一种dem数据中盆地的自动标识方法
【专利摘要】本发明公开了一种DEM数据中盆地的自动标识方法，包括以下步骤：1)提取DEM数据中每个DEM格网点的海拔高度值，并计算各个DEM格网点的地势起伏度值，形成由平原点和山地点构成的二值标注图；2)利用二值形态学滤除二值标注图中面积及形状小于预设值的平原点；3)构建盆地的闭合度计算函数，计算二值标注图中每个平原点被其周围山地点包围的闭合度，选取闭合度大于预设闭合度阈值TC的平原点作为初选盆地；4)在各初选盆地中选取面积大于预设面积阈值TA且相对高差大于预设相对高差阈值TD的初选盆地作为最终盆地，得最终盆地标识图。该方法能够实现DEM数据中盆地的标识。
【专利说明】
一种DEM数据中盆地的自动标识方法
技术领域
[0001]本发明数字地形分析领域的地貌类型自动划分技术领域，涉及一种DEM数据中盆 地的自动标识方法。
【背景技术】
[0002] 地形与地貌是重要的地理要素，基于数字高程模型(Digital Elevation Model， 简称DEM)的地貌类型划分及标识是数字地形分析在地貌学中的重要研究方向之一。我国幅 员辽阔，地貌组成复杂，研究丰富多样的地貌类型对于了解自然地理环境的形成及发展起 着极为重要的作用。盆地即是一种重要的地貌类型，它由平原、丘陵和山地组合而成，其四 周高、中间低、形如盆状，通常称其边缘部分为盆周，中央部分为盆心。盆周区域地势起伏峻 峭，在地质构造上呈隆升趋势，主要是由山地和丘陵构成;盆心区域地势较为平坦，在地质 构造上呈沉降趋势，主要由平原构成。盆地对气流有一定的阻挡作用，会对气候产生重要的 影响，盆地边缘往往还储藏着丰富的矿产资源，因此，许多国际化大都市往往建立于其中。 基于DEM数据自动识别并标注出盆地是本发明的核心。
[0003]目前基于DEM的中国陆地地貌类型划分方法种类众多。周廷儒等人在文献"周廷 儒，施雅风，陈述彭.中国地形区划草案[M].北京:科学出版社，1956:21 - 56."中将我国地 貌划分为平原(海拔多数<200m，相对高度<50m)、盆地(盆心与盆周高差>500m以上）、高原 (海拔>l〇〇〇m，与附近低地高差>500m)、丘陵(海拔多数<500m，相对高度50~500m)、中山（海 拔500~3000m，相对高度500m以上）和高山（海拔>3000m)等六大类型。在文献"中国1: 1000000地貌图制图规范(试行）[M].北京:科学出版社，1987:1 -44中将我国的地貌划分 为平原、丘陵和山地三种，并以海拔高度和地势起伏度为量化指标做出了更细的划分准则。 陈志明在文献"陈志明.1:400万中国及其毗邻地区地貌图说明书?中国地貌纲[M].北京： 中国地图出版社，1993:7 -13中对中国地貌按地形起伏度分为微缓起伏(0~20m)、小起 伏(20~75m)、中起伏(75~200m)、山地起伏(200~600m)和高山起伏(>600m)等5级。刘爱利 等在文献"刘爱利，汤国安.中国地貌基本形态DEM的自动划分研究[J].地球信息科学， 2006,8(4) :8-14"中以我国1:100万DEM数据为对象，对其上的地势起伏度、地表切割度、地 表粗糙度、高程变异系数、平均坡度、平均高程6个地形因子开展了主成份分析，并把 IS0DATA非监督分类法与Bayesian最大似然监督分类法相结合，将我国地貌划分为平原、丘 陵、低山、低中山、高中山、高山、极高山7种类型。李炳元等在文献"李炳元，潘保田等.中国 地貌区划新论[J ].地理学报，2013，68 (3): 291-306"中以中国的1:400万地貌图为基础，应 用GIS方法，结合中国三大地貌阶梯及其内部地貌格局的特点，通过分析我国各地基本地貌 类型组合的差异及其形成原因，将我国划分为东部低山平原大区、东南低中山地大区、中北 中山高原大区、西北高中山盆地大区、西南亚高山地和青藏高原大区6个地貌大区。梁立恒 等在文献"梁立恒.基于空间形态的模糊数据集数字地貌研究[D].