一种潮沟系统地形识别处理方法与流程

本发明涉及地形数据处理方法，特别是涉及一种潮沟系统地形识别处理方法。

背景技术：

潮滩在中国沿海分布广泛，以江苏沿海的粉砂淤泥质潮滩为例，其潮间带宽度达6-8公里，坡度极缓，仅约为0.1％，滩面沉积物以粉砂、淤泥为主。潮滩上多发育有潮沟系统，潮沟具有变化速度快、摆动幅度大等特点。随着沿海围垦、港口等海岸工程的建设，潮沟系统对于海岸工程建筑物安全的影响引起了越来越广泛的关注，同时，潮滩-潮沟系统是鸟类和海洋生物的重要栖息地，潮滩-潮沟的地貌演变对生态环境保护也尤为重要。因此国内外众多学者对于潮滩-潮沟系统地貌演变开展了大量的研究工作，其方法主要包括现场观测、卫星遥感图像分析、数值模拟等。无论采取怎样的研究方法，均需要提取潮沟，并获取潮沟的形态特征。

为获取潮沟平面和断面形态特征，首先需要分析潮滩地形，识别潮沟系统。由于海岸带地区水位变动频繁，传统识别河网形态的方法无法适用于潮滩-潮沟系统。目前判断潮沟边界的方式大致可分为两种：第一种以平均潮位时潮沟内的水边线作为潮沟边界，此时的水面宽度作为潮沟宽度，水面以下的水流断面作为潮沟断面，该方法多用于潟湖口门处断面的定义；第二种通过潮滩表面高程突降点作为潮沟边界，即以“临界高程值-潮沟平面面积”关系曲线上拐点处的临界高程值作为潮滩-潮沟边界判别标准，该方法多用于范围小且地形平缓的盐沼区域中窄深型潮沟边界的判别。然而上述两种方法不适用于分布范围广阔、且高程变化较大的开敞式海岸(如我国江苏沿海)。因此仍需要一种适用于不同地形地貌情况的潮沟系统识别方法。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的潮沟系统地形识别处理方法。

技术方案：本发明所述的潮沟系统地形识别处理方法，包括以下步骤：

s1：随机选取几处潮沟断面，统计潮沟断面尺寸信息，然后根据统计得到的潮沟断面尺寸信息确定潮沟最小深度、主要潮沟的最小深度、高程比较范围以及高程计算精度，并将潮滩三维地形数据转化成地形数据矩阵的形式；

s2：判断主要潮沟系统：对地形数据矩阵中的各点逐点进行分析，通过对比各点高程与其周围高程平均值的相对关系判断该点是否为主要潮沟内的点，并通过迭代计算潮滩表面高程矩阵以及潮沟平面轮廓矩阵；

s3：判断次级潮沟，具体包括以下步骤：

s31：将步骤s2所得到的潮沟平面轮廓向外扩张一个单位的网格点，作为新一轮高程分析区域的范围；

s32：对扩张后的高程分析区域内的各点高程进行分析：通过对比各点高程与其周围高程平均值的相对关系判断该点是否为潮沟内的点，并通过迭代计算潮滩表面高程矩阵以及潮沟平面轮廓矩阵；

s33：重复步骤s31及步骤s32，直到重复前后的潮沟系统平面面积不再改变则停止迭代，得到最终的潮沟平面轮廓矩阵以及潮滩表面高程矩阵；

s4：计算潮沟深度矩阵：将最终计算得到的潮滩表面高程矩阵与步骤s1中的地形数据矩阵相减，得到潮沟深度矩阵，潮沟深度矩阵中每一点处的数据表示的是该点处的潮沟深度，若某点处的潮沟深度为零，表示该点位于潮沟之外；

s5：确定潮沟中轴线，具体包括以下步骤：

s51：识别潮沟边界：对潮沟平面轮廓矩阵中等于1的点进行分析，若以该点为中心的九宫格内出现了0值，则定义该点为潮沟边界点，并赋值为2；

s52：定义距边界距离矩阵：在潮沟平面轮廓矩阵中，以潮沟边界的点为起点，逐层计算各潮沟内部的点距最近的边界的最短距离，并将该最短距离赋值给该点；

s53：在距边界距离矩阵中逐点搜索，若某点的距边界距离大于其左右或上下两点，则定义该点为潮沟中轴线点；

s6：统计潮沟断面尺寸特征，具体包括以下步骤：

s61：确定各断面潮沟宽度：在潮沟平面轮廓矩阵中，以潮沟中轴线上的各点为圆心做圆，并保证圆的大小刚好不会超出潮沟平面轮廓，以圆的直径作为该断面上的潮沟宽度；

s62：确定各断面潮沟深度、断面面积以及潮沟深泓线：在潮沟深度矩阵中，查找距潮沟中轴线上某点距离最近的潮沟边界上的点，并延长该边界点与该中轴线点的连线使其与另一边界相交，查找交点与该边界点连线上的各点中潮沟深度的最大值，作为该断面的潮沟深度，并将潮沟深度最大的点定义为潮沟深泓线点；潮沟断面面积为该断面边界点连线上的各点潮沟深度乘以网格大小的值的累加值；

