CN117291915B - 一种大尺度复杂地形山系范围的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺度复杂地形山系范围的确定方法，属于地理学及保护区划分技术领域。针对大尺度复杂地形，本发明方法包括三个方面，即针对山系主体，采用山脊线确定基本山系范围；河网融合山脊线构建山系范围框架；结合河流定界和山谷定界原则，根据平原和丘陵所占山系范围不超过总体范围的10%的标准进行多阈值山系边缘范围融合，形成最终山系边界l3；本发明能够在准确把握研究范围的基础上，控制山系范围，勾勒出山系边界，为高原山地、丘陵区域的山系划分、以山系为保护区的边界确定等提供技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺度复杂地形山系范围的确定方法，属于地理学及保护区划分技术领域。
背景技术
对于山地学的研究，按照研究对象的地理特征和研究范围，需要明确山地的具体边界。根据山地的地貌学自然属性，在平原地区单一出现或连绵起伏的地形与周围地形存在显著差异，可按照人为设定海拔突变点、突变线（突变点相连）的阈值，勾勒出山地边界，从而与平原、峡谷、沙漠、河流、湖泊、海岸线等相区分，形成闭合的自然地貌单元。但在地形起伏较大的区域，如青藏高原、云贵高原和帕米尔高原等区域，地形皆为山地，缺少平原将山地分隔，以海拔突变点、突变线来划分某一具体山地范围时，面临技术困难。此外，在日常表达中，对于具体山地的描述通常采用“某某山”，如祁连山、大雪山等，要求的范围精度不高，满足一般共识即可。而在学术研究中，山地具体的范围则需要一个闭合的地理单元，能与周围其他山地形成清晰的地理边界。学术表达中，通常以“山脉（Mountain Range）”和“山系（Mountain System）”来描述山地这一自然地理概念。山脉指一系列相互连续的山岭或山脊，它们通常具有相似的地质结构和地貌特征。山脉通常被认为是地壳运动导致地表上隆起的结果。它们的长度可以从几十公里到几千公里不等，例如，喜马拉雅山脉是世界上最长、最高的山脉之一。山系是指由几个相互关联和组成的山脉构成的大型地形单位。它们通常具有相似的地理位置、地质结构和地貌特征。山系可以包含多个山脉、高原、盆地等地形要素。例如，阿尔卑斯山系位于欧洲，由多个不同的山脉组成，如阿尔卑斯山脉、喀尔巴阡山脉等。
简言之，山脉是较小的山地地形单位，而山系是更大的地形单位，由多个山脉组成，根据不同的地理、地质和地貌特征来进行划分。然而山脉和山系在学术界存在混用的情况。原因在于，对山地的定义和划分较为模糊，随意性较大，尤其是在非平原区域，针对性研究较少，目前尚缺乏统一的大尺度复杂地形山系的划分研究。
实际应用中，面临以下难点：（1）研究对象不完整，不具备“闭合”特征，外边界不固定；（2）众多山脉相互独立，复杂地形地貌导致山脉间空间差异性大；（3）高程变化剧烈的微山地或微地形造成地形阈值难以选择，数据精度差异导致的山系划分误差大。由此造成在大尺度复杂地区开展的完整自然山系单元的定义、以山系为保护区的边界确定和学术表达的准确性要求等难以满足。
发明内容
针对现有山系划分技术存在的缺陷，本发明提出一种大尺度复杂地形山系范围的确定方法，即基于DEM地形特征拓扑编码规则，对大尺度复杂地形，基于多阈值河网、山脊线融合技术对山系进行划分确定山系范围；该方法能够在准确把握研究范围的基础上，控制山系范围，勾勒出山系边界，为高原山地、丘陵区域的山系划分和以山系为保护区的边界确定等提供技术手段。
一种大尺度复杂地形山系范围的确定方法，具体步骤如下：
S1. 针对山系主体，采用山脊线确定最大山系范围；
S11. 收集山系基础数据、DEM数据和河网数据；
S12. 根据山系基础数据和DEM数据划分涵盖山系，采用山脉传统划分的经纬度范围进行划分得到区域范围A1；
