一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及栅格化地形曲面技术领域，涉及一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法及系统，包括：一、计算机获取地貌模型；二、进行预处理，得到预处理后数据；三、进行标准差统计，得到表征地貌变化差异程度的栅格化曲面数据；四、进行地貌高差提取，得到表征地貌隆起与切割深度的栅格化曲面数据；五、进行沟壑密度提取，得到表征地形切割密度的栅格化曲面数据；六、得到度量地貌破碎程度的栅格化地形曲面；七、进行坡度计算，得到坡度曲面数据；八、得到度量地貌褶皱程度的栅格化地形曲面；九、构建综合性的地形复杂度指标。本发明专利技术能够准确描绘和表达地形复杂程度，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。

【技术实现步骤摘要】
一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法及系统
本专利技术涉及栅格化地形曲面构建
，进一步的说，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
，具体地说，涉及一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法及系统。
技术介绍
地形复杂度表现为不同评价地形单元内在地形属性上坡面形态的整体复杂程度特征，反映各种地形坡面状况，刻画各土地单元内风向、大气环流交换及热量水分的分布。地形复杂、山高林密的山地区域，森林资源丰富，气候类型多样，生物多样性丰富，这为外来入侵有害生物提供了易于生存和发育的环境，为有害生物的传播与扩散提供了良好的条件。地形复杂度是有害生物测报模型构建、时空变量生成应用的测报变量。构建地形复杂度的栅格化曲面，具有重要的生态、生物学意义，因此，需要一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法及系统。
技术实现思路
本专利技术的内容是提供一种度量地形复杂程度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。根据本专利技术的一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：一、计算机获取地貌模型D；二、对所述地貌模型D进行预处理，得到预处理后数据D’；三、对所述预处理后数据D’进行窗口标准差统计，得到整个地理区域中不同地貌单元内的、在水平方向上的地貌高程差异程度的栅格化曲面数据，记为Std；四、对所述预处理后数据进行地貌高差提取，得到整个地理区域中不同地貌单元内的、在垂直方向上表征的地貌隆起与水平切割深度的栅格化曲面数据，记为Terr；五、对所述预处理后数据进行沟壑密度提取，得到整个地理区域中不同地貌单元内表征地形切割密度的栅格化曲面数据，记为M；六、使用公式A＝Std×Terr×M，得到度量地貌破碎程度的栅格化地形曲面，记为A；七、对所述预处理后数据D’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；八、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；九、利用山体的隆起与切割深度，坡度，地表皱褶多度，地形破碎程度，构建综合性的地形复杂度指标；地理复杂度指标Terr_dv如下：Terr_dv＝Terr×slp×R×A。作为优选，步骤一中，所述地貌模型D采用计算机表达的数字高程模型DEM或者数字地形模型DTM。作为优选，步骤二中，预处理的方法为：对所述地貌模型数据D，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D’；所述投影变换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，窗口标准差统计的方法为：将所述预处理后数据D’，以3*3大小的栅格分析窗口为单元，使用空间分析焦点统计功能，统计各单元的标准差值，得到整个地理区域中不同地貌单元标准差值，生成表征地貌差异程度的栅格化曲面数据Std。作为优选，步骤四中，地貌高差提取的方法为：a、将所述预处理后的数据D’，进行分水岭提取，得到覆盖整个地理区域各分水岭地貌单元多边形F_vi，其中i为各分水岭地貌单元的标识号，i＝1……m，m为所述各分水岭地貌单元的总个数；b、确定各所述多边形F_vi的最大内接椭圆Yi和各所述最大内接椭圆的圆心坐标ki、li；c、根据各所述圆心坐标，使用公式ui(ki，li)＝(h1+h2+...+hj)/m，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值，其中ui(ki，li)为圆心位置的数字高程的算术平均值求算，hj为每个栅格点的数字高程值，m为多边形内全部栅格点的数量；d、根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面W；e、根据所述地貌模型D’和所述地貌趋势面W，将所述地貌模型D’减去所述地貌趋势面W，得到地貌相对高度度量Terr_o；f、将所述地貌相对高度度量Terr_o使用离差标准化法进行归一化处理，得到度量地貌隆起与切割深度的栅格化曲面数据Terr。作为优选，步骤五中，沟壑密度提取的方法为：1)、调入所述预处理后的数据D’，将每个单元海拔值与周边8个单元比较，确定当前单元水流的最大下降方向；2)、累加下降到该点的水文汇流量，储存为F_accum；3)、人机交互确定阈值a，F_accum与a进行大小比较，大于a的单元判断为沟谷地貌，单元值记为1，否则记为Nodata，储存为E，对E矢量化得到整个地理区域上沟谷线数据E_v；4)、根据各所述分水岭地貌单元多边形F_vi与沟谷线数据E_v，进行空间标识，得到表征各分水岭内河流分布的沟谷线数据E_vi，j，其中j为整个地理区域上第i个分水岭地貌单元多边形F_vi内各沟谷线的标识号，j＝1……n，n为所述各分水岭地貌单元内沟谷线的总条数；5)、根据所述F_vi及E_vi，j数据，进行空间叠加分析和几何特征运算，得到各分水岭地貌单元内沟谷线的总长度Li与所对应的分水岭面积Si；6)、将所述各分水岭地貌单元内沟谷线的总长度Li除以所述所对应的分水岭面积Si，得到沟壑密度值Mi，公式为Mi＝Li/Si；7)、根据所述整个地理区域上各分水岭地貌单元多边形F_vi和所述沟壑密度值Mi，进行矢量转栅格处理，得到整个地理区域中表征地形切割密度的栅格化曲面数据M。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)。本专利技术还提供了一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建系统，其采用上述的一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，并包括：地貌数据模块，用于获取地貌模型；预处理模块，用于对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：/n一、计算机获取地貌模型D；/n二、对所述地貌模型D进行预处理，得到预处理后数据D’；/n三、对所述预处理后数据D’进行窗口标准差统计，得到整个地理区域中不同地貌单元内的、在水平方向上的地貌高程差异程度的栅格化曲面数据，记为Std；/n四、对所述预处理后数据进行地貌高差提取，得到整个地理区域中不同地貌单元内的、在垂直方向上表征的地貌隆起与水平切割深度的栅格化曲面数据，记为Terr；/n五、对所述预处理后数据进行沟壑密度提取，得到整个地理区域中不同地貌单元内表征地形切割密度的栅格化曲面数据，记为M；/n六、使用公式A＝Std×Terr×M，得到度量地貌破碎程度的栅格化地形曲面，记为A；/n七、对所述预处理后数据D’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；/n八、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：/nR＝1/[cos(slp)]

