一种地势起伏度最优统计单元的获取方法与流程

本发明涉及地貌及地质工程领域，具体涉及一种地势起伏度最优统计单元的获取方法。

背景技术：

地势起伏度是地貌学中描述地貌形态的重要指标，反映地表起伏变化。地势起伏度是地质构造与地表剥蚀过程相互作用的结果，常常被应用于造山带、高原山脉等发育演化特征和区域水土流失评价的研究，也是区域地貌对比研究和地貌类型划分的客观依据，另有研究表明地形起伏度和滑坡灾害的发生也存在很大的相关性。地势起伏度的计算关键在于统计单元的选择，也就是定义所指的某一确定面积的值，亦即该确定面积有多大，才能恰到好处地反映山体的完整性，并具有一定范围内较强的代表性，亦即普适性。

利用数字高程模型(DEM)进行地形起伏度的提取与分析，是获取所需地表信息的快速有效手段。目前，利用DEM对小范围地形起伏度提取方面的研究较多，但对中国这样大范围的地形起伏度提取的研究还很少，已有研究大多基于地形数据采集样点或样区进行分析，其地形起伏度最优统计单元的确定方法比较主观，后期提出的均值变点分析法与实际验证较弱，准确度有待验证。此外，目前常用的四种确定最优统计单元的计算模型(人工作图法、最大高差法、模糊数学法、均值变点分析法)是在两种研究思路下提出的，计算得到的最优统计单元有时不一致，给地貌学和灾害学的深入研究造成了一定的困扰。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供的一种地势起伏度最优统计单元的获取方法，该方法快速有 效，且实现了与相关国家统计数据和其他权威数据的对比验证，使得计算结果更加准确；同时可以用于其他宏观地形因子最优统计单元的确定；提高了造山带、高原山脉等发育演化特征和区域水土流失、滑坡等地质灾害评价的准确性；为地质灾害的防治及灾后措施的选取提供了可靠且准确的依据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种地势起伏度最优统计单元的获取方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1.对DEM数据进行处理，提取得到不同统计单元下的地势起伏度值；

步骤2.选取地势起伏度的因变量和拟合模型；

步骤3.确定最优统计单元的范围；

步骤4.在所述统计单元的范围内进行起伏度分类及分析，确定所述地势起伏度的所述最优统计单元。

优选的，所述步骤1包括：

1-1.根据DEM数据的实际分辨率，进行重采样预处理，得到地面高程分布图；

1-2.在GIS中采用邻域分析法，选取矩形统计窗口，提取不同所述矩形统计窗口下的地势起伏度值；

所述地势起伏度值包括最大起伏度、平均起伏度、最高频数起伏度及最高起伏度频数。

优选的，所述步骤2包括：

2-1.根据所述地势起伏度值，统计各个统计单元与最大起伏度、平均起伏度、最高频数起伏度和最高起伏度频数的对应关系；

2-2.拟合起伏度信息随单元面积的变化规律，得到所述各个地势起伏度值与所述统计单元的拟合模型；

2-3.统计各个所述拟合模型和所述地势起伏度因变量组合的决定系数；

2-4.选取所述决定系数中最大的决定系数对应的所述拟合模型和因变量的组合。

优选的，所述步骤3包括：

3-1.在选取出的所述拟合模型和因变量的组合中，绘制其因变量数据随单元面积的变化曲线；

3-2.在所述变化曲线中，将所述因变量的变化拐点至稳定点之间的范围作为最优统计单元的确定范围。

优选的，所述步骤4包括：

4-1.在所述最优统计单元的确定范围内对各个所述统计单元进行起伏度分类及基本地貌形态分类；

4-2.将各个所述统计单元下的所述起伏度分类及基本地貌形态分类数据建为数组序列；

其中，一个所述统计单元对应一个数组Ai；将国家统计数据或权威数据建立为对应的数组序列B；

4-3.分析各个所述Ai与B的相关性，统计其相关系数和显著性指数；

4-4.选取所述相关系数及显著性指数最高的所述统计单元作为研究区地势起伏度的所述最优统计单元。

优选的，所述4-1中的所述起伏度分类的分类原则为：

平坦起伏类：0～20m；

微起伏类：20～75m；

小起伏类：75～200m；

中起伏类：200～600m；

大起伏类：600～900m；

巨起伏类：900～1200m；

宏起伏类：＞1200m。

优选的，所述4-1中的所述基本地貌形态分类的分类原则为：

平原高原类：>0且<30m；

丘陵类：30～200m；

山地类：>200m。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种地势起伏度最优统计单元的获取方法，通过对DEM数据进行处理，提取得到不同统计单元下的地势起伏度值；选取地势起伏度的因变量和拟合模型；确定最优统计单元的范围；在统计单元的范围内进行起伏度分类及分析，确定地势起伏度的最优统计单元。本发明提出的方法快速有效，且实现了与相关国家统计数据和其他权威数据的对比验证，使得计算结果更加准确；同时可以用于其他宏观地形因子最优统计单元的确定；提高了造山带、高原山脉等发育演化特征和区域水土流失、滑坡等地质灾害评价的准确性；为地质灾害的防治及灾后措施的选取提供了可靠且准确的依据。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案中，利用数字高程模型(DEM)进行地势起伏度的提取与分析，比传统手段更加快速有效。

