一种河流特征分类数据的处理方法
【专利摘要】本发明属于地理空间与数据分析技术领域，具体涉及一种河流特征分类数据的处理方法，首先收集卫星拍摄的河流空间分布影像数据，根据对河流的干扰程度将河流分为天然河流和非天然河流特征信息，将河流的特征信息通过河流的地物形状、色调和纹理结构差异构建地物遥感解译标志；其次，根据构建地物遥感解译标志对河流的结构断点进行识别，并对河流结构断点分割的河段进行封闭度、蜿蜒度、河床底质分别计算；基于河床底质类型指标对河流进行分类以及基于河床地貌单元指标，确定河流类型，调整河流类型边界线，并将相连的同类型河段合并，建立河流类型树，大大缩减了河流分类的工作量，提升了河流分类数据处理的速度。
【专利说明】
-种河流特征分类数据的处理方法
技术领域
[0001] 本发明属于地理空间与数据分析技术领域，具体设及一种河流特征分类数据的处 理方法。
【背景技术】
[0002] 国内河流分类(分段)主要采用单因子来分类，例如按照河流补给条件、平面形态、 河流归宿、流经国家、含沙量等分类。运些分类方法仅反映了河流某一侧面，难W有效综合 区分复杂河流系统等在河道模式、河床底质或运动性、泥沙传输机制、坡度和河谷等多个方 面的差异，难W满足复杂的河流管理需要，常用作河流简单的归类和主要特征的描述。国外 主流的考虑多因子河流分类主要有Rosgen分类法、Brierley-Rryirs分类法。Rosgen河流分 类主要用于河流规划与设计，需要进行场地精细刻画，工作量很大，未考虑河床地貌单元、 栖息地等因素，而且经常遇到难W确定平滩流规模和河床底质主要类型等问题。Brierley- Fryirs分类偏向于溪流河流分类，未考虑人类活动影响，分类过程比较复杂且对工作人员 要求较高，参考状态难W获得。因此，河流特征数据分类集成各种干扰情势下结构和功能特 征，传递河道内控制和响应机制信息，要W最快的速度完成分类和分类数据处理，是一个高 强度的工作，因此，急需在研究前人分类研究的基础上，建立一个快速的河流特征数据处理 方法，W反映河流结构差异为河流管理服务。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的为解决现有技术的上述问题，针对上述存在的不足，本发明提供了 一种河流特征分类数据的处理方法，本发明大大缩减河流分类数据工作量、提升河流特征 分类数据处理的速度，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0004] -种河流特征分类数据的处理方法，其特征在于，包括W下步骤：
[0005] 步骤一:收集流域卫星遥感影像空间数据，通过河流的地物形状、色调和纹理结构 差异构建地物遥感解译标志；
[0006] 步骤二:收集流域DEM数据，通过ArcGIS软件分析提取河网和划分集水面；
[0007] 步骤根据地物遥感解译标志对流域DEM、河网水系，识别高程、封闭度、婉艇度、 水流交汇特征、人工水利工程形成的河流结构断点进行分类处理；
[000引步骤四：依据解译的水利工程分布，按照对河流的干扰程度将河流分为天然河流 和非天然河流特征信息；
[0009] 步骤五:在河流结构断点分割的河段单元上，识别引起河流结构特征发生变化的 地貌断点;依据河流结构断点分割的河段上
[0010] 步骤六:在河流结构断点分段的河段上，分段逐层识别封闭度、婉艇度、河床底质 特征类型指标与级别，并确定河流类型;并计算封闭度用于确定河流封闭等级；
[0011] 步骤屯:调整河流类型边界线，并将前后相连的同类型河段合并，再按照河流类型 顺序构建流域河流类型树。
[0012 ]优选地，所述步骤一中收集流域卫星遥感影像空间数据包括流域DEM数据、高分辨 率遥感影像、地质图、水系图、水文站点图、气象站点图、±地利用图、行政区单元空间数据， 并对空间数据进行格式转换、校正、配准、裁剪、关联W及建库处理。
[0013] 优选地，所述地物遥感解译标志根据地物类别的形状差异建立解译标志，所述地 物类别分为天然河流单元、河道个数单元、水库单元、沟渠单元和耕地单元。
[0014] 优选地，所述步骤Ξ中的识别高程通过GIS空间分析功能，建立流域空间Ξ维视 图，W识别高程下降趋势中的睹坎、趋势变化点、开阔点和封闭度断点。
[0015] 优选地，所述步骤六中所述步骤六中的计算封闭度计算满足:Cl = Vw/Cw，其中，Cl 表示封闭度，Vw表示河谷底宽度，Cm表示满槽河道宽度，所述婉艇度计算满足:S = k/Lv，其 中，S表示婉艇度，以表示河流长度，Lv表示河谷长度。
