CN113919185A - 一种地形地貌状况测度方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地形地貌状况测度方法及装置，其中方法包括：建立关于地形地貌状况测度的测算模型；提取地理国情监测数据，并进行预处理；确定目标区域，并对目标区域进行划分，形成多个分区，根据所述地理国情监测数据，解算各个分区的测算模型中的各指标因子及其参数；根据所述各指标因子及其参数，计算各个分区的地形地貌状况测算值，所述地形地貌状况测算值用于评价各个分区在地形地貌状况方面的宜居程度；该方法能够充分利用现有地理国情监测数据，从人类生产生活宜居性角度科学、客观、高效、量化分析各地区地形地貌的相对状况。

Description

一种地形地貌状况测度方法与装置
技术领域
本发明涉及地理信息处理技术领域，尤其涉及一种地形地貌状况测度方法及装置。
背景技术
人类与自然环境相互依存、相互利用，人类既是环境的创造物，又是环境的创造者。大气、水体、土壤和生物界是人类赖以生存的四大自然环境要素，它们与地形地貌有着千丝万缕的关系。
高海拔往往伴随着低压低氧、寒冷、干燥、强紫外线，区域地表岩石嶙峋、缺乏土壤极大增加了植被自然繁殖和人工栽培的难度。地表起伏、坡度、坡向对农业生产影响深远，平坦地表有利于机械作业和农田基本建设，丘陵、山区等地表起伏大、自然环境复杂区域对人民生产生活造成了诸多不便。地表的坡度越大，土壤受侵蚀可能性越大、破坏越强烈。不同坡度，种植方式也差异很大，坡度在3-7度就需要采取等高种植，大于7度就需要采取梯田种植，大于25度就不适合发展种植业。坡向可以造成太阳辐射和水分条件的显著差异，如北半球中、高纬度的南坡比北坡接受太阳辐射多，光照和热量条件更好，但蒸发强烈、水分条件比北坡差。同时，地形起伏度大也容易限制人和物的高效交流。
调查显示，自然环境恶劣，生存发展条件有限，是造成当地居民贫困的主要原因。从地理的角度科学量化自然环境状况，对于国土空间规划、生态环境保护与修复、艰苦地区致富等精准施政工作具有十分重要的意义。
目前，在生态移民，西部大开发、大开放、大保护等方面都涉及到自然环境艰苦方面的主观评价，但是缺乏系统、量化的地形地貌状况量化分析评价，不利于国土空间规划、自然资源开发利用、生态环境保护修复等工作的精准化实施。
发明内容
本发明提供了一种地形地貌状况测度方法及装置，能够有效利用现有地理国情监测数据，定量化测算目标区域的地形地貌状况。
一种地形地貌状况测度方法，包括：
建立关于地形地貌状况测度的测算模型；
提取地理国情监测数据，并进行预处理；
确定目标区域，并对目标区域进行划分，形成多个分区，根据所述地理国情监测数据，解算各个分区的测算模型中的各指标因子及其参数；
根据所述各指标因子及其参数，计算各个分区的地形地貌状况测算值，所述地形地貌状况测算值用于评价各个分区在地形地貌状况方面的宜居程度。
进一步地，所述测算模型通过以下公式表示：
Y=a1*X1+a2*X2+……an-1*Xn-1+an；；
其中，Y为分区的地形地貌状况测算值，X1、X2、……Xn-1为指标因子，a1、a2、……an为各指标因子对应的参数。
进一步地，所述指标因子包括高程、坡度、地表平整系数、种植土地面积、林草覆盖面积、水域面积、坡度15°以下耕地面积、坡度15°至25°耕地面积、坡度15°以下林地面积、坡度15°以上林地面积以及房屋建筑区面积。
进一步地，提取的地理国情监测数据包括数字高程模型、种植土地、林草覆盖、水域、坡度15°以下耕地、坡度15°至25°耕地、坡度15°以下林地、坡度15°以上林地以及房屋建筑区。
进一步地，对所述地理国情监测数据进行预处理，包括：
将所述数字高程模型的坐标系转换为投影坐标系，计算所述数字高程模型中每个栅格点周围栅格点的平均坡度值，形成栅格形式的坡度图。
进一步地，解算各个分区的测算模型中的各指标因子，包括：
根据所述数字高程模型和所述坡度图，计算目标区域的高程和坡度；
