CN112950778B - 一种度量地貌褶皱的栅格化曲面的构建方法及系统 - Google Patents

一种度量地貌褶皱的栅格化曲面的构建方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及栅格化曲面技术领域，具体地说，涉及一种度量地貌褶皱的栅格化曲面的构建方法及系统，其包括以下步骤：一、获取地貌模型数据；二、对所述地貌模型数据进行预处理，得到预处理后数据；三、对所述预处理后数据进行坡度计算，得到覆盖整个地理区域中不同单元内地形的坡度曲面数据；四、根据所述坡度曲面数据，利用栅格运算法逐像元做数学变换，得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面。本发明能够准确描绘和表达地貌褶皱的真实程度，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。

Description

一种度量地貌褶皱的栅格化曲面的构建方法及系统
技术领域
本发明涉及栅格化曲面技术领域，进一步说，涉及用栅格化电子地图模拟表达、虚拟和计算地球资源和环境的时空分布的技术领域，具体地说，涉及一种度量地貌褶皱的栅格化曲面的构建方法及系统。
背景技术
褶皱是指岩石因受力发生的弯曲而显示的变形，使原来近于平直的面表现出向上隆起或塌陷的曲面形态。坚硬岩层常形成高山、陡崖或山脊，柔软地层常形成缓坡或低谷等。不同褶皱区域的地形接收的太阳辐射不同，降水、径流等方面也存在差异，在多种时空分析领域中发挥重要的作用。数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)和数字地形模型DTM(Digital Terrain Model)用栅格化高程(海拔)数据和坡度、坡向数据模拟表达地表的高低和陡峭、朝向特征。在某些地理指标的应用场合，直接使用DEM的高程或基于DEM的坡度、坡向数据，往往难以度量地形变化的平缓或者隆起与切割频率。例如：平原地貌中土地单元变化平缓，地貌褶皱度较低，而高山峡谷地貌中土地单元密度大且形态变化复杂，地貌褶皱度随之增大。若仅仅使用参照水面的高程、坡度、坡向，无法直接描述出地貌的褶皱程度。
发明内容
本发明的内容是提供一种度量地貌褶皱的栅格化曲面的构建方法及系统，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的一种度量地貌褶皱的栅格化曲面的构建方法，其包括以下步骤：
一、获取表达多种尺度地貌的地貌模型数据；
二、对所述地貌模型数据进行预处理，得到预处理后数据；
三、对所述预处理后数据进行坡度计算，得到覆盖整个地理区域中不同单元内地形的坡度曲面数据；
四、根据所述坡度曲面数据，利用栅格运算法逐像元做数学变换，得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面，其数学变换模型为：
R＝1/[cos(slp)]2；
其中，R为各单位地貌褶皱度、slp为各单元坡度。
作为优选，步骤一中，所述地貌模型数据采用计算机表达的数字高程模型数据。
作为优选，步骤二中，预处理包括：
对所述地貌模型数据进行格式转换、投影变换和噪声滤波处理，得到预处理后数据；
所述投影变换是将地理坐标投影变换为以米为长度单位的平面坐标和高程坐标。
作为优选，步骤三中，坡度计算包括：
1)、根据所述预处理后数据，确定在投影坐标(xi,yi)处的数字高程值为hi，采用下述公式确定(xi,yi)的坡度值slpi：
slpi＝arctan(Δhi/Δxi)；
其中，Δhi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口中到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的高程增量；Δxi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口内到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的水平增量；
2)、根据上述公式，以具有平面投影坐标的地貌高程栅格数据为源数据，逐像元计算得到整个地理区域中各单元内地形坡度曲面数据Slp_raster。
作为优选，步骤四中，利用栅格运算法逐像元做数学变换包括：
a、根据所述栅格化的坡度曲面数据Slp_raster，做余弦函数运算，得到中间计算结果Slp_raster_0000，公式为：
Slp_raster_0000＝cos(slp_raster)；
b、采用先逐像元做算术平方后逐像元求倒数的运算方法，得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面R_raster，公式为：
R_raster＝1/power(slp_raster_0000,2)。
本发明还提供了一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建系统，其采用上述的一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建方法，并包括：