2、本发明所提供的技术方案，参考了已有方法的优点，同时实现了与相关国家统计数据和其他权威数据的对比验证，使得计算结果更加准确。

3、本发明所提供的技术方案，不仅可以用于地势起伏度最优统计单元的确定，而且可以用于其他宏观地形因子最优统计单元的确定。

4、本发明所提供的技术方案，提高了造山带、高原山脉等发育演化特征和区域水土流失、滑坡等地质灾害评价的准确性；为地质灾害的防治及灾后措施的选取提供了可靠且准确的依据。

5、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种地势起伏度最优统计单元的获取方法的流程图；

图2是本发明的获取方法中的步骤1的流程图；

图3是本发明的获取方法中的步骤2的流程图；

图4是本发明的获取方法中的步骤3的流程图；

图5是本发明的获取方法中的步骤4的流程图；

图6是本发明的一种地势起伏度最优统计单元的获取方法的具体应用例中的最优单元范围划定示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种地势起伏度最优统计单元的获取方法，包括如下步骤：

步骤1.对DEM数据进行处理，提取得到不同统计单元下的地势起伏度值；

步骤2.选取地势起伏度的因变量和拟合模型；

步骤3.确定最优统计单元的范围；

步骤4.在统计单元的范围内进行起伏度分类及分析，确定地势起伏度的最优统计单元。

如图2所示，步骤1包括：

1-1.根据DEM数据的实际分辨率，进行重采样预处理，得到地面高程分布图；

1-2.在GIS中采用邻域分析法，选取矩形统计窗口，提取不同矩形统计窗口下的地势起伏度值；

地势起伏度值包括最大起伏度、平均起伏度、最高频数起伏度及最高起伏度频数。

如图3所示，步骤2包括：

2-1.根据地势起伏度值，统计各个统计单元与最大起伏度、平均起伏度、最高频数起伏度和最高起伏度频数的对应关系；

2-2.拟合起伏度信息随单元面积的变化规律，得到各个地势起伏度值与统计单元的拟合模型；

2-3.统计各个拟合模型和地势起伏度因变量组合的决定系数；

2-4.选取决定系数中最大的决定系数对应的拟合模型和因变量的组合。

如图4所示，步骤3包括：

3-1.在选取出的拟合模型和因变量的组合中，绘制其因变量数据随单元面积的变化曲线；

3-2.在变化曲线中，将因变量的变化拐点至稳定点之间的范围作为最优统计单元的确定范围。

如图5所示，步骤4包括：

4-1.在最优统计单元的确定范围内对各个统计单元进行起伏度分类及基本地貌形态分类；

4-2.将各个统计单元下的起伏度分类及基本地貌形态分类数据建为数组序列；

其中，一个统计单元对应一个数组Ai；将国家统计数据或权威数据建立为对应的数组序列B；

4-3.分析各个Ai与B的相关性，统计其相关系数和显著性指数；

4-4.选取相关系数及显著性指数最高的统计单元作为研究区地势起伏度的最优统计单元。

其中，4-1中的起伏度分类的分类原则为：

平坦起伏类：0～20m；

微起伏类：20～75m；

小起伏类：75～200m；

中起伏类：200～600m；

大起伏类：600～900m；

巨起伏类：900～1200m；

宏起伏类：＞1200m。

其中，4-1中的基本地貌形态分类的分类原则为：

平原高原类：>0且<30m；

丘陵类：30～200m；

山地类：>200m。

如图6所示，本发明提供一种地势起伏度最优统计单元的获取方法的具体应用例，包括如下步骤：

1.DEM数据处理。主要包括以下两步：

1)重采样：根据DEM数据的实际分辨率，进行重采样预处理，得到地面高程分布图。

2)提取地势起伏度：利用GIS，采用邻域分析法，选取矩形统计窗口，提取不同统计窗口下的地势起伏度值(最大起伏度、平均起伏度、最高频数起伏度和最高起伏度 频数)，如表1：

表1统计单元与地势起伏度对应关系

2.因变量和拟合模型选取。根据得到的地势起伏度值，进行不同统计单元与最大起伏度、平均起伏度、最高频数起伏度和最高起伏度频数等数据的对应关系的统计。然后，运用统计工具拟合起伏度信息随单元面积的变化规律，统计各模型和因变量组合的决定系数，确定拟合效果最好(决定系数最高)的因变量和拟合模型组合。如表2：

表2不同拟合模型对因变量拟合结果(决定系数R²>0.9)的对比

3.最优单元范围划定。选取决定系数最高的模型和因变量组合，根据其因变量数据随单元面积的变化曲线，将因变量变化拐点至稳定点作为最优统计单元研究的范围。如图6所示。

4.最优单元点确定。

1)对不同统计单元计算得到的地势起伏度，按照：平坦起伏(0～20m)、微起伏(20～75m)、小起伏(75～200m)、中起伏(200～600m)、大起伏(600～900m)、巨起伏(900～1200m)和宏起伏(＞1200m)进行起伏度分类；并按照：平原高原(<30m)、丘陵(30～200m)和山地(>200m)进行基本地貌形态分类。分类示意如表3至5：

表3地势起伏度分类方案

表4基本地貌类型简单划分

表5不同统计单元计算结果分类

2)将不同统计单元下的起伏度和地貌分类数据建立数组序列(一个统计单元对应一个数组)记为Ai；将国家统计数据或其他权威数据建立对应的数组序列记为B。如表6所示：其中Ai表示各统计单元按照表5建立的结果序列，B为对国家统计数据或其他权威数据建立的序列。

表6 A_i与B的相关性分析

3)分析各Ai与B的相关性，统计其相关系数和显著性指数，示意结果如表6，选取相关系数最高的单元作为研究区地势起伏度的最优统计单元。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。