一种基于随机切片的社区尺度城市形态数据批量生成方法与流程

本发明涉及城市下垫面数据分析领域，具体涉及一种基于随机切片的社区尺度城市形态数据批量生成方法。

背景技术：

1、城市下垫面主要由房屋建筑、道路、绿地、广场、水域等组成，由人工构筑物与自然地势复合构建而形成。由于城市地表构筑物类型复杂，由复杂城市下垫面构成的城市形态复杂程度远高于流域尺度。在进行城市形态分析、城市内涝数值模拟等研究时，常需要对不同尺度下的城市形态进行随机提取和定量分析，以获取更多城市形态定量分析信息。采用原始城市下垫面遥感数据下载或人工获取等方式，通常难以达到“随机”和“批量”的要求，为此，提出一种城市形态数据随机生成方法，对于科学统计和分析城市形态特征，具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种基于随机切片的社区尺度城市形态数据批量生成方法，能够在质量控制的基础上，实现任意指定尺度(例如社区尺度)的城市形态随机切片和生成。

2、为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

3、提出一种基于随机切片的社区尺度城市形态数据批量生成方法，其包括以下步骤：

4、s1：采用遥感数据、人工选定或数据校核的方式获取城市下垫面的原始数据；

5、s2：将原始数据裁剪成规则的形状，并转换成矩阵形式的文件，生成原始数据矩阵，获取原始数据矩阵中行数和列数的范围，并在行数和列数的范围内生成随机数，根据随机数生成切片子矩阵；

6、s3：获取切片子矩阵中的坐标值，设置关于坐标值的变量x和y，生成基于x和y的坐标网格，坐标网格按矩阵的行堆叠成一个二维矩阵，将城市下垫面的数据对应插值在坐标网格中，输出切片文件；

7、s4：根据切片文件中城市下垫面的形态类型，筛选符合要求的切片文件。

8、进一步地，步骤s2包括：

9、s21：将原始数据裁剪成规则的形状，并转换成矩阵形式的文件，生成原始数据矩阵；

10、s22：设定子矩阵的行数xb和列数yb，根据原始数据矩阵的列数ya和行数xa，分别计算能够随机生成的子矩阵的最大行数xmax和最大列数ymax：

11、xmax＝xa-xb；

12、ymax＝ya-yb；

13、s23：确定关于行坐标的随机数的取值范围(0，xmax)、列坐标的随机数的取值范围(0，ymax)；

14、s24：在范围(0，xmax)和范围(0，ymax)内分别随机生成一个行坐标值x1和列坐标值y1；

15、s25：将随机坐标(x1，y1)作为随机生成的子矩阵的左上角顶点，再以左上角顶点为起点向右侧取列数yb、向下侧取行数xb，得到切片子矩阵。

16、s26：重复步骤s24-s25，在范围(0，xmax)和范围(0，ymax)内分别随机生成不同的行坐标值和列坐标值，得到若干个切片子矩阵。

17、进一步地，步骤s3包括：

18、s31：根据切片子矩阵中的每个坐标参数，根据城市下垫面的原始数据加载每个坐标参数对应的原始数据，原始数据包括高程数据和用地类型数据，并将原始数据赋值、保存在对应的坐标参数上，原始数据作为坐标参数对应的变量；

19、s32：设定单元网格的大小，将切片子矩阵划分成x×y个网格，研究区切片的分辨率取决于每个网格的大小，将切片子矩阵按照网格生成一维数组，保存一维数组中对应的变量；