[0016] 优选地，所述步骤五中河流结构断点分段情况是通过选择和获取适于遥感影像和 DEM数据的尺度和分辨率，然后通过ArcGIS软件进行识别并将结构断点将河网水系打断，W 打断的河段作为分类处理的基本单元，进行识别引起河流结构特征发生变化的地貌断点。
[0017] 优选地，所述呢Μ数据为10-90m分辨率或0.5-3m分辨率的激光雷达数据。
[0018] 优选地，所述河床底质特征根据粒径大小进行分类，主要包括水流形态和河床地 貌单元特征。
[0019] 优选地，所述河床地质特征根据粒径化0大小的取值计算为基岩(be化ock)、漂石 (boulder)、卵石（cobble)、碱石（gravel)、沙粒（sand)、粉砂（siIt)或黏粒（clay)中的一 种。
[0020] 综上所述，本发明由于采用了上述技术方案，本发明具有W下有益效果:本发明从 河流结构特征入手，集成各种干扰情势下结构和功能特征，传递河流内控制和响应机制信 息，能满足多个目的和适应所有的河流类型，将河流干扰程度、封闭度、婉艇度等数据进行 分析和处理，使其更加适用于目前已普遍遭受人类活动干扰的河流，大大缩减了河流分类 的工作量，提升了河流分类数据处理的速度。
【附图说明】
[0021] 为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现 有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可W根据运些附 图获得其他的附图。
[0022] 图1是本发明一种河流特征分类数据的处理方法的流程图。
[0023] 图2是本发明的估算河谷谷底宽度示意图。
[0024] 图3是本发明的河流封闭度断点示意图。
[0025] 图4是本发明的高程变化曲线示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合本发明实例中的附图，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。基于发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
[0027] -种河流特征分类数据的处理方法，包括W下步骤：
[00%]步骤一:收集流域卫星遥感影像空间数据，通过河流的地物形状、色调和纹理结构 差异构建地物遥感解译标志；收集卫星拍摄的河流流域空间分布影像数据包括流域DEM数 据、高分辨率遥感影像、地质图、水系图、水文站点图、气象站点图、±地利用图、行政区等空 间数据，并将空间数据进行格式转换、校正、配准、裁剪、关联W及建库处理。所述地物遥感 解译标志根据地物类别的形状差异建立解译标志，所述地物类别包括天然河流、河道个数、 水库、沟渠、耕地、林地、草地和居民点等。
[0029] 在本发明实施例中，地物遥感解译标志是分类过程中判别地物的标准，主要根据 地物的形状、色调和纹理结构差异来识别。在仅考虑形状差异的情况下也可W识别地物，依 据地物形状差异，建立与河流相关的地物遥感解译标志表(如表1所示）。针对具体的河流区 域，可W根据遥感影像格式W及卫星波段组合对表1进行细化。同时还收集流域内水量、泥 沙、降水、溫度等，分析流域径流、泥沙、降水、溫度等时空变化特征，建立流域背景认识。
[0030] 表1:河流分类相关地物遥感解译标志
[0031]
[0032] 步骤二:收集流域DEM数据(数字高程模型数据:Digital Elevation Model数据）， 通过ArcGIS软件分析提取河网和划分集水面;基于流域DEM数据，利用ArcGIS表面分析工 具，进行坡度、坡向分析，提取河谷谷底线，并利用测量工具测量河谷谷底宽度和河道宽度， 如图2所示，估算河谷对河流的限制程度，基于多光谱高分辨率遥感影像，使用ERDAS、ENVI 等遥感处理软件进行遥感解译；
[0033] 步骤根据地物遥感解译标志对流域DEM、河网水系，识别高程、封闭度、婉艇度、 水流交汇特征、人工水利工程形成的河流结构断点进行分类处理;识别高程通过GIS空间分 析功能，建立流域空间Ξ维视图，W识别高程下降趋势中的睹坎、趋势变化点，标称为高程 断点，如图3所示；W及解译河谷开阔点和封闭度断点，标示为河流封闭度断点，如图4所示；
