一种基于地形模型阈值提取冲沟网络的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地形模型阈值提取冲沟网络的方法，其特点是，由DEM数据计算获得地形坡度数据S和汇水面积数据A并进行乘积运算获得SA模型数据；获得样本冲沟沟头点的位置，并确定样本冲沟沟头点的SA阈值，然后以此阈值，对SA模型数据进行阈值处理提取冲沟沟头；根据样本冲沟沟头点的位置，确定冲沟沟底线汇水面积A阈值，并以此阈值，对汇水面积A进行阈值处理，提取冲沟沟底线；最后对冲沟沟头和沟底线数据进行空间合并、编辑及线网平滑等处理，获得冲沟网络；同传统的提取冲沟网络方法相比较，本发明专利技术既能高精度提取冲沟沟头，又能获得准确的冲沟沟底线网络，具有工作量小、耗时短、精度高的优点。

A method for extracting gully network based on topographic model threshold

The invention discloses a method of extracting gully network based on the threshold of terrain model. Its characteristic is that the terrain slope data S and the water area data A are obtained by the DEM data, and the SA model data is obtained by multiplication operation, the location of the head point of the sample gully ditch is obtained, and the SA threshold of the sample gutter trench is determined, and then, Threshold is used to process the SA model data to extract the gully ditch. According to the location of the head point of the gully, the threshold of the bottom line of the gully is determined, and the threshold of the A is threshold, the threshold of the water area A is processed and the bottom line is extracted. Finally, the data of the trench trench head and the ditch bottom line are merged, edited and lines in space. Compared with the traditional method of extracting gully network, the invention can not only extract the gutter trench head with high precision, but also obtain the accurate bottom line network of gully ditch, which has the advantages of small workload, short time consumption and high precision.

【技术实现步骤摘要】
一种基于地形模型阈值提取冲沟网络的方法
：本专利技术涉及地质地貌、水文分析
，具体地讲是一种基于地形模型阈值提取冲沟网络的方法，将数字地形技术应用于冲沟沟头和冲沟网络的提取；可用于基于DEM数据，进行冲沟解译、沟蚀研究及制图场合。
技术介绍