S13. 根据DEM数据范围A1，由于负地形区域当中可能会存在不正确的山脊线，故采用焦点统计法提取正地形栅格数据得到正地形栅格数据A2；
S14. 对正地形栅格数据A2进行高斯低通滤波处理得到正地形栅格数据A3；高斯低通滤波处理消除局部区域地形变化对等高线曲率的影响，减小地形噪点，使得等高线更加光滑；
S15. 基于正地形栅格数据A3，绘制等高线；
S16. 利用几何分析法计算等高线栅格曲率，通过计算等高线栅格曲率k 等高线，设置相对高度＞0且等高线栅格曲率k 等高线＞80的条件，得到山脊线；其中栅格曲率值k 等高线为正数，表面向上凸起；栅格曲率值k 等高线为负值时，表面向下凹陷；栅格曲率值k 等高线为0时，表面为平地；相对高度为某点的DEM和地形平均DEM的差值；
S17. 依据山脊线划分山系所在主体范围边界l 1；
S2. 河网融合山脊线构建山系范围框架；
S21. 基于DEM数据范围A1，对洼地进行填充得到无洼地DEM数据范围 A4；
S22. 采用最陡坡度法D8算法，对无洼地DEM数据范围 A4进行流向分析得到水流流向栅格数据A5；
S23. 基于水流流向栅格数据A5计算河流汇流累积量数据；
S24. 根据河流汇流累积量数据，采用Shreve方法对河网进行分级，即将河网当中没有支流的河网定义为一级，两个一级河流汇流成二级，两个二级河流汇流成三级，如此分级直到河网出水口，若低级河网入高级河网，高级河网等级不变；
S25. 对河网和山脊线进行融合，生成新的山系边界l 2；
S3. 多阈值山系边缘范围融合形成最终山系边界l 3；
S31. 依据联合国环境规划署世界保护监测中心发布的海拔H划分等级、国际地理学联合会地貌调查与地貌制图委员会发布的相关坡度划分等级，将海拔H作为第一指标，坡度作为第二指标，划分地形为平原、丘陵和山地三种类型，如表1所示；
表1 地形划分依据
；
平原地形：海拔H≤200m或0≤坡度≤0.5°；
丘陵地形：200m＜海拔H≤500m或0.5°＜坡度≤2°；
山地地形：海拔H＞500m或坡度＞2°；
S32.按照丘陵及平原所占山系面积不超过总体范围的10%的标准进行海拔H和坡度多阈值筛选山系边缘，进行范围融合，形成最终山系边界l 3；其中，山系边缘筛选结合河流定界和山谷定界原则进行。
所述步骤S11中山系基础数据包括山脉传统划分的经纬度范围数据、山系的走向数据、山脉数量和山峰数据；
所述步骤S12中划分方法主要依据山脉传统划分的经纬度范围，得到范围A1。
所述步骤S14中高斯低通滤波处理函数为：
（1）
其中，（x，y）为坐标点，H(x,y)为高斯低通滤波函数，为滤波强度，其值越大，频带越宽，图像越平滑；
所述步骤S16中等高线栅格曲率指地表某一点的等高面与等高线在该点的曲率，用来表征曲线的弯曲程度；
所述等高线栅格曲率的计算方法，具体包括：
设山系曲面方程为z=f(x,y)，z对x、y求偏导：
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
则，平面曲率k 平面为：
（7）
地形表面坡度s 坡度为：
（8）
等高线栅格曲率k 等高线可表示为：
（9）
则，
（10）
式中，a代表曲面Z沿x轴方向的变化率，b代表曲面Z沿y轴方向的变化率，c代表曲面Z沿x轴方向的变化率的变化率，d代表曲面Z沿y轴方向的变化率的变化率，e代表曲面Z沿x轴方向的变化率在y方向上的变化率，k 平面代表平面曲率，s 坡度代表地形表面坡度，k 等高线代表等高线栅格曲率。
所述步骤S22中D8算法为
设中心栅格的水流方向与其正东方向编码为1，顺时针按照45°角的增长，按每增长一次增加2n编码进行水流方向的编码，取最陡坡度方向为水流方向。
所述步骤S23中河流汇流累积量数据的计算按照水向低处流的规律，根据D8算法计算出的水流流向，计算经过每个点的水流流向，最终得到河流汇流数据。
