一种基于多段迭代策略的流量阈值分析方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多段迭代策略的流量阈值分析方法。通道地理分析和通道实体化在军事地理学研究中具有十分重要的意义，而河谷通道主结构线提取是其基础性环节，河谷通道主结构线提取的瓶颈问题是如何确定合适的流量阈值。本发明专利技术基于DEM数据，利用地表径流漫流模型获取沟谷网络，并通过均值变点法得到最优汇流累积阈值，在此基础上，本发明专利技术进一步提出了基于均值变点法的多段迭代策略，实现了确定河网密度曲线第二拐点的方法，并将其对应的汇流累计量作为流量阈值，相比于传统均值变点法，本发明专利技术方法降低了计算量提高了计算效率，经验证本发明专利技术的方法具有较强的适用性。本发明专利技术的方法具有较强的适用性。本发明专利技术的方法具有较强的适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多段迭代策略的流量阈值分析方法


[0001]本专利技术涉及最优汇流累积的确定，属于地理数据分析处理
；尤其涉及一种基于多段迭代策略的流量阈值分析方法。

技术介绍

[0002]当汇流累积量达到一定值的时候，就会产生地表水流，这个值称为流量阈值，也叫汇流累积阈值，在计算过程中最接近汇流累积阈值的结果称为最优汇流累积阈值。进行河谷通道主结构线提取的过程中，不同的汇流累积阈值会形成不同的河谷网络，因此最优汇流累积阈值的确定显得尤为重要。
[0003]最早期确定最优汇流累积阈值的方法为试错法，往往通过自身经验设置一系列汇流累积阈值并与实际沟谷对比。为了降低在最优汇流累积阈值确定过程中的主观性并提高结果精度，众多学者进行了大量研究并得出了以下成果：孔凡哲等在文献《利用DEM提取河网时集水面积阈值的确定》中绘制了河网密度与汇流累积阈值关系的曲线，将拟合曲线下降速度由快至慢的曲线拐点视作该流域的最佳汇流累积阈值；《集水面积阈值确定方法的比较研究》、《基于DEM的黑龙江宾州河流域水系提取试验研究》等文献在河网密度曲线一阶求导的基础上，通过二阶求导以确定曲线拐点所在位置；杨锦玲等的《基于分形的数字水系集水面积阈值确定研究》发现汇流累积阈值与水系分维数之间的回归关系；王林等的《基于DEM的流域水系分维计算与结果分析》基于Horton定理计算水系分维数，并得出了分维数曲线趋于稳定时，对应的汇流累积量为该流域的最佳汇流累积阈值；韩玲等在《基于DEM的黄土沟道提取汇流量阈值确定方法》提出采用ROC曲线确定汇流累积阈值的方法，并获得了较好的提取效果。以上的各种结论存在较大的主观性或者主观性降低的过程中结果精度不高。
[0004]文献《均值变点法在最佳集水面积阈值确定中的应用》和《基于均值变点分析的三峡库区河网提取研究》提出根据均值变点法确定河网密度曲线拐点所在位置，以减少主观确定拐点的随意性。但当结果要求比较精细时，均值变点分析过程中选取步长往往比较短，导致计算量大消耗时间多。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于多段迭代策略的流量阈值分析方法，用以解决现有技术中根据均值变点法确定最优汇流累积阈值时计算量大效率低的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的方案包括：
[0007]本专利技术的一种基于多段迭代策略的流量阈值分析方法的技术方案，包括如下步骤：
[0008]1)处理DEM数据，按照设定间隔设置若干汇流累积量并提取对应的栅格河网；
[0009]2)计算各个栅格河网对应的河网密度值；
[0010]3)选取各汇流累积量对应的河网密度值组成总体样本；根据预设的步长基于总体
样本区间生成样本序列，并根据均值变点法确定变点位置，根据变点位置确定曲线拐点所在的拐点区间；
[0011]4)缩短所述步长并基于当前拐点区间生成样本序列，再次执行均值变点分析，得到变点位置并重新确定拐点区间；
[0012]5)重复步骤4)直到所述步长等于样本提取步长，此时得到的变点位置所对应的汇流累积量即为最优汇流累积阈值。
[0013]相较于原始的均值变点法而言，经过多段迭代策略改良的均值变点法采用多次选择步长的方法将拐点计算过程进行简化。当结果要求比较精细时，步长往往比较短，传统均值变点法以相同的步长对所有数据进行计算，其计算量大消耗时间多。而改良后的均值变点法先通过大步长来获取拐点的大致位置，再通过小步长来进行数据的精算，在此过程中减少了对无用数据的计算，大大提高了拐点计算的效率。
[0014]进一步地，所述步骤1)中，还进行流域剖分，针对同一流域按照设定间隔设置若干汇流累积量并提取对应的栅格河网。