s63：定义各断面不对称性：断面上中轴线与深泓线的水平距离的两倍再除以该断面的潮沟宽度，作为该断面的断面不对称指标。

进一步，所述步骤s2中的潮滩表面高程矩阵为所有潮沟填平后的潮滩表面高程矩阵。

进一步，所述步骤s2中各点高程与其周围高程平均值的相对关系是指：该点高程是否低于周围平均潮滩表面高程，且周围平均潮滩表面高程与该点高程之差是否超过主要潮沟的最小深度；若该点同时满足上述两个条件则将该点判断为潮沟内部的点，并用周围平均潮滩表面高程作为该点的潮滩表面高程，否则保留原有的滩面高程。

进一步，所述步骤s2中迭代计算是指：每一次计算各点周围平均高程时使用的高程数据为上一次计算得到的潮滩表面高程，使潮沟内的表面高程不断趋近于周围潮滩高程，直到某次迭代前后的潮滩表面高程的最大变化量小于高程计算精度时停止迭代。

进一步，所述步骤s31中高程分析区域的范围包括上一步中识别出的位于潮沟内部的网格点，以及与这些点相接触的潮沟外侧的网格点。

进一步，所述步骤s32中各点高程与其周围高程平均值的相对关系是指：该点高程是否低于周围平均潮滩表面高程，且周围平均潮滩表面高程与该点高程之差是否超过潮沟最小深度；若该点同时满足上述两个条件则将该点判断为潮沟内部的点，并用周围平均潮滩表面高程作为该点的潮滩表面高程，否则保留原有的滩面高程。

进一步，所述步骤s32中迭代计算是指：每一次计算各点周围平均高程时使用的高程数据为上一次计算得到的潮滩表面高程，使潮沟内的表面高程不断趋近于周围潮滩高程，直到某次迭代前后的潮滩表面高程的最大变化量小于高程计算精度时停止迭代。

进一步，所述步骤s2中周围高程平均值是指：两倍高程比较范围内的平均潮滩表面高程值。

进一步，所述步骤s31中周围高程平均值是指：高程比较范围内的平均潮滩表面高程值。

有益效果：本发明公开了一种潮沟系统地形识别处理方法，在地形识别时通过对比某点附近的地形平均高程判断该点是否位于潮沟内部，适用于地形起伏较大的潮滩情况，能够准确的识别潮沟轮廓，并保留潮沟系统原有形态；首先识别规模较大的主要潮沟，并在此基础上逐步扩大判别范围，填充整个潮沟系统，保证了规模较小的次级潮沟的识别精度，同时避免了潮滩坑洼对识别结果的影响；本发明同时适用于河网地形的分析和提取。

附图说明

图1为根据本具体实施方式进行潮滩-潮沟系统识别并提取潮沟形态参数的流程图；

图2为本具体实施方式中潮滩高程图；

图3为通过迭代计算潮滩表面高程的二维示意图；

图4为本具体实施方式中主要潮沟平面轮廓图；

图5为本具体实施方式中完整的潮沟系统平面轮廓；

图6为本具体实施方式中潮沟深度分布图；

图7为潮沟中轴线、深泓线、潮沟宽度、潮沟深度示意图。

具体实施方式

本具体实施方式公开了一种潮沟系统地形识别处理方法，下面采用该方法处理通过无人机测量得到的地形数据，测量区域为江苏省斗龙港附近现场潮滩-潮沟系统，所测地区范围较广，滩面自陆向海具有一定坡度，且局部地区存在坑洼。

如图1所示，本方法包括以下步骤：

s1：通过arcgis软件在该潮滩上随机选取几处潮沟断面，统计潮沟断面尺寸信息，包括断面宽度、深度的平均值以及大致变化范围，然后根据统计得到的潮沟断面尺寸信息确定潮沟最小深度0.04m、主要潮沟的最小深度0.2m、高程比较范围10m以及高程计算精度0.01m，并通过arcgis软件将潮滩三维地形数据转化成地形数据矩阵的形式。如图2所示为本实施例中潮滩高程图；其中所述主要潮沟的最小深度值是指：潮沟系统中规模较大的潮沟的最小深度，该最小深度应大于潮滩表面坑洼的深度；所述高程比较范围是指：为确定某点是否处于潮沟内部，需要将该点高程与该点周围一定范围内的平均高程进行对比，该范围命名为高程比较范围。