所述步骤S25中融合方法为
在有河的地方以河网级别最高的边界定界，在无河的地方以主体范围边界l 1中的山系边界为界产生新的山系边界l 2。
本发明的有益效果是：
（1）本发明高速有效提取了山系山脊线，可为后期山系山脉划分提供依据；
（2）本发明有效提取了山系所在区域河网，可为河网研究提供依据；
（3）本发明采用几何分析法提取山系山脊线，结合采用水文分析提取河网，融合平原丘陵阈值划分边界为山系边界研究提供了一种简便且快捷的思路，可为山地相关研究区构建提供依据。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为实施例1依据山系地理位置大致划分山系范围A1；
图3为焦点统计计算原理图；
图4为实施例1高斯低通滤波函数处理后地形图A3；
图5为实施例1等高线提取图；
图6为实施例1提取得到的山脊线，（a）为山脊线全貌，（b）为局部放大图；
图7为实施例1依据山脊线走向和山间间隔画的粗略山系范围图；
图8为最陡坡度法D8算法；
图9为实施例1河网分级示意图；
图10为实施例1依据河网对山系范围划分示意图；
图11为实施例1河网和山脊线融合后的山系范围；
图12为实施例1阈值筛选范围融合后的山系范围图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
发明概述
一种大尺度复杂地形山系范围的确定方法（见图1），具体步骤如下：
S1. 针对山系主体，采用山脊线确定最大山系范围；
S11. 收集山系基础数据、DEM数据和河网数据；
所述山系基础数据包括山脉传统划分的经纬度范围数据、山系的走向数据、山脉数量和山峰数据；
S12. 根据山系基础数据和DEM数据划分涵盖山系的DEM数据范围，其中划分方法依据山脉传统划分的经纬度范围A1；
S13. 根据DEM数据范围A1，由于负地形区域当中可能会存在不正确的山脊线，故采用焦点统计法提取正地形栅格数据得到正地形栅格数据A2；
所述焦点统计计算原理图见图3；
S14. 对正地形栅格数据A2进行高斯低通滤波处理得到正地形栅格数据A3；高斯低通滤波处理消除局部区域地形变化对等高线曲率的影响，减小地形噪点，使得等高线更加光滑；
所述高斯低通滤波处理函数为：
（1）
其中，（x，y）为坐标点，H(x,y)为高斯低通滤波函数，为滤波强度，/>值越大，对噪点处理越明显，但图像也会越模糊，得到的等高线越光滑；
S15. 基于正地形栅格数据A3，绘制等高线；
S16. 利用几何分析法计算等高线栅格曲率，通过计算等高线栅格曲率k 等高线，设置相对高度＞0且栅格曲率值k 等高线＞80的条件，得到山脊线；其中栅格曲率值k 等高线为正数，表面向上凸起；为负值时，表面向下凹陷；值为0时，表面为平地；相对高度为某点的DEM和地形平均DEM的差值；
所述等高线栅格曲率指地表某一点的等高面与等高线在该点的曲率，用于表征曲线的弯曲程度；
等高线栅格曲率的计算方法，具体包括：
设山系曲面方程为z=f(x,y)，z对x、y求偏导：
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
则，平面曲率k 平面为：
（7）
地形表面坡度s 坡度为：
（8）
等高线栅格曲率k 等高线可表示为：
（9）
则，
（10）
式中，a代表曲面Z沿x轴方向的变化率，b代表曲面Z沿y轴方向的变化率，c代表曲面Z沿x轴方向的变化率的变化率，d代表曲面Z沿y轴方向的变化率的变化率，e代表曲面Z沿x轴方向的变化率在y方向上的变化率，k 平面代表平面曲率，s 坡度代表地形表面坡度，k 等高线代表等高线栅格曲率；
S17. 依据山脊线划分山系所在主体范围边界l 1；
S2.河网融合山脊线构建山系范围框架；由于山脊线所划分的山系范围较为粗糙，不能合理涵盖山系范围，故融合河网对山系范围进一步进行划分，主要分为河网提取和河网山系融合划分两部分内容；