长春:吉林大学，201Γ中 利用ASTER-DEM数据，以平均坡度、截面曲率、最大曲率和最小曲率等地形因子为参数，基于 自组织映射神经网络构建了地貌形态划分方法，将地貌划分为山峰、鞍部、中坡山脊、平缓 山脊、陡坡沟谷、中坡沟谷、平缓沟谷、中坡平原、平缓平原、洼地10种类型。李炳元等在文献 "李炳元，潘保田，韩嘉福.中国陆地基本地貌类型及其划分指标探讨[J].第四纪研究， 2008，28(4): 535-543中认为我国陆地地貌起伏复杂、台阶众多，以海拔和地势起伏度作 为特征因子进行划分较为合理，但对于每种地貌具体的划分指标学界尚未形成统一的标 准。雷红涛在文献"雷红涛.基于DEM的山脉线提取及地貌类型判别方法研究[D].西安:西安 建筑科技大学，2015."中以地势起伏度、海拔和面积为特征因子分别描述盆心和盆周的地 貌形态，将盆心和盆周分离开，依据盆心和盆周的高差建立盆地形态的完整描述。该方法设 定了理想前提，即认为整个待处理区域内只归属于一种地貌，这与实际地形相去甚远，不能 将区域内多个相互独立的盆地区域自动标注出来。
[0004] 综上所述，目前基于DEM的中国陆地地貌划分研究成果颇丰，但这些方法或在宏观 上将地貌标识为平原、丘陵和山地等基本地貌类型，或在微观上将地貌标识为山顶、山脊、 山谷、平地和洼地，未见对盆地地貌的自动标识方法研究。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种DEM数据中盆地的自动 标识方法，该方法能够实现DEM数据中盆地的标识。
[0006] 为达到上述目的，本发明所述的DEM数据中盆地的自动标识方法包括以下步骤：
[0007] 1)提取DEM数据中每个DEM格网点的海拔高度值，并计算各个DEM格网点的地势起 伏度值，根据每个DEM格网点的海拔高度值及地势起伏度值初判每个DEM格网点的地貌类型 归属，然后根据DEM数据中各DEM格网点的地貌类型归属形成由平原点和山地点构成的二值 标注图；
[0008] 2)利用二值形态学滤除二值标注图中面积及形状小于预设值的平原点；
[0009] 3)构建盆地的闭合度计算函数，计算二值标注图中每个平原点被其周围山地点包 围的闭合度，选取闭合度大于预设闭合度阈值TC的平原点作为初选盆地；
[0010] 4)在各初选盆地中选取面积大于预设面积阈值TA且相对高差大于预设相对高差 阈值TD的初选盆地作为最终盆地，得最终盆地标识图。
[0011] 步骤1)的具体操作为：
[0012] al)提取DEM数据中每个DEM格网点的海拔高度值，并计算各个DEM格网点的地势起 伏度值；
[0013] a2)根据每个DEM格网点的海拔高度值和地势起伏度值初判每个DEM格网点的地貌 类型归属，其中，每种地貌类型对应K-Means算法中的一个类簇，再统计DEM数据的地貌类型 个数k，即聚类中心数为k，然后再计算各种地貌类型中所有DEM格网点的平均海拔及平均地 势起伏度，形成每个类簇的初始聚类中心值G;
[0014] a3)根据聚类中心数k和各类簇的初始聚类中心值Cd^DEM数据进行聚类处理，再 将初始聚类中心值最小的类簇格网点划归为平原地貌，并标记为1，将其它类簇格网点划归 为山地地貌，并标记为0,形成由平原点和山地点构成的二值标注图。
[0015]步骤2)的具体操作为:设置形态学结构元素，利用开启运算滤除二值标注图中比 形态学结构元素小的突刺噪声，同时利用闭合运算填充二值标注图中比形态学结构元素小 的缺口及孔洞。
[0016] 本发明具有以下有益效果：
[0017] 本发明所述的DEM数据中盆地的自动标识方法在具体操作时，根据每个DEM格网点 的海拔高度值及地势起伏度值初判每个DEM格网点的地貌类型归属，实现盆地中盆心与盆 周的分离，形成由平原点和山地点构成的二值标注图；然后通过构建闭合度计算函数，计算 二值标注图中每个平原点被其周围山地点包围的闭合度，使盆地周围山地对中央平原的闭 合程度得以可测和量化，从而选取出初选盆地，然后再初选盆地中以面积及高差为阈值选 取最终的盆地，从而实现DEM数据中盆地的标识，操作简单，便于实现。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的流程图；