将分区与所述坡度15°以下耕地、坡度15°至25°耕地、坡度15°以下林地、坡度15°以上林地以及房屋建筑区进行相交处理，分别获得相交图斑；
计算相交图斑的面积，分别获得种植土地面积、林草覆盖面积、水域面积、坡度15°以下耕地面积、坡度15°至25°耕地面积、坡度15°以下林地面积、坡度15°以上林地面积以及房屋建筑区面积；
利用不规则三角网，计算相交图斑的表面积，分别获得种植土地表面积、林草覆盖表面积、水域表面积、坡度15°以下耕地表面积、坡度15°至25°耕地表面积、坡度15°以下林地表面积、坡度15°以上林地表面积以及房屋建筑区表面积；
根据相交图斑的面积和其表面积，计算地表平整系数。
进一步地，所述地表平整系数为相交图斑面积除以其表面积；
计算目标区域的高程和坡度，包括：
根据所述分区，裁剪数字高程模型网格以及所述坡度图；
将裁剪数字高程模型网格后获得的有效格网高程值除以网格个数，获得分区的高程值；
将裁剪所述坡度图后获得的有效网格高程值除以网格个数，获得分区的坡度值。
进一步地，解算各个分区的测算模型中的各指标因子的参数，包括：
利用所有分区中每一类指标因子中的最大值对每类指标因子进行归一化处理，获得各个指标因子的归一化值；
根据各个指标因子的归一化值进行多项式拟合，获得各个指标因子的参数。
进一步地，所述各个指标因子的归一化值为各个指标因子的实际值与每一类指标因子中的最大值的比值。
一种地形地貌状况测度装置，包括：
模型建立模块，用于建立关于地形地貌状况测度的测算模型；
数据处理模块，用于提取地理国情监测数据，并进行预处理；
解算模块，用于确定目标区域，并对目标区域进行划分，形成多个分区，根据所述地理国情监测数据，解算各个分区的测算模型中的各指标因子及其参数；
评价模块，用于根据所述各指标因子及其参数，计算各个分区的地形地貌状况测算值，所述地形地貌状况测算值用于评价各个分区在地形地貌状况方面的宜居程度。
本发明提供的地形地貌状况测度方法及装置，尊重植被和水源对人类生存的必要性，以及千百年来人类临水而居、择善而居等选择经验，选取和人类生产生活密切相关的各项指标因子，利用能够客观反映地形地貌现状的地理国情监测成果，循序渐进开展模型优化，能够从人类生产生活宜居性角度科学、客观、高效分析各地区地形地貌的相对状况。
附图说明
图1为本发明提供的地形地貌状况测度处理方法一种实施例的流程图。
图2为本发明提供的地形地貌状况测度处理方法中分区和高程模型网格或所述坡度图的相交处理的示意图。
图3为本发明提供的地形地貌状况测度处理方法中分区与高程模型网格或所述坡度图裁剪后的示意图。
图4为本发明提供的地形地貌状况测度处理装置一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
参考图1，在一些实施例中，提供一种地形地貌状况测度处理方法，包括：
S1、建立关于地形地貌状况测度的测算模型；
S2、提取地理国情监测数据，并进行预处理；
S3、确定目标区域，并对目标区域进行划分，形成多个分区，根据所述地理国情监测数据，解算各个分区的测算模型中的各指标因子及其参数；
S4、根据所述各指标因子及其参数，计算各个分区的地形地貌状况测算值，所述地形地貌状况测算值用于评价各个分区在地形地貌状况方面的宜居程度。
具体地，步骤S1中，尊重植被和水源对人类生存的必要性，以及千百年来人类临水而居、择善而居等选择经验，从基础数据可获取性出发，选取高程、坡度、地表平整系数、种植土地面积、林草覆盖面积、水域面积、坡度15度以下耕地面积、坡度15-25度耕地面积、坡度15度以下林地面积、坡度15度以上林地面积以及房屋建筑区面积作为指标因子，如表1所示。
根据当前人类生产生活空间分布是千百年来地形地貌环境的潜在影响这一现实，构建测算模型：
Y=a1*X1+a2*X2+……an-1*Xn-1+an；；（1）
其中，Y为分区的地形地貌状况测算值，X1、X2、……Xn-1为指标因子，a1、a2、……an为各指标因子对应的参数。
表1
Figure 893032DEST_PATH_IMAGE001