20、s33：基于x、y生成的空间坐标，将一维数组按行列堆叠成一个二维数组，得到新的坐标数组gxy：

21、

22、其中，g为坐标数组gxy的坐标；

23、s34：提取切片子矩阵中任一坐标参数作为样本坐标(c,d)，遍历坐标数组gxy中的每个坐标作为插值坐标(a,b)，计算样本坐标与每个插值坐标之间的距离s：

24、

25、s35：将样本坐标与每个插值坐标之间的距离值进行比较，筛选出距离最小值smin对应的样本坐标，并将距离最小值smin与设定的距离阈值s阈值进行比较：

26、若smin≤s阈值，则将该样本坐标对应的原始数据插值到最近的插值坐标上，执行步骤s36；

27、否则，执行步骤s37；

28、s36：判断插值的原始数据中的高程数据，在城市形态解析中考虑道路、城市或其他三种用地类型，并进行插值判断分析是否存在异常值的情况：

29、若存在空值，即插值为-9999，表示缺乏数据或者无效数据，通常对该插值进行特殊处理，判断为异常值，并进行数据清洗或排除；

30、删除该插值坐标上的原始数据，提取步骤s35中比较出的第二小的距离值对应的样本坐标，返回执行步骤s35；

31、否则，插值坐标插值成功；

32、s37：返回步骤s34，在切片子矩阵中重新提取一个样本坐标，执行步骤s34-s36；

33、s38：直到坐标数组gxy中的每个坐标均插值成功后，输出城市形态数据的切片文件。

34、进一步地，步骤s4包括：

35、利用gis软件对城市形态数据切片进行栅格统计，分别统计出城市形态数据切片的数据中要素的占比，根据各项要素的占比大小进行筛选，筛选的规则包括：对道路面积占比进行上下限控制、对房屋面积占比进行上下限控制、对道路和房屋占比之和进行上下限控制；在质量控制基础上，可以进一步筛选出出符合要求的城市形态数据切片，完成基本数据的获取。

36、进一步地，步骤s1包括：

37、采用遥感数据、人工选定或数据校核的方式获取城市下垫面的原始数据：

38、遥感数据：通过下载公开的遥感数据进行下垫面的解析或者直接下载已经解析过的土地覆盖数据进行实验数据准备；通过遥感影像识别城市道路等要素的轮廓，根据实验不同需求选定不同城市下垫面条件；

39、人工选定：通过制定的规则选择特定的城市下垫面研究区域；

40、数据校核：对已有数据进行校核，核实数据可用性，确保数据满足研究需求。

41、本发明的有益效果为：本发明能够在质量控制的基础上，实现任意指定尺度(例如社区尺度)的城市形态随机切片和生成，不仅实现了下垫面要素“随机”组合的要求，而且通过程序控制，实现了数据批量生成和处理，能够满足进一步定量解析城市形态特征的的需要。

技术特征：

1.一种基于随机切片的社区尺度城市形态数据批量生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于随机切片的社区尺度城市形态数据批量生成方法，其特征在于，步骤s2包括：

3.根据权利要求1所述的基于随机切片的社区尺度城市形态数据批量生成方法，其特征在于，步骤s3包括：

4.根据权利要求1所述的基于随机切片的社区尺度城市形态数据批量生成方法，其特征在于，步骤s4包括：

5.根据权利要求1所述的基于随机切片的社区尺度城市形态数据批量生成方法，其特征在于，步骤s1包括：

技术总结
本发明公开了一种基于随机切片的社区尺度城市形态数据批量生成方法，包括以下步骤：S1：采用遥感数据、人工选定或数据校核的方式获取城市下垫面的原始数据；S2：将原始数据裁剪成规则的形状，并转换成矩阵形式文件，根据随机数生成切片子矩阵；S3：获取子矩阵中的坐标值，将城市下垫面的数据对应插值在坐标网格中，输出切片文件；S4：根据切片文件中城市下垫面的形态类型，筛选符合要求的切片文件。本发明能够在质量控制的基础上，实现任意指定尺度的城市形态随机切片和生成，不仅实现了下垫面要素“随机”组合的要求，而且通过程序控制，实现了数据批量生成和处理，能够满足进一步开展城市形态定量分析的需要。

技术研发人员：梅超,石虹远,刘家宏,高希超,王佳,宋天旭,董莉榕
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15