[0015]流域地貌是由统一的物理过程特性所决定的，流域内部下垫面要素(地形、地貌、土质)之间存在着内在联系，通常不同流域间具有最大相异性、同一流域内具有最大相似性。汇流累积阈值会因流域下垫面的空间变化而不同，在面积较大或下垫面组成复杂的区域，汇流累积阈值空间分布的差异性表现较为明显。因此，本专利技术进一步将整个研究区域按照所属流域进行分区，进一步提高了最优汇流累积阈值的准确性。
[0016]进一步地，为了简化流域剖分，所述流域剖分包括如下步骤，根据出水口位于区域边界同时流向指向区域外侧的特点搜寻出水口，并从出水口位置依据水流方向溯游而上，将汇集于此出水口的全部栅格单元划归同一流域。
[0017]进一步地，所述步骤1)中，处理DEM数据包括DEM填洼、流向计算和汇流累积矩阵计算。
[0018]进一步地，所述步骤2)中，通过如下步骤基于DEM数据计算河网密度值D
d
：
[0019][0020]其中，g为栅格像元的空间分辨率；∑RCell为栅格河网的像元总数；∑ACell为对应流域的像元总数。
[0021]进一步地，所述步骤3)中，均值变点法确定变点位置包括如下步骤：
[0022]计算总体样本的方差；根据预设的步长依次将总体样本分为两部分得到样本序列，计算分段样本序列的统计量，比较所述统计量与方差；找到统计量与方差之差的极大值，所对应的样本序列的分段位置即为变点位置。
[0023]进一步地，所述统计量通过下式计算：
[0024][0025]其中，S
i
为统计量，为样本序列第一部分的均值，为样本序列第二部分的均值。
[0026]进一步地，为了提高计算效率，避免数据冗余，所述步骤3)中，步长预设为提取步
长的4～6倍。
[0027]进一步地，为避免样本点数目过少而造成曲线拐点的提取出现误差，所述步骤3)中，拐点区间为变点位置附近包含20～30个样本点的区间。
附图说明
[0028]图1是DEM数据处理步骤流程图；
[0029]图2(a)是汇流累积阈值为500时提取的沟谷网络示意图；
[0030]图2(b)是汇流累积阈值为2500时提取的沟谷网络示意图；
[0031]图2(c)是汇流累积阈值为5000时提取的沟谷网络示意图；
[0032]图2(d)是汇流累积阈值为10000时提取的沟谷网络示意图；
[0033]图3(a)是实施例中主要流域示意图；
[0034]图3(b)是实施例中流域剖分结果示意图；
[0035]图4(a)是流域1的河网密度曲线；
[0036]图4(b)是流域2的河网密度曲线；
[0037]图4(c)是流域3的河网密度曲线；
[0038]图5是流程变点法流程示意图；
[0039]图6是基于优化后均值变点法的曲线拐点确定流程示意图；
[0040]图7是样本序列{X
i
}的S与S
i
变化曲线；
[0041]图8是样本序列{Y
i
}的S与S
i
变化曲线；
[0042]图9是两段迭代选取第一拐点的样本点示意图；
[0043]图10是样本序列{M本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多段迭代策略的流量阈值分析方法，其特征在于，包括如下步骤：1)处理DEM数据，按照设定间隔设置若干汇流累积量并提取对应的栅格河网；2)计算各个栅格河网对应的河网密度值；3)选取各汇流累积量对应的河网密度值组成总体样本；根据预设的步长基于总体样本区间生成样本序列，并根据均值变点法确定变点位置，根据变点位置确定曲线拐点所在的拐点区间；4)缩短所述步长并基于当前拐点区间生成样本序列，再次执行均值变点分析，得到变点位置并重新确定拐点区间；5)重复步骤4)直到所述步长等于样本提取步长，此时得到的变点位置所对应的汇流累积量即为最优汇流累积阈值。2.根据权利要求1所述的基于多段迭代策略的流量阈值分析方法，其特征在于，所述步骤1)中，还进行流域剖分，针对同一流域按照设定间隔设置若干汇流累积量并提取对应的栅格河网。3.根据权利要求2所述的基于多段迭代策略的流量阈值分析方法，其特征在于，所述流域剖分包括如下步骤，根据出水口位于区域边界同时流向指向区域外侧的特点搜寻出水口，并从出水口位置依据水流方向溯游而上，将汇集于此出水口的全部栅格单元划归同一流域。4.根据权利要求1所述的基于多段迭代策略的流量阈值分析方法，其特征在于，所述步骤1)中，处理DEM数据包括DEM填洼、流向计...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏建，杨富琨，刘富权，李祥云，杨乐，葛泽宇，蔡中祥，张晶，韩志军，王位，王俊威，王岩，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：