进一步地，步骤S2中，提取的地理国情监测数据包括数字高程模型（DEM）、种植土地、林草覆盖、水域、坡度15°以下耕地、坡度15°至25°耕地、坡度15°以下林地、坡度15°以上林地以及房屋建筑区。提取地理国情监测数据，并进行预处理，包括：
将所述数字高程模型的坐标系转换为投影坐标系，计算所述数字高程模型中每个栅格点周围栅格点的平均坡度值，形成栅格形式的坡度图。
具体的，需使数字高程模型（DEM）的坐标系为投影坐标系，如果数字高程模型（DEM）的坐标系不是投影坐标系，则将所述数字高程模型的坐标系转换为投影坐标系；之后计算所述数字高程模型中每个栅格点周围栅格点的平均坡度值，形成栅格形式的坡度图；
以下通过具体应用场景对坡度图的确定方法做具体说明；
表2显示了数字高程模型九个栅格点的数据示例，行号为2、列号为2的栅格点，周围八个栅格点的坡度值分别为35、63、0、63、72、65、79、71，则该栅格点的平均坡度值为（35+63+0+72+71+79+65+63）/8=55.96度。
表2
Figure 233009DEST_PATH_IMAGE002
进一步地，步骤S3中，解算各个分区的测算模型中的各指标因子，包括：
S31、根据所述数字高程模型和所述坡度图，计算目标区域的高程和坡度；
S32、将分区与所述坡度15°以下耕地区、坡度15°至25°耕地区、坡度15°以下林地区、坡度15°以上林地区以及房屋建筑区进行相交处理，分别获得相交图斑；
S33、计算相交图斑的面积，分别获得种植土地面积、林草覆盖面积、水域面积、坡度15°以下耕地面积、坡度15°至25°耕地面积、坡度15°以下林地面积、坡度15°以上林地面积以及房屋建筑区面积；
S34、利用不规则三角网，计算相交图斑的表面积，分别获得种植土地表面积、林草覆盖表面积、水域表面积、坡度15°以下耕地表面积、坡度15°至25°耕地表面积、坡度15°以下林地表面积、坡度15°以上林地表面积以及房屋建筑区表面积；
S35、根据相交图斑的面积和其表面积，计算地表平整系数。
具体地，步骤S31中，计算目标区域的高程和坡度，包括：
根据所述分区，裁剪数字高程模型网格以及所述坡度图，如图2所示，分区和高程模型网格或所述坡度图的相交处理如图2所示，裁剪之后的部分如图3所示；
将裁剪数字高程模型网格后获得的有效格网高程值除以网格个数，获得分区的高程值；
将裁剪所述坡度图后获得的有效网格坡度值除以网格个数，获得分区的坡度值。
步骤S34中，利用DEM和图斑边界数据，构建不规则三角网（TIN），汇总每个相交图斑内的所有三角形的表面积，记为该图斑的表面积。
步骤S35中，所述地表平整系数为相交图斑面积除以其表面积。
进一步地，步骤S3中，解算各个分区的测算模型中的各指标因子的参数，包括：
利用所有分区中每一类指标因子中的最大值对每类指标因子进行归一化处理，获得各个指标因子的归一化值；
根据各个指标因子的归一化值进行多项式拟合，获得各个指标因子的参数。
其中，所述各个指标因子的归一化值为各个指标因子的实际值与每一类指标因子中的最大值的比值。
以下以具体的应用场景对各指标因子的参数做进一步说明。
选取13个分区，各分区的指标因子如表3所示：
表3
Figure 950429DEST_PATH_IMAGE003
选取每一类指标因子中的最大值作为分母，各分区的每个指标因子值为分子进行归一化处理，例如，高程指标因子中的最大值是33.01，将各个高程指标因子值除以33.01，即完成了高程指标因子的归一化处理，所有指标因子进行归一化之后的数据如表4所示：
表4
Figure 267010DEST_PATH_IMAGE004
进行多项式拟合，求解各因子参数ai：
Y≈X11≈a1*X1+a2*X2+a3*X3+a4*X4+a5*X5+a6*X6+a7*X7+a8*X8+a9*X9+a10*X10+a11；（2）
具体地，将房屋建筑区作为测算真值，取Y≈X11，将各个分区的各个归一化值，代入式（2）中的X1～X10，每个分区获得一个等式，获得至少十一个等式，即可拟合计算出各因子参数ai，之后重新计算Y，若某个分区计算获得的Y值与原始的X11相差超过30%，则重新选择其它分区，替换当前分区，重新进行拟合，直到计算值与原始值相对差在30%之内；选取的分区数量多于待计算的各因子参数ai的数量。