S21. 有洼地的地方会影响水流方向的判断，为保证水流方向判断的合理性，故基于DEM数据范围A1，对洼地进行填充得到无洼地DEM数据范围 A4；
S22. 采用最陡坡度法D8算法，对无洼地DEM数据范围 A4进行流向分析得到水流流向栅格数据A5；
D8算法（见图8）为
设中心栅格的水流方向与其正东方向编码为1，顺时针按照45°角的增长，按每增长一次增加2n编码进行水流方向的编码，取最陡坡度方向为水流方向；
S23. 基于水流流向栅格数据A5计算河流汇流累积量数据；
所述河流汇流累积量可以反映上游经过该单元格的水流累积量，可间接表示地表径流的大小；河流汇流累积量数据的计算方法为根据D8算法计算出的水流流向，计算经过每个点的水流流向，最终得到河流汇流数据；
S24. 根据河流汇流累积量数据，采用Shreve方法对河网进行分级，即将河网当中没有支流的河网定义为一级，两个一级河流汇流成二级，两个二级河流汇流成三级，如此分级直到河网出水口，若低级河网入高级河网，高级河网等级不变；
S25. 对河网和山脊线进行融合，生成新的山系边界l 2；
所述融合方法为
在有河的地方以河网级别最高的边界定界，在无河的地方以主体范围边界l 1中的山系边界为界产生新的山系边界l 2；
S3. 多阈值山系边缘范围融合形成最终山系边界l 3；
步骤S3中依据联合国环境规划署世界保护监测中心发布的海拔H划分等级、国际地理学联合会地貌调查与地貌制图委员会发布的相关坡度划分等级，将海拔H作为第一指标，坡度作为第二指标，划分地形为平原、丘陵和山地三种类型（见表1）；按照丘陵及平原所占山系面积不超过总体范围的10%标准进行海拔H和坡度多阈值筛选山系边缘，进行范围融合，形成最终山系边界l 3；其中，山系边缘筛选结合河流定界和山谷定界原则进行。
实施例1：某山系地处高原，纵跨多个纬度带，属典型大尺度地形复杂区；气候变化（季风波动）和人类活动（陡坡壁耕、工程建设）对该山地的生态系统造成扰动，包括生物多样性维护在内的生态需求迫切，需开展生态评价和区域保护研究；然而在进行研究之前，需划定研究区范围，基于以上背景，本实施例以此山系进行案例说明；
一种大尺度复杂地形山系范围的确定方法（见图1），具体步骤如下：
S1. 针对山系主体，采用山脊线确定最大山系范围；
S11. 收集山系基础数据、DEM数据和河网数据，见表2；
所述山系基础数据包括山脉传统划分的经纬度范围数据、山系的走向数据、山脉数量和山峰数据；
表2
；
S12. 根据山系基础数据和DEM数据，采用ArcGIS10.2功能Extract by Mask裁剪划分出涵盖山系传统划分的经纬度范围即DEM数据范围A1（见图2）；
S13. 根据DEM数据范围A1，由于负地形区域当中可能会存在不正确的山脊线，故采用ArcGIS10.2功能Neighborhood焦点统计法提取正地形栅格数据得到正地形栅格数据A2；
所述焦点统计计算原理图见图3；
S14. 采用MATLAB对正地形栅格数据A2进行高斯低通滤波处理得到正地形栅格数据A3（见图4）；高斯低通滤波处理消除局部区域地形变化对等高线曲率的影响，减小地形噪点，使得等高线更加光滑；
所述高斯低通滤波函数为：
（1）
其中，（x，y）为坐标点，H(x,y)为高斯低通滤波函数，为滤波强度，/>值越大，对噪点处理越明显，但图像也会越模糊，得到的等高线越光滑；
S15. 基于正地形栅格数据A3，绘制等高线（见图5）；
S16. 利用几何分析法结合MATLAB编程计算等高线栅格曲率，通过计算等高线栅格曲率k 等高线，设置相对高度＞0且栅格曲率值k 等高线＞80的条件，得到山脊线（见图6）；其中栅格曲率值k 等高线为正数时，表面向上凸起；栅格曲率值k 等高线为负值时，表面向下凹陷；栅格曲率值k 等高线为0时，表面为平地，相对高度为某点的DEM和地形平均DEM的差值；