地貌数据模块，用于获取表达多种尺度地貌的地貌模型数据，所述地貌模型数据采用计算机表达的数字高程模型数据；
预处理模块，用于对所述地貌模型数据进行预处理，得到预处理后数据；
坡度曲面计算模块，用于对所述预处理后数据进行坡度计算，得到覆盖整个地理区域的坡度曲面数据；
栅格化地貌褶皱度数据计算模块，用于根据所述坡度曲面数据先后采用余弦函数、平方和倒数变换，得到度量地貌褶皱程度的栅格化的地形曲面。
作为优选，所述预处理模块包括：
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。
作为优选，所述坡度曲面计算模块包括：
坡度曲面确定单元，用于以整个地理区域各像元为对象，根据预处理后数据，确定在投影坐标(xi,yi)处的数字高程值为hi，根据slpi＝arctan(Δhi/Δxi)，确定(xi,yi)的坡度值slpi，得到栅格化的坡度曲面数据；其中，Δhi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口中到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的高程增量；Δxi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口内到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的水平增量。
作为优选，所述栅格化地貌褶皱度数据计算模块包括：
数据计算单元，用于以整个地理区域各像元为对象，各坡度曲面数据为度量，根据公式R＝1/[cos(slp)]2，利用栅格运算法逐像元对栅格化的坡度曲面数据做余弦函数运算，根据所述余弦函数运算结果采用先逐像元做算术平方后逐像元求倒数的运算方法，得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面。
本发明能够准确描绘和表达地貌褶皱的真实程度，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。本发明能够形成地球资源环境大数据，并依据该发明设计相应的计算机数据处理系统，并以此支持其它地球资源环境变量的计算和表达。
附图说明
图1为实施例1中一种度量地貌褶皱的栅格化曲面的构建方法的流程图；
图2为实施例1中中国坡度曲面示意图；
图3为实施例1中中国地貌褶皱度曲面示意图；
图4为实施例2中一种度量地貌褶皱的栅格化曲面的构建系统的结构框图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种度量地貌褶皱的栅格化曲面的构建方法，其包括以下步骤：
一、获取表达多种尺度地貌的地貌模型数据；通过一般化的栅格数据重采样方法，获取某种像元尺度的栅格化数字地形模型。所述地貌模型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。
二、对所述地貌模型数据进行预处理，得到预处理后数据，具体包括：
对所述地貌模型数据进行格式转换、投影变换和噪声滤波处理，得到预处理后数据；所述投影变换是将地理坐标投影变换为以米为长度单位的平面坐标和高程坐标。
用于投影变换的project工具是一般的地理信息系统软件公开的常用工具。
三、对所述预处理后数据进行栅格化坡度计算，得到覆盖整个地理区域中不同单元内地形的坡度曲面数据；
坡度计算包括：
1)、根据所述预处理后数据，确定在投影坐标(xi,yi)处的数字高程值为hi，采用下述公式确定(xi,yi)的坡度值slpi：
slpi＝arctan(Δhi/Δxi)；
其中，Δhi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口中到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的高程增量；Δxi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口内到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的水平增量；
2)、根据上述公式，以具有平面投影坐标的地貌高程栅格数据为源数据，逐像元计算得到整个地理区域中各单元内地形坡度曲面数据Slp_raster。
利用地理系统软件的坡度提取算法，获得整块地理区域Ω上的坡度曲面数据Slp_raster：Slp_raster＝slope(DEM)，其中DEM为上述预处理后的数字高程曲面数据。用于坡度提取的slope函数是一般的地理信系统的公开的常规函数算法。图2为以中国大陆为区域，制作的本实施例中国大陆坡度曲面示意图。
四、根据所述坡度曲面数据，利用栅格运算法逐像元做数学变换，将坡度计算为表达地形起伏变化多样性的褶皱度，得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面，其数学变换模型为：
R＝1/[cos(slp)]2；