最终确定地形地貌状况测度各指标因子的参数，从而获得各个分区的地形地貌状况测算值，所述地形地貌状况测算值用于评价各个分区的地形地貌状况方面的宜居程度。测算值越高，则越宜居，通常情况下，房屋建筑区面积越大，居住的人口数量就越大，就越说明当地的地形地貌更宜居。所以先用房屋建筑区作为测算真值，开展拟合，所得到的模型可以过滤掉人为过度干预可能造成的人口数量远大于实际地形地貌的承载力的情况，即地形地貌状况差的地方数值就是低，即使当地人口数量众多，也不能改变这个事实。
本实施例提供的地形地貌状况测度方法，充分考虑千百年来地形地貌环境长期影响人类选择居住和生活场所这一潜在规律，利用客观的地形、地表覆盖数据，从宜居性角度科学有效的测算每个分区的地形地貌相对状况，测算结果更贴近实际情况，满足了个性化国土空间规划、差异化管理政策制定和优化的科学性和及时性需求，有利于从顶层设计层面保障各地区的可持续发展。
参考图4，在一些实施例中，还提供一种地形地貌状况测度装置，包括：
模型建立模块201，用于建立关于地形地貌状况测度的测算模型；
数据处理模块202，用于提取地理国情监测数据，并进行预处理；
解算模块203，用于确定目标区域，并对目标区域进行划分，形成多个分区，根据所述地理国情监测数据，解算各个分区的测算模型中的各指标因子及其参数；
评价模块204，用于根据所述各指标因子及其参数，计算各个分区的地形地貌状况测算值，所述地形地貌状况测算值用于评价各个分区的地形地貌状况方面的宜居程度。
具体地，测算模型如式（1）所示。
进一步地，数据处理模块202还用于：将所述数字高程模型的坐标系转换为投影坐标系，计算所述数字高程模型中每个栅格点周围栅格点的平均坡度值，形成栅格形式的坡度图。
进一步地，解算模块203还用于：
根据所述数字高程模型和所述坡度图，计算目标区域的高程和坡度；
将分区与所述坡度15°以下耕地、坡度15°至25°耕地、坡度15°以下林地、坡度15°以上林地以及房屋建筑区进行相交处理，分别获得相交图斑；
计算相交图斑的面积，分别获得种植土地面积、林草覆盖面积、水域面积、坡度15°以下耕地面积、坡度15°至25°耕地面积、坡度15°以下林地面积、坡度15°以上林地面积以及房屋建筑区面积；
利用不规则三角网，计算相交图斑的表面积，分别获得种植土地表面积、林草覆盖表面积、水域表面积、坡度15°以下耕地表面积、坡度15°至25°耕地表面积、坡度15°以下林地表面积、坡度15°以上林地表面积以及房屋建筑区表面积；
根据相交图斑的面积和其表面积，计算地表平整系数。
进一步地，所述地表平整系数为相交图斑面积除以其表面积；
解算模块203还用于：
根据所述分区，裁剪数字高程模型网格以及所述坡度图；
将裁剪数字高程模型网格后获得的有效格网高程值除以网格个数，获得分区的高程值；
将裁剪所述坡度图后获得的有效网格坡度值除以网格个数，获得分区的坡度值。
进一步地，解算模块203还用于：
利用所有分区中每一类指标因子中的最大值对每类指标因子进行归一化处理，获得各个指标因子的归一化值；
根据各个指标因子的归一化值进行多项式拟合，获得各个指标因子的参数。
其中，所述各个指标因子的归一化值为各个指标因子的实际值与每一类指标因子中的最大值的比值。
具体计算过程请参考方法实施例，再此不在赘述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种地形地貌状况测度方法，其特征在于，包括：
建立关于地形地貌状况测度的测算模型；
提取地理国情监测数据，并进行预处理；
确定目标区域，并对目标区域进行划分，形成多个分区，根据所述地理国情监测数据，解算各个分区的测算模型中的各指标因子及其参数；
根据所述各指标因子及其参数，计算各个分区的地形地貌状况测算值，所述地形地貌状况测算值用于评价各个分区在地形地貌状况方面的宜居程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测算模型通过以下公式表示：