[0019] 图2(a)为本发明中海岸线闭合度模型的示意图
[0020] 图2(b)为本发明中海岸线闭合度模型的示意图（6P, GS);
[0021] 图3(a)为本发明中盆地闭合度计算模型的示意图（一条交线）；
[0022] 图3(b)为本发明中盆地闭合度计算模型的示意图（多条交线）；
[0023] 图4(a)为本发明中数据I盆地的人工标识图；
[0024] 图4(b)为本发明中数据I盆地的自动标识图；
[0025] 图5(a)为本发明中数据Π 盆地的人工标识图；
[0026] 图5 (b)为本发明中数据Π 盆地的自动标识图；
[0027] 图6(a)为本发明中数据ΙΠ 盆地的人工标识图；
[0028] 图6(b)为本发明中数据m盆地的自动标识图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0030]参考图1，本发明所述的DEM数据中盆地的自动标识方法包括以下步骤：
[0031] 1)提取DEM数据中每个DEM格网点的海拔高度值，并计算各个DEM格网点的地势起 伏度值，根据每个DEM格网点的海拔高度值及地势起伏度值初判每个DEM格网点的地貌类型 归属，然后根据DEM数据中各DEM格网点的地貌类型归属形成由平原点和山地点构成的二值 标注图，具体操作包括以下步骤：
[0032] al)提取DEM数据中每个DEM格网点的海拔高度值，并计算各个DEM格网点的地势起 伏度值；
[0033] a2)将每个DEM格网点的海拔高度值和地势起伏度值代入表1所示的《中国1:100万 地貌图制图规范(试行)》中，初判每个DEM格网点的地貌类型归属，其中，每种地貌类型对应 K-Means算法中的一个类簇，再统计DEM数据的地貌类型个数k，即聚类中心数为k，再计算各 种地貌类型中所有DEM格网点的平均海拔及平均地势起伏度，形成每个类簇的初始聚类中 心值C i;
[0034] 表 1
[0035]
[0036]
[0037] a3)根据聚类中心数k和各类簇的初始聚类中心值Cd^DEM数据进行聚类处理，再 将初始聚类中心值最小的类簇格网点划归为平原地貌，并标记为1，将其它类簇格网点划归 为山地地貌，并标记为0,形成由平原点和山地点构成的二值标注图。
[0038] 2)利用二值形态学滤除二值标注图中面积及形状小于预设值的平原点，具体包括 以下步骤：
[0039] b 1)文献"中国科学院地理研究所《中国1:100万地貌图制图规范（试行）》[M].北 京:科学出版社，1987"中指出，位于山地中的平原区域，最小成图面积一般为4km 2;对于长 条状平原区域，最小成图面积可增加至6km2;
[0040] b2)上述面积较小或形状狭长的平原区域反映在二值标注图中表现为突刺状噪声 和孔洞状噪声，所以，根据最小成图面积及DEM数据的格网宽度设计形态学结构元素，利用 开启运算滤除二值标注图中比形态学结构元素小的突刺噪声，同时利用闭合运算填充二值 标注图中比形态学结构元素小的缺口及孔洞，同时保证二值标注图不产生全局几何失真。
[0041] 3)构建盆地的闭合度计算函数，计算二值标注图中每个平原点被其周围山地点包 围的闭合度，选取闭合度大于预设闭合度阈值的平原点作为初选盆地，具体包括以下步骤：
[0042] 刑坤等人在文献"刑坤，付宜利.基于内港区域的港口目标识别[J].电子与信息 学报，2009,31 (6): 1275-1278."中设计了海岸线闭合度计算模型，能够计算海岸线上任意 两点以及它们之间的海岸线共同围成的海域被陆地封闭的程度，借用海岸线闭合度计算模 型构建盆地的闭合度计算模型，具体过程如下：
[0043] 文献"刑坤，付宜利.基于内港区域的港口目标识别[J].电子与信息学报，2009,31 (6):1275-1278."中指出，若?都?」为海岸线上不重合的两点，1?为?^」之间的海岸线，？必 为连接PhPWF形成的线段，S为海洋区域，则海岸线R的闭合度C(i，j)为：
[0044]