其中，R为各单位地貌褶皱度、slp为各单元坡度。当89°<slp<＝90°时，取slp＝89°。
利用栅格运算法逐像元做数学变换包括：
a、根据所述栅格化的坡度曲面数据Slp_raster，做余弦函数运算，得到中间计算结果Slp_raster_0000，公式为：
Slp_raster_0000＝cos(slp_raster)；
b、采用先逐像元做算术平方后逐像元求倒数的运算方法，得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面R_raster，公式为：
R_raster＝1/power(slp_raster_0000,2)。power的含义是平方运算。
上述余弦函数cos()、平方运算函数power()及求倒数运算函数也使用地理信息系统中的公开算法。
按上述方法，利用中国90m空间分辨率的数字地形模型数据，最后生成的90m空间分辨率的中国地势褶皱度面如图3所示，图3为本实施例中国地貌褶皱度曲面示意图。
如果空间的一片连接区域的R_raster等于1，表示该地理区域为地形平缓地貌；如果大于1且小于6，表示该区域为地表形态具有一定的变化，但是多发育变化幅度较小的沟谷和缓坡地貌；如果大于6，表示该区域为隆起切割频率比较大的高山峡谷地貌。
利用上述的R_raster，或R_raster和栅格单元面积等，即可得到某山地区域单位平面面积上地形地貌的褶皱大小，进而可以用于复杂山区土地分级或生物多样性资源丰富度评估。
以上方法涉及的DEM、Slp_raster、Slp_raster_0000和R_raster，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
如图4所示，本实施例提供了一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建计算机数据处理系统或芯片硬件系统，其采用实施例1中的一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建方法，并包括：
地貌数据模块，用于获取表达多种尺度地貌的地貌模型数据，所述地貌模型数据采用计算机表达的数字高程模型数据；
预处理模块，用于对所述地貌模型数据进行预处理，得到预处理后数据；
坡度曲面计算模块，用于对所述预处理后数据进行坡度计算，得到覆盖整个地理区域的坡度曲面数据；
栅格化地貌褶皱度数据计算模块，用于根据所述坡度曲面数据先后采用余弦函数、平方和倒数变换，得到度量地貌褶皱程度的栅格化的地形曲面。
所述预处理模块包括：
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。
所述坡度曲面计算模块包括：
坡度曲面确定单元，用于以整个地理区域各像元为对象，根据预处理后数据，确定在投影坐标(xi,yi)处的数字高程值为hi，根据slpi＝arctan(Δhi/Δxi)，确定(xi,yi)的坡度值slpi，得到栅格化的坡度曲面数据；其中，Δhi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口中到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的高程增量；Δxi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口内到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的水平增量。
所述栅格化地貌褶皱度数据计算模块包括：
数据计算单元，用于以整个地理区域各像元为对象，各坡度曲面数据为度量，根据公式R＝1/[cos(slp)]2，利用栅格运算法逐像元对栅格化的坡度曲面数据做余弦函数运算，根据所述余弦函数运算结果采用先逐像元做算术平方后逐像元求倒数的运算方法，得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面。
本实施例以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高程和平面坐标，根据3*3窗口内与中心像元具有最大水平变化率的像元与中心像元的高程增量和水平增量计算表征地形陡峭程度的坡度曲面数据。根据先余弦运算后平方求倒数的数学变换模型，计算机执行逐像元运算，由坡度曲面数据计算出度量地貌褶皱程度的栅格化曲面数据。
地貌褶皱度曲面数据是地图坐标系中的表达地貌褶皱程度的栅格图像，可用于任何的地貌分析中。其数值等于1的栅格点代表的地形变化平缓的地貌、数字在1至5之间的栅格点代表具有一定切割的地貌，数值大于6的点代表隆起切割比较剧烈的地貌。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、获取表达多种尺度地貌的地貌模型数据；
二、对所述地貌模型数据进行预处理，得到预处理后数据；
三、对所述预处理后数据进行坡度计算，得到覆盖整个地理区域中不同单元内地形的坡度曲面数据；
坡度计算包括：