Y=a1*X1+a2*X2+……an-1*Xn-1+an；
其中，Y为分区的地形地貌状况测算值，X1、X2、……Xn-1为指标因子，a1、a2、……an为各指标因子对应的参数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述指标因子包括高程、坡度、地表平整系数、种植土地面积、林草覆盖面积、水域面积、坡度15°以下耕地面积、坡度15°至25°耕地面积、坡度15°以下林地面积、坡度15°以上林地面积以及房屋建筑区面积。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，提取的地理国情监测数据包括数字高程模型、种植土地、林草覆盖、水域、坡度15°以下耕地、坡度15°至25°耕地、坡度15°以下林地、坡度15°以上林地以及房屋建筑区。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述地理国情监测数据进行预处理，包括：
将所述数字高程模型的坐标系转换为投影坐标系，计算所述数字高程模型中每个栅格点周围栅格点的平均坡度值，形成栅格形式的坡度图。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，解算各个分区的测算模型中的各指标因子，包括：
根据所述数字高程模型和所述坡度图，计算目标区域的高程和坡度；
将分区与所述坡度15°以下耕地、坡度15°至25°耕地、坡度15°以下林地、坡度15°以上林地以及房屋建筑区进行相交处理，分别获得相交图斑；
计算相交图斑的面积，分别获得种植土地面积、林草覆盖面积、水域面积、坡度15°以下耕地面积、坡度15°至25°耕地面积、坡度15°以下林地面积、坡度15°以上林地面积以及房屋建筑区面积；
利用不规则三角网，计算相交图斑的表面积，分别获得种植土地表面积、林草覆盖表面积、水域表面积、坡度15°以下耕地表面积、坡度15°至25°耕地表面积、坡度15°以下林地表面积、坡度15°以上林地表面积以及房屋建筑区表面积；
根据相交图斑的面积和其表面积，计算地表平整系数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述地表平整系数为相交图斑面积除以其表面积；
计算目标区域的高程和坡度，包括：
根据所述分区，裁剪数字高程模型网格以及所述坡度图；
将裁剪数字高程模型网格后获得的有效格网高程值除以网格个数，获得分区的高程值；
将裁剪所述坡度图后获得的有效网格坡度值除以网格个数，获得分区的坡度值。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，解算各个分区的测算模型中的各指标因子的参数，包括：
利用所有分区中每一类指标因子中的最大值对每类指标因子进行归一化处理，获得各个指标因子的归一化值；
根据各个指标因子的归一化值进行多项式拟合，获得各个指标因子的参数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述各个指标因子的归一化值为各个指标因子的实际值与每一类指标因子中的最大值的比值。
10.一种地形地貌状况测度装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立关于地形地貌状况测度的测算模型；
数据处理模块，用于提取地理国情监测数据，并进行预处理；
解算模块，用于确定目标区域，并对目标区域进行划分，形成多个分区，根据所述地理国情监测数据，解算各个分区的测算模型中的各指标因子及其参数；
评价模块，用于根据所述各指标因子及其参数，计算各个分区的地形地貌状况测算值，所述地形地貌状况测算值用于评价各个分区在地形地貌状况方面的宜居程度。
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