所述等高线栅格曲率指地表某一点的等高面与等高线在该点的曲率，用来表征曲线的弯曲程度；
等高线栅格曲率的计算方法，具体包括：
设山系曲面方程为z=f(x,y)，z对x、y求偏导：
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
则，平面曲率k 平面为：
（7）
地形表面坡度s 坡度为：
（8）
等高线栅格曲率k 等高线可表示为：
（9）
则，
（10）
式中，a代表曲面Z沿x轴方向的变化率，b代表曲面Z沿y轴方向的变化率，c代表曲面Z沿x轴方向的变化率的变化率，d代表曲面Z沿y轴方向的变化率的变化率，e代表曲面Z沿x轴方向的变化率在y方向上的变化率，k 平面代表平面曲率，s 坡度代表地形表面坡度，k 等高线代表等高线栅格曲率；
S17. 依据山脊线划分山系所在主体范围边界l 1（见图7）；
S2.河网融合山脊线构建山系范围框架；由于山脊线所划分的山系范围较为粗糙，不能合理涵盖山系范围，故融合河网对山系范围进一步进行划分，主要分为河网提取和河网山系融合划分两部分内容；
S21. 有洼地的地方会影响水流方向的判断，为保证水流方向判断的合理性，故基于DEM数据范围A1，采用Fill工具对洼地进行填充得到无洼地DEM数据范围 A4；
S22. 采用最陡坡度法D8算法，采用水文分析工具Flow Direction对无洼地DEM数据范围 A4进行流向分析得到水流流向栅格数据A5；
D8算法（见图8）为
设中心栅格的水流方向与其正东方向编码为1，顺时针按照45°角的增长，按每增长一次增加2n编码进行水流方向的编码，取最陡坡度方向为水流方向；
S23. 基于水流流向栅格数据A5，采用水文分析工具Flow Direction计算河流汇流累积量数据；
所述河流汇流累积量可以反映上游经过该单元格的水流累积量，可间接表示地表径流的大小；河流汇流累积量数据的计算方法为按照水向低处流的规律，根据D8算法计算出的水流流向，计算经过每个点的水流流向，最终得到河流汇流数据；
S24. 根据河流汇流累积量数据，采用Shreve方法对河网进行分级，即将河网当中没有支流的河网定义为一级，两个一级河流汇流成二级，两个二级河流汇流成三级，如此分级直到河网出水口，若低级河网汇入高级河网，高级河网等级不变；本实施例对河网分级结果如图9所示，依据河流和现有对某山系的描述，用河流对某山系进行粗略划界，如图10所示；
S25. 对河网和山脊线进行融合，生成新的山系边界l 2（见图11）；
所述融合方法为在有河的地方以河网级别最高的边界定界，在无河的地方以主体范围边界l 1中的山系边界为界产生新的山系边界l 2；
S3. 多阈值山系边缘范围融合形成最终山系边界l 3；（见图12）；
S31.依据联合国环境规划署世界保护监测中心发布的海拔H划分等级、国际地理学联合会地貌调查与地貌制图委员会发布的相关坡度划分等级，将海拔H作为第一指标，坡度作为第二指标，本发明划分地形平原、丘陵和山地三种类型（见表1）；按照丘陵及平原所占山系面积不超过总体范围的10%的标准进行海拔H和坡度多阈值筛选山系边缘，进行范围融合，形成最终山系边界l 3；其中，山系边缘筛选结合河流定界和山谷定界原则进行。
Claims (7)
1.一种大尺度复杂地形山系范围的确定方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1. 针对山系主体，采用山脊线确定最大山系范围；
S11. 收集山系基础数据、DEM数据和河网数据；
S12. 根据山系基础数据划分DEM数据范围A1；
S13. 根据DEM数据范围A1提取正地形栅格数据得到正地形栅格数据A2；
S14. 对正地形栅格数据A2进行高斯低通滤波处理得到正地形栅格数据A3；
S15. 基于正地形栅格数据A3，绘制等高线；