s2：判断主要潮沟系统：对地形数据矩阵的各点逐点进行分析，计算以各点为中心，两倍高程比较范围(20m)内的平均高程值，并与该点高程进行对比，若该点高程低于周围平均高程，且周围平均高程与该点高程之差超过主要潮沟的最小深度0.2m，则将该点判断为主要潮沟内部的点，在潮沟平面轮廓矩阵中对该点赋值为1，并用计算得到的周围平均高程作为该点的潮滩表面高程，否则保留原有的滩面高程；整个潮滩上所有点全部分析完毕之后，得到第一次计算后整个范围上的潮滩表面高程，然后进行下一次迭代，但计算周围平均高程时使用的高程数据为上一次计算得到的潮滩表面高程，使潮沟内的表面高程不断趋近于周围潮滩高程，直到某次迭代前后的潮滩表面高程的最大变化量小于高程计算精度0.01m时，停止迭代，得到潮滩表面高程矩阵以及主要潮沟平面轮廓矩阵，如图3所示为通过迭代计算潮滩表面高程的二维示意图，如图4所示为本实施例主要潮沟平面轮廓图。

s3：判断次级潮沟，具体包括以下步骤：

s31：将步骤s2所得到的潮沟平面轮廓向外扩张一个单位的网格点，作为新一轮高程分析区域的范围：扩张后的高程分析区域包括上一步中识别出的位于潮沟内部的网格点、以及与这些点相接触的潮沟外侧的网格点；

s32：对扩张后的高程分析区域内的各点高程进行分析：计算各点高程比较范围(10m)内的平均潮滩表面高程，并与该点高程进行对比，若该点高程低于周围平均潮滩表面高程，且周围平均潮滩表面高程与该点高程之差超过潮沟最小深度0.04m，则将该点判断为潮沟内部的点，在潮沟平面轮廓矩阵中对该点赋值为1，并用周围平均潮滩表面高程作为该点的潮滩表面高程，否则保留原有的滩面高程；然后不断迭代，每次迭代使用的高程数据为上一次计算得到的潮滩表面高程，直到某次迭代前后的潮滩表面高程的最大变化量小于高程计算精度0.01m时，停止本轮迭代，得到潮滩表面高程矩阵，并计算潮沟系统平面面积；

s33：重复步骤s31及步骤s32，直到重复前后的潮沟系统平面面积不再改变则停止迭代，得到最终的潮沟平面轮廓矩阵以及潮滩表面高程矩阵，如图5所示为本实施例完整的潮沟系统平面轮廓；

s4：计算潮沟深度矩阵：将最终计算得到的潮滩表面高程矩阵与步骤s1中的地形数据矩阵相减，得到潮沟深度矩阵，潮沟深度矩阵中每一点处的数据表示的是该点处的潮沟深度，若某点处的潮沟深度为零，表示该点位于潮沟之外，如图6所示为本实施例潮沟深度分布图；

s5：确定潮沟中轴线，具体包括以下步骤：

s51：识别潮沟边界：对潮沟平面轮廓矩阵中等于1的点进行分析，若以该点为中心的九宫格内出现了0值，则定义该点为潮沟边界点，并赋值为2；

s52：定义距边界距离矩阵：在潮沟平面轮廓矩阵中，以潮沟边界的点为起点，逐层计算各潮沟内部的点距最近的边界的最短距离，并将该最短距离赋值给该点；

s53：在距边界距离矩阵中逐点搜索，若某点的距边界距离大于其左右或上下两点，则定义该点为潮沟中轴线点；

s6：统计潮沟断面尺寸特征，具体包括以下步骤：

s61：确定各断面潮沟宽度：在潮沟平面轮廓矩阵中，以潮沟中轴线上的各点为圆心做圆，并保证圆的大小刚好不会超出潮沟平面轮廓，以圆的直径作为该断面上的潮沟宽度；

s62：确定各断面潮沟深度、断面面积以及潮沟深泓线：在潮沟深度矩阵中，查找距潮沟中轴线上某点距离最近的潮沟边界上的点，并延长该边界点与该中轴线点的连线使其与另一边界相交，查找交点与该边界点连线上的各点中潮沟深度的最大值，作为该断面的潮沟深度，并将潮沟深度最大的点定义为潮沟深泓线点；潮沟断面面积为该断面边界点连线上的各点潮沟深度乘以网格大小的值的累加值；

s63：定义各断面不对称性：断面上中轴线与深泓线的水平距离的两倍再除以该断面的潮沟宽度，作为该断面的断面不对称指标。

本方法能够准确识别潮沟形态，判断潮沟边界范围，提取潮沟断面信息；在地形识别时通过对比某点附近的地形平均高程判断该点是否位于潮沟内部，具有更高的适用性，能够适用于地形起伏较大的潮滩情况；本方法首先识别规模较大的主要潮沟，并在此基础上逐步扩大判别范围，填充整个潮沟系统，保证了规模较小的次级潮沟的识别精度，同时避免了潮滩坑洼对识别结果的影响；本方法同时适用于河网地形的分析和提取。