1)、根据所述预处理后数据，确定在投影坐标(xi,yi)处的数字高程值为hi，采用下述公式确定(xi,yi)的坡度值slpi：
slpi＝arctan(△hi/△xi)；
其中，△hi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口中到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的高程增量；△xi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口内到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的水平增量；
2)、根据上述公式，以具有平面投影坐标的地貌高程栅格数据为源数据，逐像元计算得到整个地理区域中各单元内地形坡度曲面数据Slp_raster；
四、根据所述坡度曲面数据，利用栅格运算法逐像元做数学变换，得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面，其数学变换模型为：
R＝1/[cos(slp)]2；
其中，R为各单位地貌褶皱度、slp为各单元坡度；
利用栅格运算法逐像元做数学变换包括：
a、根据所述栅格化的坡度曲面数据Slp_raster，做余弦函数运算，得到中间计算结果Slp_raster_0000，公式为：
Slp_raster_0000＝cos(slp_raster)；
b、采用先逐像元做算术平方后逐像元求倒数的运算方法，得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面R_raster，公式为：
R_raster＝1/power(slp_raster_0000,2)。
2.根据权利要求1所述的一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建方法，其特征在于：步骤一中，所述地貌模型数据采用计算机表达的数字高程模型数据。
3.根据权利要求2所述的一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建方法，其特征在于：步骤二中，预处理包括：
对所述地貌模型数据进行格式转换、投影变换和噪声滤波处理，得到预处理后数据；
所述投影变换是将地理坐标投影变换为以米为长度单位的平面坐标和高程坐标。
4.一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建系统，其特征在于：其采用如权利要求1-3所述的任意一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建方法，并包括：
地貌数据模块，用于获取表达多种尺度地貌的地貌模型数据，所述地貌模型数据采用计算机表达的数字高程模型数据；
预处理模块，用于对所述地貌模型数据进行预处理，得到预处理后数据；
坡度曲面计算模块，用于对所述预处理后数据进行坡度计算，得到覆盖整个地理区域的坡度曲面数据；
栅格化地貌褶皱度数据计算模块，用于根据所述坡度曲面数据先后采用余弦函数、平方和倒数变换，得到度量地貌褶皱程度的栅格化的地形曲面。
5.根据权利要求4所述的一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建系统，其特征在于：所述预处理模块包括：
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。
6.根据权利要求5所述的一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建系统，其特征在于：所述坡度曲面计算模块包括：
坡度曲面确定单元，用于以整个地理区域各像元为对象，根据预处理后数据，确定在投影坐标(xi,yi)处的数字高程值为hi，根据slpi＝arctan(△hi/△xi)，确定(xi,yi)的坡度值slpi，得到栅格化的坡度曲面数据；其中，△hi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口中到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的高程增量；△xi为投影坐标(xi,yi)处的像元在其3*3邻域窗口内到与其具有最大水平变化率的直接相邻的像元的水平增量。
7.根据权利要求6所述的一种度量地貌褶皱的栅格化地形曲面的构建系统，其特征在于：所述栅格化地貌褶皱度数据计算模块包括：
数据计算单元，用于以整个地理区域各像元为对象，各坡度曲面数据为度量，根据公式R＝1/[cos(slp)]2，其中，R为各单位地貌褶皱度、slp为各单元坡度；利用栅格运算法逐像元对栅格化的坡度曲面数据做余弦函数运算，根据所述余弦函数运算结果采用先逐像元做算术平方后逐像元求倒数的运算方法，得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面。
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