[0045] 其中，|R|为海岸线R的长度，|PiPj|为线段PiPj的长度^ CIS为PiPj全部位于海 洋区域内，G 5'为PlPj存在部分或全部位于陆地区域；
[0046] 当平原与山地只有一条交线r时，如图3(a)，直接利用C(i，j)定义求出交线r上闭 合度最大的两点A、B，连接A、B形成线段AB，则线段AB与点A、B之间的交线r AB可围成一个闭合 区域α，设0为闭合区域α的质心，则闭合区域α的闭合度C。为：
[0047]
[0048] 其中，10AI、I OB I和IAB I分别为线段0Α、0Β和0C的长度，Θ为线段〇A与0B的夹角。
[0049] 当平原与山地有两条或两条以上交线时，如图3(b)为例，图中的山地和平原之间 共有三条交线分别为ri、r2和Γ3,每条交线均有两个端点，它们分别为图中的Τιι、Τ?2、Τ2?、 1' 22、1'31和1'32，随机选择两个相邻的端点1'12和1' 21，然后将剩余的端点依次按顺序连接，利用0 (i，j)求出闭合度最大的两点Α、Β，以此类推，依次选取Τ 22和Τ31、Τ32和Τη，求出点C和D、E和F， 连接AB、CD、EF形成如图3(b)中所示的封闭区域β，计算封闭区域β的质心0,那么，线0A与线 0Β、线0C与线0D、线0Ε与线0F形成夹角分别为0 1、02及03，则封闭区域0的闭合度值〇!为36〇-(θι+θ 2+θ3),即：
[0050]
/=2：
[0051] 其中，η为平原与山地交线的条数；
[0052] 从而计算出每个平原被其周围山地包围的闭合度值，选取闭合度大于预设闭合度 阈值TC的平原作为初选盆地；
[0053] 4)在各初选盆地中选取面积大于预设面积阈值ΤΑ且相对高差大于预设相对高差 阈值TD的初选盆地作为最终盆地，得最终盆地标识图。
[0054] 实施例一
[0055] 我国地势西高东低，自西向东地形高度逐级下降，大致可构成三级阶梯，其中，青 藏高原为第一级阶梯，平均海拔4500米以上，高原上横亘着一系列巨大的山脉，山脉间镶嵌 着众多山间盆地;青藏高原的边缘至大兴安岭、太行山、巫山、雪峰山之间为第二级阶梯，主 要由广阔的高原和盆地组成，其间也分布着一系列高大山地。在大兴安岭、太行山、巫山及 雪峰山一线以东，地势降到500米以下，出现了以平原和低山丘陵地貌为主的第三级阶梯。 在这三级阶梯上分布着拥有诸多盆地的省份，例如第一级阶梯上的青海，第二级阶梯上的 新疆及山西等，第三级阶梯上的浙江及福建等，参照图1，分别以青海省、山西省和浙江省 部分地区的STRM-DEM数据为开展实验，实验区域地形属性如表2所示：
[0056] 表2
[0057]
[0058] 旭?斗ν汉明术你、:amti、」共?华保1卞力」：
[0059] 1)提取DEM数据中每个DEM格网点的海拔高度值，并计算各个DEM格网点的地势起 伏度值，依据表1求出数据I、n、m的聚类中心数k分别为12、7、8,初始聚类中心值匕分别如 表3、4、5所不：
[0060]表 3
[0067] 根据聚类中心数k和各类簇的初始聚类中心值Cd^DEM数据进行聚类处理，再将初 始聚类中心值最小的类簇格网点划归为平原地貌，并标记为1，将其它类簇格网点划归为山 地地貌，并标记为〇,形成由平原点和山地点构成的二值标注图；
[0068] 2)利用二值形态学滤除二值标注图中面积及形状小于预设值的平原点，其具体操 作为：
[0069] 鉴于在山地、平原划分过程中，山谷平原往往是长方形区域，所以，以6km2(lkmX 6km)作为独立平原地貌单元的面积阈值;为更好的处理效果，构建宽度为[6000/90」的二值 形态学的结构元素。
[0070] 构建盆地的闭合度计算函数，计算二值标注图中每个平原点被其周围山地点包围 的闭合度，选取闭合度大于预设闭合度阈值的平原点作为初选盆地，具体的：
[0071] 3)通过统计分析我国主要盆地的SRTM-DEM数据后，发现不同区域的盆地在闭合度 上有较大的差别，位于第一级阶梯及二级阶梯上由极高山及高山环抱而成的盆地在闭合度 值上远大于第三地形阶梯上由低山、丘陵环绕的盆地，通过计算得出我国主要盆地中闭合 度最小的为位于浙江省的诸暨盆地，闭合度值为339，因此，以339作为实验时的闭合度阈 值TC。
