点确定模块711用于若所述平均坡度差大于坡度差阈值，则所述保留的栅格是沟沿线候选点。

沟沿线提取模块712用于根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取。

所述平均坡度差确定模块708具体包括：上坡面的设定区域内的平均坡度确定单元、下坡面的设定区域内的平均坡度确定单元和平均坡度差确定单元。

上坡面的设定区域内的平均坡度确定单元用于根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述上坡面的设定区域内的平均坡度。

下坡面的设定区域内的平均坡度确定单元用于根据所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述下坡面的设定区域内的平均坡度。

平均坡度差确定单元用于将所述下坡面的设定区域内的平均坡度减去所述上坡面设定区域内的平均坡度，得到所述设定区域内的平均坡度差。

所述沟沿线提取模块712具体包括：沟沿线线划矢量数据确定单元和沟沿线提取单元。

沟沿线线划矢量数据确定单元用于将所有的所述沟沿线候选点进行连接，得到沟沿线线划矢量数据。

沟沿线提取单元用于对所述沟沿线线划矢量数据进行数据转换，提取所述待研究地区的沟沿线。

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)

1.一种黄土地貌沟沿线提取方法，其特征在于，包括：

获取待研究地区的高分辨率栅格DEM数据；

根据所述高分辨率栅格DEM数据确定栅格的坡向数据；

判断所述坡向数据是否大于坡向阈值；

若所述坡向数据小于或等于所述坡向阈值，则剔除所述坡向数据对应的栅格；

若所述坡向数据大于所述坡向阈值，则保留所述坡向数据对应的栅格；

根据保留的栅格的坡向数据确定坡面朝向；

根据所述坡面朝向获取所述保留的栅格的上坡面的设定区域和下坡面的设定区域；所述上坡面的设定区域和所述下坡面的设定区域面积相同；

根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据和所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述设定区域内的平均坡度差；

根据所述平均坡度差判断所述保留的栅格是否为沟沿线候选点；

若所述平均坡度差小于或等于坡度差阈值，则所述保留的栅格不是沟沿线候选点；

若所述平均坡度差大于坡度差阈值，则所述保留的栅格是沟沿线候选点；

根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取。

2.根据权利要求1所述的一种黄土地貌沟沿线提取方法，其特征在于，所述根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据和所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述设定区域内的平均坡度差，具体包括：

根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述上坡面的设定区域内的平均坡度；

根据所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述下坡面的设定区域内的平均坡度；

将所述下坡面的设定区域内的平均坡度减去所述上坡面设定区域内的平均坡度，得到所述设定区域内的平均坡度差。

3.根据权利要求1所述的一种黄土地貌沟沿线提取方法，其特征在于，所述根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取，具体包括：

将所有的所述沟沿线候选点进行连接，得到沟沿线线划矢量数据；

对所述沟沿线线划矢量数据进行数据转换，提取所述待研究地区的沟沿线。

4.根据权利要求1所述的一种黄土地貌沟沿线提取方法，其特征在于，所述根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取，具体还包括：

根据所有的所述沟沿线候选点，采用ArcGISDesktop10.4软件进行所述待研究地区的沟沿线的提取。

5.根据权利要求1所述的一种黄土地貌沟沿线提取方法，其特征在于，所述设定区域为3×3栅格区域。

6.一种黄土地貌沟沿线提取系统，其特征在于，包括：

高分辨率栅格DEM数据获取模块，用于获取待研究地区的高分辨率栅格DEM数据；

坡向数据确定模块，用于根据所述高分辨率栅格DEM数据确定栅格的坡向数据；

第一判断模块，用于判断所述坡向数据是否大于坡向阈值；

剔除模块，用于若所述坡向数据小于或等于所述坡向阈值，则剔除所述坡向数据对应的栅格；

保留模块，用于若所述坡向数据大于所述坡向阈值，则保留所述坡向数据对应的栅格；

坡面朝向确定模块，用于根据保留的栅格的坡向数据确定坡面朝向；

设定区域获取模块，用于根据所述坡面朝向获取所述保留的栅格的上坡面的设定区域和下坡面的设定区域；所述上坡面的设定区域和所述下坡面的设定区域面积相同；

平均坡度差确定模块，用于根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据和所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述设定区域内的平均坡度差；

第二判断模块，用于根据所述平均坡度差判断所述保留的栅格是否为沟沿线候选点；

第一沟沿线候选点确定模块，用于若所述平均坡度差小于或等于坡度差阈值，则所述保留的栅格不是沟沿线候选点；

第二沟沿线候选点确定模块，用于若所述平均坡度差大于坡度差阈值，则所述保留的栅格是沟沿线候选点；

沟沿线提取模块，用于根据所有的所述沟沿线候选点进行所述待研究地区的沟沿线的提取。

7.根据权利要求6所述的一种黄土地貌沟沿线提取系统，其特征在于，所述平均坡度差确定模块具体包括：

上坡面的设定区域内的平均坡度确定单元，用于根据所述上坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述上坡面的设定区域内的平均坡度；

下坡面的设定区域内的平均坡度确定单元，用于根据所述下坡面的设定区域的栅格的坡向数据确定所述下坡面的设定区域内的平均坡度；

平均坡度差确定单元，用于将所述下坡面的设定区域内的平均坡度减去所述上坡面设定区域内的平均坡度，得到所述设定区域内的平均坡度差。

8.根据权利要求6所述的一种黄土地貌沟沿线提取系统，其特征在于，所述沟沿线提取模块具体包括：

沟沿线线划矢量数据确定单元，用于将所有的所述沟沿线候选点进行连接，得到沟沿线线划矢量数据；

沟沿线提取单元，用于对所述沟沿线线划矢量数据进行数据转换，提取所述待研究地区的沟沿线。