S16. 利用几何分析法计算等高线栅格曲率，通过计算等高线栅格曲率k 等高线和设置相对高度＞0且栅格曲率值k 等高线＞80的条件，得到山脊线；其中栅格曲率值k 等高线为正数时，表面向上凸起；栅格曲率值k 等高线为负值时，表面向下凹陷；栅格曲率值k 等高线为0时，表面为平地，相对高度为某点的DEM和地形平均DEM的差值；
S17. 依据山脊线划分山系所在主体范围边界l 1；
S2. 河网融合山脊线构建山系范围框架；
S21. 基于DEM数据范围A1，对洼地进行填充得到无洼地DEM数据范围A4；
S22. 采用最陡坡度法D8算法，对无洼地DEM数据范围A4进行流向分析得到水流流向栅格数据A5；
S23. 基于水流流向栅格数据A5计算河流汇流累积量数据；
S24. 根据河流汇流累积量数据，采用Shreve方法对河网进行分级；
S25. 对河网和山脊线边界l 1进行融合，生成新的山系边界l 2；
S3. 多阈值山系边缘范围融合形成最终山系边界l 3；
S31. 依据联合国环境规划署世界保护监测中心发布的海拔H划分等级、国际地理学联合会地貌调查与地貌制图委员会发布的相关坡度划分等级，将海拔H作为第一指标，坡度作为第二指标，划分地形为平原、丘陵和山地三种类型；
S32. 以丘陵及平原所占山系面积不超过总体范围的10%为标准进行海拔H和坡度多阈值筛选山系边缘，进行范围融合，形成最终山系边界l 3；其中，山系边缘筛选结合河流定界和山谷定界原则进行确定。
2.根据权利要求1所述大尺度复杂地形山系范围的确定方法，其特征在于：
步骤S11中山系基础数据包括山脉传统划分的经纬度范围数据、山系的走向数据、山脉数量和山峰数据；
步骤S12中划分方法依据山脉传统划分的经纬度范围，得到范围A1。
3.根据权利要求2所述大尺度复杂地形山系范围的确定方法，其特征在于：
步骤S14中高斯低通滤波处理函数为
（1）
其中，（x，y）为坐标点，H(x,y)为高斯低通滤波函数，为滤波强度。
4.根据权利要求3所述大尺度复杂地形山系范围的确定方法，其特征在于：
步骤S16中等高线栅格曲率的计算方法，具体包括：
设山系曲面方程为z=f(x,y)，z对x、y求偏导：
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
则，平面曲率k 平面为：
（7）
地形表面坡度s 坡度为：
（8）
等高线栅格曲率k 等高线可表示为：
（9）
则，
（10）
式中，a代表曲面Z沿x轴方向的变化率，b代表曲面Z沿y轴方向的变化率，c代表曲面Z沿x轴方向的变化率的变化率，d代表曲面Z沿y轴方向的变化率的变化率，e代表曲面Z沿x轴方向的变化率在y方向上的变化率，k 平面代表平面曲率，s 坡度代表地形表面坡度，k 等高线代表等高线栅格曲率。
5.根据权利要求1所述大尺度复杂地形山系范围的确定方法，其特征在于：
步骤S22中D8算法为
设中心栅格的水流方向与其正东方向编码为1，顺时针按照45°角的增长，按每增长一次增加2n编码进行水流方向的编码，取最陡坡度方向为水流方向；
步骤S23中河流汇流累积量数据的计算按照水向低处流的规律，根据D8算法计算出的水流流向计算经过每个点的水流流向，最终得到河流汇流数据。
6.根据权利要求5所述大尺度复杂地形山系范围的确定方法，其特征在于：
步骤S25中融合方法为
在有河的地方以河网级别最高的边界定界，在无河的地方以主体范围边界l 1中的山系边界为界产生新的山系边界l 2。
7.根据权利要求1所述大尺度复杂地形山系范围的确定方法，其特征在于：
步骤S3中地形平原、丘陵和山地三种类型的划分依据为：
平原地形：海拔H≤200m或0≤坡度≤0.5°；
丘陵地形：200m＜海拔H≤500m或0.5°＜坡度≤2°；
山地地形：海拔H＞500m或坡度＞2°。
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