[0072] 4)选择适当的相对高差阈值TD和盆地面积阈值ΤΑ对初选盆地进一步筛选，得最终 盆地标识图：在面积方面，由于我国不同区域的盆地在面积上差异较大，位于第一级阶梯及 第二级阶梯上由昆仑山、天山、秦岭等极高山、高山环抱而成盆地的面积远大于第三地形阶 梯上由低山、丘陵环绕的盆地。通过统计我国主要盆地区域的STRM-DEM数据，可以得出，在 第一级阶梯及第二级阶梯上，面积最小的盆地为洛阳盆地，其面积为800km 2，在第三级阶梯 上，面积最小的盆地为位于福建省的丹阳盆地，其面积为25km2;考虑到区域差异，若以25km 2 作为盆地面积阈值会将我国第一级阶梯及第二级阶梯上的许多山间谷地误标为盆地，因此 标识我国第一级阶梯及第二级阶梯上盆地时，选取800km 2作为面积阈值，标识第三级阶梯 上的盆地时选取25km2作为盆地面积阈值，在标识时，可以通过初选盆地的海拔及地势起伏 度值确定该区域位于地形阶梯。
[0073] 通过统计分析我国主要盆地地区的SRTM-DEM数据，采用周廷儒等人在文献"周廷 儒，施雅风，陈述彭.中国地形区划草案[M].北京:科学出版社，1956:21 - 56."中所提出的 500m作为相对高差阈值TD。
[0074]图5(a)、6(a)为根据《中国自然地理图集》进行人工标记的结果；图5(b)、6(b)为运 用盆地标识算法得到的实验结果，对比数据I、π、m的比较结果，基本上将所在区域内的盆 地准确、完整的标识出来。在数据m中，a处为新安江，b处为富春江，两处的地貌与盆地非常 相似，因而造成了误标。
【主权项】
1. 一种DEM数据中盆地的自动标识方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 提取DEM数据中每个DEM格网点的海拔高度值，并计算各个DEM格网点的地势起伏度 值，根据每个DEM格网点的海拔高度值及地势起伏度值初判每个DEM格网点的地貌类型归 属，然后根据DEM数据中各DEM格网点的地貌类型归属形成由平原点和山地点构成的二值标 注图； 2) 利用二值形态学滤除二值标注图中面积及形状小于预设值的平原点； 3) 构建盆地的闭合度计算函数，计算二值标注图中每个平原点被其周围山地点包围的 闭合度，选取闭合度大于预设闭合度阈值TC的平原点作为初选盆地； 4) 在各初选盆地中选取面积大于预设面积阈值TA且相对高差大于预设相对高差阈值 TD的初选盆地作为最终盆地，得最终盆地标识图。2. 根据权利要求1所述的DEM数据中盆地的自动标识方法，其特征在于，步骤1)的具体 操作为： al)提取DEM数据中每个DEM格网点的海拔高度值，并计算各个DEM格网点的地势起伏度 值； a2)根据每个DEM格网点的海拔高度值和地势起伏度值初判每个DEM格网点的地貌类型 归属，其中，每种地貌类型对应K-Means算法中的一个类簇，再统计DEM数据的地貌类型个数 k，即聚类中心数为k，然后再计算各种地貌类型中所有DEM格网点的平均海拔及平均地势起 伏度，形成每个类簇的初始聚类中心值G; a3)根据聚类中心数k和各类簇的初始聚类中心值Cd^DEM数据进行聚类处理，再将初始 聚类中心值最小的类簇格网点划归为平原地貌，并标记为1，将其它类簇格网点划归为山地 地貌，并标记为〇,形成由平原点和山地点构成的二值标注图。3. 根据权利要求1所述的DEM数据中盆地的自动标识方法，其特征在于，步骤2)的具体 操作为:设置形态学结构元素，利用开启运算滤除二值标注图中比形态学结构元素小的突 刺噪声，同时利用闭合运算填充二值标注图中比形态学结构元素小的缺口及孔洞。
【文档编号】G06T11/20GK106033618SQ201610348081
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】孔月萍, 刘大维, 万晨, 戚艳军, 毛立栋, 张跃鹏
【申请人】西安建筑科技大学