：沟蚀是指汇集在一起的地表径流冲刷破坏土壤及其母质，形成切入地表以下沟壑的土壤侵蚀形式（唐克丽,2004）。沟蚀作为一种常见的土壤侵蚀类型，虽不如面蚀涉及面广，但因其侵蚀量大，速度快，且把完整的坡面切割成沟壑密布、面积零散的小块坡地，使耕地面积减少，对农业生产的危害十分严重，已成为江河泥沙的一个主要来源（Poesenetal.,2003）。冲沟沟头和冲沟沟底网络是沟蚀研究中了解和掌握沟壑侵蚀发生发展变化规律的两个重要参数。冲沟沟头是朔源侵蚀、切割地表的最活跃部位；冲沟沟道是水土流失物质迁移的通道，相对沟头来讲比较稳定，但却是估算水土流失量的重要参数。冲沟沟头朔源侵蚀的启动是地形、气候（降雨）、地表覆被等因素综合作用的结果。有效提取冲沟沟头和冲沟沟底线网络，一直是众多学者研究的重点和难点。目前，冲沟沟头提取方法主要有野外观测、地形测量、遥感、立体摄影测量、地形图像融合法和模型法。野外观测和地形测量法主要是利用近地面测量技术，测量浅沟的形态特征，通过在沟头及沟身附近地面打桩（Ionitaetal.，2006）、应用GPS或三维激光扫描仪跟踪监测、估算沟蚀体积和侵蚀量（Casalietal.，2006；Whitfordetal.2010;Zhu，2012；Chengetal.2006；张鹏等,2008；Eustaceetal.,2009；BaruchandFilin2011；Suetal.,2014）。该方法具有定位冲沟沟头精度高的优势，但难以实施、成本高，费时费力，仅适用于空间小尺度的冲沟系统的提取和研究。兴起于20世纪60年代的已经成为采集空间信息的重要技术的遥感技术，因其具有多时相、低成本的优势，在解译沟蚀二维参数（沟长、沟面积、沟缘线等），得到广泛的应用（RiesandMarzolff,2003；MarzolffandPoesen,2009；Wangetal.,2014）。虽然遥感图像二维数据具有多时相、低成本的优势，可以为地貌研究提供了丰富的、长时间序列上的地表光谱信息、纹理信息，但遥感图像所能提供的用于解译地形地貌的地表三维信息却很少，难于精确解译冲沟沟头和沟底线。立体摄影测量利用机载或星载光学或激光等仪器，通过多角度成像或激光测距，实现冲沟沟谷三维场景的重构。该方法成本高，费时费力，较难实现冲沟沟头高精度定位，且不适用于小尺度冲沟系统的提取。地形图像融合法是采用诸如HSV色彩空间变换等数据融合算法实现地形信息和遥感图像光谱信息的融合，并基于融合后的图像，通过地形坡度阈值和目视解译提取冲沟沟头及冲沟沟沿线（王涛等2014）。该方法的优点是提取冲沟沟沿线精度明显高于单纯基于遥感图像提取法，但仍存在通过坡度阈值提取冲沟沟头的精度较差，难于高精度提取冲沟沟底线的缺点。模型法被广泛应用于冲沟沟头的提取和预测研究中。半经验物理模型、回归模型和地形阈值模型是三类主要的模型法。PhysicallybasedEphemeralGullyErosionModel(EGEM)是应用较广泛的半经验物理模型，但诸如EGEM等半经验物理模型需要输入大量的物理参数，仅适用于小尺度冲沟沟头提取。回归模型法是一种基于冲沟沟长同沟道携沙量（容积）之间的幂函数统计关系，来估算沟道携沙量（容积）的方法，无法精准提取冲沟沟头和沟底线网络。地形阈值模型是被广泛应用于冲沟沟头提取及沟蚀过程研究的一种便捷方法。冲沟沟头的启动是地形、气候（降雨）、地表覆被等因素综合作用的结果，其中，地形因素起到至关重要的作用。Horton（1945）首次指出当地形阈值超过某一范围，冲沟沟头就会启动朔源侵蚀。Patton和Schumm（1975）首次将这一概念应用于地貌学研究，考察了流域和坡度之间关系的稳定和不稳定的通道系统。诸多学者先后提出了诸如地形指数模型（SlopeArea,SA）、坡度面积乘幂模型（SlopeAreaPower，SAP）、湿润地形指数模型（WetnessTopographicIndex，WTI）及CompoundTopographicIndex（CTI）等地形阈值模型。研究结果表明，SA模型预测沟头的精度高于其他地形阈值模型。虽然地形阈值模型在定位冲沟沟头具有精度高的优势，但在解译冲沟沟道，无法构建冲沟网络。冲沟沟道是沟头朔源侵蚀泥沙输送的通道，其长度是一个同冲沟水土流失量密切相关的参数。汇水面积指的是雨水流向同一山谷地面的受雨面积，是一个反应河流水流量的一个物理量，被广泛应用于河流网络的提取。冲沟沟道及沟底线是冲沟沟道泥沙输送的通道。汇水面积也可以作为衡量冲沟沟道水土流失量的一个重要物理量，因此，可以被用于精准提取冲沟沟底线。基于汇水面积阈值法提取冲沟底线网络，受阈值影响明显，因而，该方法难以精准定位冲沟沟头。
技术实现思路