[0034] 步骤四：依据解译的水利工程分布，按照对河流的干扰程度将河流结构特征分为 第一级，所划分的第一河流等级为天然河流和非天然河流特征信息；
[0035] 步骤五:在河流结构断点分割的河段单元上，识别引起河流结构特征发生变化的 地貌断点；
[0036] 步骤六:依据河流结构断点分段情况，分段逐层识别封闭度、婉艇度、河床底质特 征，并计算封闭度用于确定河流封闭等级，再依次划分河流类型;如图1所示，通过分段逐层 识别与计算封闭度、婉艇度将河流结构特征划分为第二级、第Ξ等级，在第Ξ级分类结果的 基础上按照巧巾河床底质类型，进一步细分为第四级、第五级；
[0037] 步骤屯:调整河流类型边界线，并将相连的同类型河段合并，再按照河流类型顺序 构建流域河流类型树。本发明中将相连的同类型河段的长度利用ArcGIS编辑工具的Merge 方法进行合并，按照流域河网汇流顺序，从上游到下游按照河流类型顺序构建流域河流类 型树；
[003引在本发明中，如图1所示，所述封闭度的计算满足:Cl = Vw/Cw，其中，C康示封闭度， Vw表示河谷底宽度，Cm表示满槽河道宽度，所述婉艇度计算满足:S = k/Lv，其中，S表示婉艇 度，心表示河流长度，Lv表示河谷长度。按照人类活动影响将河段分为天然河段和非天然河 段的第一级分类，在第一级分类的基础上再根据封闭度指标将天然河段分成限制河谷背 景、部分限制河谷背景和无限制河谷背景Ξ类，按照化<2,天然河段为限制河谷背景，CL = 2-4天然河段为部分限制河谷背景，CLM，天然河段为无限制河谷背景，在第二分类的基础 上，再依据婉艇度对河段进行细分的第Ξ级分类，当S<1.2,属于低婉艇度，当S=l. 2-1.4 时，属于中婉艇度，当S〉l.4时，属于高婉艇度，在第Ξ级分类的基础上，再根据河流河床底 质进行第四级分类，所述河床底质包括基岩、漂石、卵石、碱石、沙粒、粉砂、黏粒。根据封闭 度计算公式或在ArcGIS中对比河谷谷底宽度和河道宽度，估算河谷对河流的限制程度，确 定封闭度等级，划分河流类型。
[0039] 在本发明中，W河流结构断点分割的河段为单元，识别引起河流结构特征发生变 化的地貌断点；而流结构断点分段情况是通过选择和获取适于遥感影像和抓Μ数据的尺度 和分辨率，然后通过ArcGIS软件进行识别并将结构断点将河网水系打断，W打断的河段作 为分类处理的基本单元，根据河网水系空间数据，在河流交汇处将河网打断，标记为交汇断 点，如图3所示，通盘解译遥感影像，识别水库、沟渠、渠道化等水利工程，沿起止断面打断河 网，标记为水利工程断点，进行识别引起河流结构特征发生变化的地貌断点，所述抓Μ数据 为10-90m分辨率或0.5-3m分辨率的激光雷达数据，结构断点的选择结果会受DEM和遥感影 像的数据精度影响。河流婉艇度的识别依赖于遥感数据的分辨率。因此，需要在精度与数据 获取成本之间做好权衡。在不同尺度上平面形态的差异体现在地图比例尺的选择上，比例 尺和遥感影像或分辨率之间存在内在的联系（如表2所示）。在具体河流分类时，根据河 流区域大小，先行确定空间数据的比例尺范围，然后依据表2择相应的遥感分辨率，分辨率 大小对地物识别的影响具有两面性，并不是精度越高分类的精度就越高，需要结合解译地 物灵活处理。
[0040] 表2:比例尺与影像地面分辨率的对应关系
[0042] 在本发明中，所述河床底质特征根据粒径大小主要分成屯种类型，如表3所示，主 要包括水流形态和河床地貌单元特征。河床底质特征包括水流形态和河床地貌单元。常见 的水流形态有瀑布（waterfall )、小瀑布（cascade )、深槽（pool)、浅滩（riffle)、跌水 (3169/。111116)、急流（'日91(1)、平流（1'11]1)、死水（(16日(1*日161')、滑水（旨11(16)、回流 (recalculating flow)、渗透流(percolating flow)等。河流地貌单元划分主要依据河床 的深浅、结构、形态等进行划分，常见的河床地貌单元有深槽、壶穴、岩槛、石质深槽、瀑布、 浅滩、边滩、屯、滩、江屯、洲、凸岸边滩、河漫滩、纵向沙堤等，他们常组合出现，取其中的2-4种 进行组合划分，比如深潭、浅滩就是根据深浅划分，壶穴、岩槛根据结构划分。
[0043] 表3:河床底质类型分级表
[0044]
[0045] 本发明中，将相连的同类型河段的长度利用ArcGIS编辑工具的Merge方法进行合 并，按照流域河网汇流顺序，从上游到下游按照河流类型顺序构建流域河流类型树，主要通 过W下数学模型进行建立分类模型，若河流是n(n>l)个河段构成的有穷集合，可W表示 为：
