一种基于水平角的黄土沟沿线提取方法

本发明属于gis图像处理领域，尤其涉及一种基于水平角的黄土沟沿线提取方法。

背景技术：

1、堆积与侵蚀是黄土高原两个主要地貌过程，形成了黄土塬、梁、峁、沟这四种主要的地貌类型。黄土高原地貌是继承第三纪古地形的基础上经过降尘堆积而来。由于堆积地貌形成的过程中还没有黏聚力的参与，形成的地面接近黄土内摩擦角，呈现出的黄土堆积面休止角通常为32-38°。堆积过程倾向于抹平大坡度地形，消灭地形整体连续中的不连续成分。

2、侵蚀后于堆积，粘聚力的作用开始体现。侵蚀作为黄土不连续地形形成的主要驱动力，在侵蚀剧烈的部位，常发育陡坡。黄土高原侵蚀地貌过程是复杂的，造成黄土陡坡丰富的形态特征，使黄土高原地区成为陡坡地形研究的天然实验厂。沟壑侵蚀是黄土高原地貌发育最基本的特点，黄土沟谷发育是陡坡主要发育因素。

3、黄土陡坡与原始堆积形成的黄土表面构成的明显坡度转折。借助陡坡引起的地形突变特征，学者们提取其上缘构成黄土沟沿线，评价黄土沟壑发育特点。沟沿线以下的沟壁发展速度比沟壑更不稳定，有的时候即使主沟不变、沟壁仍在运动着，侧向蚕食正地形，直接威胁农田。沟壁部位的陡崖发生失稳破坏发生重力侵蚀，产生滑坡、崩塌。黄土沟沿线作为黄土沟壑演化的结构线，长期以来受到学者们的关注。

4、早期的沟沿线提取方法主要针对较粗分辨率dem数据中的沟沿线提取，能满足5m及以上分辨率的分析精度要求。随着无人机倾斜摄影技术的普及，dem数据格网精度达到1m，甚至是cm级，以往的方法难以满足精度要求。近年来发展的山体阴影分析法，提高了高分辨率dem中沟沿线的提取精度。但山体阴影分析法需要先通过大量的剖面统计工作确定水平角，耗费大量时间和人力成本，还是无法穷尽所有的断面，现有的黄土沟沿线提取方法难以实现速度与精度兼得。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于水平角的黄土沟沿线提取方法，通过计算最大水平角和人工确定全局阈值，实现了高精度的黄土沟沿线快速提取。。

2、技术方案：1、一种基于水平角的黄土沟沿线提取方法，包括如下步骤：

3、步骤1、获取研究区域的dem数据和影像，提取研究区域内的流向要素并计算山体阴影，得到山体阴影图；

4、步骤2、计算dem数据上每一点在各个方向上的水平角，以其中的最大值作为该点的最大水平角，构建最大水平角栅格；

5、步骤3、叠加最大水平角栅格在步骤1的山体阴影图上，确定最大水平角分类阈值，基于最大水平角分类阈值分割黄土沟谷正负地形，提取黄土沟谷负地形；

6、步骤4、根据步骤1的流向要素确定汇流长度，通过汇流长度优化黄土沟谷负地形，提取黄土沟沿线。

7、进一步的，步骤1的具体步骤为：

8、(11)获取研究区域的dem数据和影像，计算研究区域的流向要素；

9、(12)计算研究区域的山体阴影，其中太阳高度角大小为25-65°，太阳方位角按照研究区域的沟壑延伸方向确定，得到山体阴影图。

10、进一步的，步骤2的具体步骤为：

11、(21)确定0-360°方向的分隔角度δ，基于δ计算dem在每个方向上的水平角，即dem在这一方向上的高程变化情况；

12、(22)对比dem所有方向上的水平角大小，取水平角的最大值作为dem的三维空间中的最大水平角，构建最大水平角栅格。

13、进一步的，步骤3的具体步骤为：

14、(31)调整最大水平角栅格透明度，与山体阴影图或研究区域遥感影像叠加；

15、(32)修改最大水平角栅格的符号化样式，使其以二分类形式展示，通过人眼视觉判断，调整分类阈值，使得类型边界正好与黄土沟谷正负地形突变界限重合，得到最大水平角分类阈值；

16、(33)根据步骤(32)确定的最大水平角分类阈值，将研究区域划分为正负地形，大于阈值的地区为正地形，小于阈值的区域为负地形，提取黄土沟谷负地形。

17、进一步的，步骤4的具体步骤为：

18、(41)基于步骤3生成的黄土沟谷负地形的栅格，裁剪步骤1生成的研究区域流向要素，得到负地形内部流向；

19、(42)基于步骤(41)生成的负地形内部流向，计算负地形内部的汇流长度，根据步骤(3)生成的负地形跨度，确定最小汇流长度，剔除梯田等细条形的部分，优化负地形栅格；

20、(43)将步骤(42)生成的优化负地形栅格转为矢量面，去除其中的不合理碎斑进一步优化负地形矢量，生成研究区域的黄土沟沿线。

21、进一步的，水平角计算的方向数8-360个，分割间隔为1-45°

22、进一步的，水平角计算的范围与黄土负地形跨度相关，半径范围为50-1000m；最大水平角的分割阈值与黄土休止角相关，角度范围为25-45°。

23、进一步的，汇流长度的最小阈值范围为5-10m。

24、进一步的，计算水平角所使用的软件为grass gis。

25、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明通过使用dem计算最大水平角，先基于水平角放大地形突变，再通过设置阈值提取沟沿线，避免了传统山体阴影方法中的剖面分析。

技术特征：

1.一种基于水平角的黄土沟沿线提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于水平角的黄土沟沿线提取方法，其特征在于，步骤1的具体步骤为：

3.根据权利要求1所述的基于水平角的黄土沟沿线提取方法，其特征在于，步骤2的具体步骤为：

4.根据权利要求1所述的基于水平角的黄土沟沿线提取方法，其特征在于，步骤3的具体步骤为：

5.根据权利要求1所述的基于水平角的黄土沟沿线提取方法，其特征在于，步骤4的具体步骤为：

6.根据权利要求1所述的基于水平角的黄土沟沿线提取方法，其特征在于，水平角计算的方向数为8-360个，分割间隔为1-45°。

7.根据权利要求1所述的基于水平角的黄土沟沿线提取方法，其特征在于，水平角计算的范围与黄土负地形跨度相关，半径范围为50-1000m；最大水平角的分割阈值与黄土休止角相关，角度范围为25-40°。

8.根据权利要求1所述的基于水平角的黄土沟沿线提取方法，其特征在于，汇流长度的最小阈值范围为5-10m。

9.根据权利要求1所述的基于水平角的黄土沟沿线提取方法，其特征在于，计算水平角所使用的软件为grass gis。

技术总结
本发明公开了一种基于水平角的黄土沟沿线提取方法，包括如下步骤：1、获取研究区域的数字高程模型和遥感影像，计算流向和山体阴影；2、计算DEM在多个方向上的水平角，并取所有方向上的HA的最大值，构建研究区域的最大水平角栅格；3、确定最大水平角栅格的分类阈值，将其分为正、负地形两类；4、基于流向计算负地形内部的汇流长度，确定最小汇流阈值，剔除部分正地形，生成优化后的负地形栅格，提取负地形栅格边界，得到黄土沟沿线。本发明提出的三维空间中的最大水平角，与山体阴影分析法相比，避免了大量沟谷横断面中的剖面坡度评估，简化了黄土沟沿线的提取。

技术研发人员：颜阁,汤国安,李昕,李发源,杨昕,熊礼阳
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13