：本专利技术的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种基于地形模型阈值提取冲沟网络的方法；运用SA模型阈值处理提取冲沟沟头，运用汇水面积阈值处理提取冲沟沟底线，通过对两者合并编辑、空间分析及平滑处理处理，最终达到精准提取冲沟网络；主要解决现有的技术不能精准提取冲沟网络的问题。本专利技术的技术方案是：一种基于地形模型阈值提取冲沟网络的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：a将覆盖范围相同的高空间分辨率遥感图像和DEM数据进行几何配准，并将坐标系统一为相同的投影坐标系，得到配准后高空间分辨率遥感图像和配准后DEM数据；b采用对配准后高空间分辨率遥感图像目视解译的方法或者采用野外实测方法，构建样本冲沟沟头点数据集；c对配准后DEM数据进行填洼处理，得到填洼后DEM数据；d基于填洼后DEM数据计算研究区每个像素的坡度，由式（1）计算获得地形坡度数据：S=100*tanθ（1）式中，θ为每个像素的坡度角，以弧度为单位；e基于填洼后DEM数据，计算研究区每个像素的水汇流累积量，获得地形汇水面积数据A；f基于SA模型，通过对地形坡度数据和地形汇水面积数据A进行乘积运算，得到研究区的SA模型数据t，如式（2）：t=S*A=100*tanθ*A（2）式中，t为SA模型数据，单位为m2；S为每个像素的地形坡度数据，由式（1）计算获得；A为每个像素的地形汇水面积，单位为m2；θ同式（1）；g基于SA模型数据t，结合b步骤构建的样本冲沟沟头点数据集所记录的样本冲沟沟头点的坐标，构成样本冲沟沟头的t值范围；h以样本冲沟沟头的t值范围的最大值为阈值，对研究区的SA模型数据t进行阈值处理，获得研究区所有冲沟沟头数据；i基于地形汇水面积A数据，结合b步骤构建的样本冲沟沟头点数据集所记录的样本冲沟沟头点的坐标，确定冲沟沟底线的汇水面积阈值范围；j根据i步骤获得的汇水面积阈值范围的最大值，对地形汇水面积数据A进行阈值处理获得研究区冲沟沟底线数据；k对j步骤获得的研究区冲沟沟底线数据和h步骤获得的研究区冲沟沟头数据，进行合并操作和空间编辑操作，使两者成为相互联通的矢量线网，再对矢量线网进行平滑处理，即可获得研究本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于地形模型阈值提取冲沟网络的方法，其特征在于，包括以下步骤：a 将覆盖范围相同的高空间分辨率遥感图像和DEM数据进行几何配准，并将坐标系统一为相同的投影坐标系，得到配准后高空间分辨率遥感图像和配准后DEM数据；b 采用对配准后高空间分辨率遥感图像目视解译的方法或者采用野外实测方法，构建样本冲沟沟头点数据集；c 对配准后DEM数据进行填洼处理，得到填洼后DEM数据；d基于填洼后DEM数据计算研究区每个像素的坡度，由式（1）计算获得地形坡度数据

【技术特征摘要】
1.一种基于地形模型阈值提取冲沟网络的方法，其特征在于，包括以下步骤：a将覆盖范围相同的高空间分辨率遥感图像和DEM数据进行几何配准，并将坐标系统一为相同的投影坐标系，得到配准后高空间分辨率遥感图像和配准后DEM数据；b采用对配准后高空间分辨率遥感图像目视解译的方法或者采用野外实测方法，构建样本冲沟沟头点数据集；c对配准后DEM数据进行填洼处理，得到填洼后DEM数据；d基于填洼后DEM数据计算研究区每个像素的坡度，由式（1）计算获得地形坡度数据：S=100*tanθ（1）式中，θ为每个像素的坡度角，以弧度为单位；e基于填洼后DEM数据，计算研究区每个像素的水汇流累积量，获得地形汇水面积数据A；f基于SA模型，通过对地形坡度数据和地形汇水面积数据A进行乘积运算，得到研究区的SA模型数据t，如式（2）：t=S*A=100*tanθ*A（2）式中，t为SA模型数据，单位为m2；S为每个像素的地形坡度数据，由式（1）计算获得；A为每个像素的地形汇水面积，单位为m2；θ同式（1）；g基于SA模型数据t，结合b步骤构建的样本冲沟沟头点数据集所记录的样本冲沟沟头点的坐标，构成样本冲沟沟头的t值范围；h以样本冲沟沟头的t值范围的最大值为阈值，对研究区的SA模型数据t进行阈值处理，获得研究区所有冲沟沟头数据；i基于地形汇水面积A数据，结合b步骤构建的样本冲沟沟头点数据集所记录的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，吴孟泉，顾丽娟，李鹏，蒋卫国，张振华，何福红，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37