【技术特征摘要】
1.一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、计算机获取地貌模型D；
二、对所述地貌模型D进行预处理，得到预处理后数据D’；
三、对所述预处理后数据D’进行窗口标准差统计，得到整个地理区域中不同地貌单元内的、在水平方向上的地貌高程差异程度的栅格化曲面数据，记为Std；
四、对所述预处理后数据进行地貌高差提取，得到整个地理区域中不同地貌单元内的、在垂直方向上表征的地貌隆起与水平切割深度的栅格化曲面数据，记为Terr；
五、对所述预处理后数据进行沟壑密度提取，得到整个地理区域中不同地貌单元内表征地形切割密度的栅格化曲面数据，记为M；
六、使用公式A＝Std×Terr×M，得到度量地貌破碎程度的栅格化地形曲面，记为A；
七、对所述预处理后数据D’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；
八、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；
九、利用山体的隆起与切割深度，坡度，地表皱褶多度，地形破碎程度，构建综合性的地形复杂度指标；地理复杂度指标Terr_dv如下：
Terr_dv＝Terr×slp×R×A。


2.根据权利要求1所述的一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，其特征在于：步骤一中，所述地貌模型D采用计算机表达的数字高程模型DEM或者数字地形模型DTM。


3.根据权利要求2所述的一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，其特征在于：步骤二中，预处理的方法为：对所述地貌模型数据D，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D’；所述投影变换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.根据权利要求3所述的一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，其特征在于：步骤三中，窗口标准差统计的方法为：将所述预处理后数据D’，以3*3大小的栅格分析窗口为单元，使用空间分析焦点统计功能，统计各单元的标准差值，得到整个地理区域中不同地貌单元标准差值，生成表征地貌差异程度的栅格化曲面数据Std。


5.根据权利要求4所述的一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，其特征在于：步骤四中，地貌高差提取的方法为：
a、将所述预处理后的数据D’，进行分水岭提取，得到覆盖整个地理区域各分水岭地貌单元多边形F_vi，其中i为各分水岭地貌单元的标识号，i＝1……m，m为所述各分水岭地貌单元的总个数；
b、确定各所述多边形F_vi的最大内接椭圆Yi和各所述最大内接椭圆的圆心坐标ki、li；
c、根据各所述圆心坐标，使用公式ui(ki，li)＝(h1+h2+...+hj)/m，确定各所述多边形内的地貌模型栅格点的高程算术平均值，其中ui(ki，li)为圆心位置的数字高程的算术平均值求算，hj为每个栅格点的数字高程值，m为多边形内全部栅格点的数量；
d、根据各所述圆心坐标和所述算术平均值采用克里金插值法，得到地貌趋势面W；
e、根据所述地貌模型D’和所述地貌趋势面W，将所述地貌模型D’减去所述地貌趋势面W，得到地貌相对高度度量Terr_o；
f、将所述地貌相对高度度量Terr_o使用离差标准化法进行归一化处理，得到度量地貌隆起与切割深度的栅格化曲面数据Terr。


6.根据权利要求5所述的一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，其特征在于：步骤五中，沟壑密度提取的方法为：
1)、调入所述预处理后的数据D’，将每个单元海拔值与周边8个单元比较，确定当前单元水流的最大下降方向；
2)、累加下降到该点的水文汇流量，储存为F_accum；
3)、人机交互确定阈值a，F_accum与a进行大小比较，大于a的单元判断为沟谷地貌，单元值记为1，否则记为Nodata，储存为E，对E矢量化得到整个地理区域上沟谷线数据E_v；
4)、根据各所述分水岭地貌单元多边形F_vi与沟谷线数据E_v，进行空间标识，得到表征各分水岭内河流分布的沟谷线数据E_vi，j，其中j为整个地理区域上第i个分水岭地貌单元多边形F_vi内各沟谷线的标识号，j＝1……n，n为所述各分水岭地貌单元内沟谷线的总条数；
5)、根据所述F_vi及E_vi，j数据，进行空间叠加分析和几何特征运算，得到各分水岭地貌单元内沟谷线的总长度Li与所对应的分水岭面积Si；
6)、将所述各分水岭地貌单元内沟谷线的总长度Li除以所述所对应的分水岭面积Si，得到沟壑密度值Mi，公式为Mi＝Li/Si；
7)、根据所述整个地理区域上各分水岭地貌单元多边形F_vi和所述沟壑密度值Mi，进行矢量转栅格处理，得到整个地理区域中表征地形切割密度的栅格化曲面数据M。


7.根据权利要求6所述的一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，其特征在于：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。


8.根据权利要求7所述的一种度量地形复杂程度的栅格化曲面的构建方法，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周汝良，王艳霞，
申请(专利权)人：西南林业大学，
类型：发明
国别省市：云南;53