基于1:5000国家基本比例尺地形图的小流域自动提取算法研究——以长沙市岳麓山为例

摘要

随着国家空间信息基础设施建设的发展,1:50000和1:10000比例尺地形图在全国范围内已经普遍建设完成,在大城市或部分地区还编绘了1:5000的地形图。1:5000比例尺地形图是我国基本比例尺地形图中比例尺最大、精度最高的基础数据,可以用来研究小范围内地表详细信息(地貌、资源、灾害状况等)。而目前针对高精度DEM的研究通常是基于1:10000或1:50000比例尺地形图,而基于1:5000比例尺地形图的研究比较少。岳麓山在江南丘陵区具有很强的代表性,它具有亚热带常绿阔叶林下风化层厚和沟谷发育的典型地貌特征。由于植被茂盛、坡面陡峭、小沟谷比较多,定量观测较难正常进行。通过1:5000比例尺地形图生成更高精度DEM,进而进行小流域的自动提取研究,可以直观地观察与分析岳麓山不同部位的地貌特征和坡面、沟谷演化规律,定量地对地貌特征进行量测,从而节省大量人力、物力和财力。同时,该项研究对进一步分析小流域沟谷等地貌特征和坡面、沟谷演化规律,也能为广大丘陵地区的资源开发、保护和灾害防治提供基础数据。本文在参阅有关DEM流域提取算法的基础上,针对目前存在的主要问题等,探讨将基于地形表面几何形态分析和地形表面流水模拟分析的原理与方法相结合的方法来提取小流域。其技术路线是：①先采用几何分析的方法根据特征点的特性从DEM数据中提取可能是山脊点和山谷点的候选点；②然后再用流水模拟的方法提取流域；③再采用缓冲区分析和叠置分析生成新的栅格图层,然后对沟谷进行二次提取以处理伪沟谷；④最后以候选山谷点作辅助对小流域沟谷进行修正,实现小流域特征信息的自动提取。
　　 本文以岳麓山作为例对小流域特征信息进行了提取,主要技术环节如下：⑴洼地填充。本文假设所提取到的洼地都不是真实的地表形态,对所有洼地都进行填平处理。采用“高程增量迭加法”进行洼地填冲,通过增高洼地栅格单元的高程值,使得DEM中每一个栅格的高程值不比周围八个栅格中的高程值中至少一个低,然后就可以计算水流方向。⑵流域阈值。先计算所有栅格流量的平均值,然后分别在该平均值两侧各选两点为阈值,生成沟谷。通过对阈值与沟谷总长度进行线性函数、对数函数、多项式函数、乘幂函数进行分析,从而计算出合理的阈值。⑶伪沟谷的处理。首先把Strahler三级分级方案中的第二级别和第三级别的沟谷标记为主沟谷；然后对标记的主沟谷进行缓冲区分析,缓冲区范围内的栅格单元降低一定的高程值,缓冲区范围外的栅格值赋为零,生成新的栅格图层；再将其与原始DEM进行叠加分析,对叠加后生成的DEM重新进行小流域提取,小流域提取后的沟谷数据就是进行伪沟谷删除的结果。)洼地匹配。读取提取的洼地图层中的洼地单元,然后对山谷点图层进行筛选,删除山谷点图层中与洼地点坐标相同的山谷点；然后提取沟谷线图层上的每一条沟谷的转折点,删除被该洼地单元包含的转折点(不能是沟谷线的起点或终点)。
　　 本文通过流域自动提取算法实验所提取出的流域特征信息与手工提取的进行比对,其精度达到预期的要求。主要研究结论包括：①选取五组数据对阈值与沟谷总长度进行相关性分析,发现两者的相关性与乘幂函数Y=404115*X-0.557的拟合度最好,R2的值达到0.9995。当阈值设置为145.54时,生成的沟谷与实际沟谷的长度比较接近,沟谷密度较近似,阈值较合理。通过进行相关性分析,可以快速地选择恰当阈值,使生成的沟谷与实际沟谷更加相符,避免了反复实验阈值的繁琐过程,也保证了模拟结果的准确性。②通过对岳麓山提取到的小流域沟谷网络分析,发现填充处理后的洼地仍然对小流域的沟谷产生影响,使沟谷明显弯曲,结合填充前提取的洼地对转折点进行删除,使沟谷更加合理,更符合实际。③比1:10000比例尺地形图相比,岳麓山1:5000比例尺地形图的精度更高,这样通过1:5000比例尺地形图更高精度DEM数据来进行小流域的提取,所提取到的小流域沟谷网络更加精确。而且通过流域二次提取,实现对伪沟谷进行了自动处理,在小流域范围内实现完全删除伪沟谷,减少了手工工作量,使小流域沟谷网络更加合理。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 研究现状与发展趋势

1.3 研究内容

第二章 研究材料与方法

2.1 研究区概况

2.2 DEM数据

2.3 研究基础方法

第三章 算法设计与实现

3.1 算法设计

3.2 算法实现

3.3 算法评估

第四章 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

附录

1 程序代码

2 数据表

致谢