[0046] R={Ri，化，Κ3，···，Κη};
[0047] 对于R中的任意河段Ri，具有属性集D;
[004引令D={Dl，化，03,04,05，化}瓜表示为河流的各项属性特征值，各特征值含义及取 值范围如下：
[0049] Di:是否为天然河流，取值为是、否，即：
[00加]〇1居{是，否} = {dii,di2};
[0051] 表示河流封闭度，取值为限制、部分限制和无限制，即Dse {<1.2,1.2~1.4，〉 1.4} = {d21,d22,d23}；
[0052] 〇3:表示是否为连续河道，则，
[0化3]化e{无 I不连续河道，连续河道} = {d31，d32};
[0054] 〇4:表示河流婉艇度:〇4 e {< 1.2，1.2~1.4，〉1.4} = {cUi，d42，d43};
[0化5] D日:表示河床底质：
[0056] D日e堪岩，漂石，卵石，碱石，砂粒，粉砂} = {d日1，d日2，d日3，d日4，d日日，dss};
[0057] 〇6 :表示河流地貌类型:〇6 e {d61，d62，...，d6n}，n为有限个；
[005引判断一次输入的化、02、03、04、05、06，依次判断(11属于哪个集合，具体步骤如下：
[0059] (1)、判断Di，分析人类活动影响程度，如Di =山2，为非天然河流;如Di =山1，为天然 河流，转入判断化；
[0060] (2)、判断化，如河流为天然河流，即Di = dii，则判断其封闭度取值，有如下Ξ种情 况：dll η cbi，dll η d22，山1 η d23;
[0061] (3)、判断化，特别地有对于无限制河流，我们才判断其是否有连续河道，即必须是 在dll η d23条件下，存在两种情况dll η d23 η d3i，dll η d23 η d32;
[0062] (4)、判断〇4,对于封闭度小于4的河流，根据婉艇度大小，又可划分为如下几种情 况：
[0063] dll Π cbi Π cUidii Π cbi Π cUsdii Π cbi Π d43;
[0064] dll Π d22 Π cUidii Π d22 Π cUsdii Π d22 Π d43;
[0065] 而对于封闭度大于4的无限制河流，如为连续河道，才判断其婉艇度，而不连续河 道，不存在婉艇度属性，即：山1 Π d23 Π d32 Π (Uldll Π d23 Π d32 Π d42dll Π d23 Π d32 Π d43;
[0066] (5)、判断化，对每种河流，均具有河床底质属性。不同的河床底质，可代表不同的 分类规则，存在：
[0067]
[006引（6)、判断化，在河床底质的基础上，判断河流的地貌类型，令Uf=id6康示各个河 流地貌，则：
[0074]最终得到了如下的结果，只用各种河床底质(代表六大类河床底质）W及各地貌类 型(代表有限η个地貌类型）：
[00对①、非天然河流= d{Dl|Dl = dl2}
[0076] ②、天然的具有限制的、高婉艇度的各种河床底质及地貌单元集合：
[0077] {dll，d21，d43，D5，D6};
[0078] ③、天然具有限制的、中婉艇度各种河床底质及地貌单元集合：
[0079] {dll，d21，d42，D5，D6};
[0080] ④、天然的具有限制的、低婉艇度河流：
[0081] {dll，d21，d41，D5，D6};
[0082] ⑤、天然具有部分限制的、高婉艇度各河床底质及地貌：
[0083] {dll，d22，d43，D5，D6};
[0084] 天然具有部分限制的、中婉艇度各河床底质及地貌：
[00 化]{dll，d22，d42，D5，D6};
[0086] 天然具有部分限制的、低婉艇度各河床底质及地貌：
[0087] {dll，d22，d41，D5，D6};
[0088] ⑥、天然具有无限制的各河床底质及地貌，不连续河道：
[0089] {dll，d23，d31，D5，D6};
[0090] 天然具有无限制的、各河床底质及地貌，连续河道高婉艇度：
[0091] {dii，d23，d32，D5，D6};
[0092] 天然具有无限制的、各河床底质及各地貌，连续河道中婉艇度：
[0093] {dii，d23，d32，d42，D5，D6};
[0094] 天然具有无限制的、各河床底质及地貌，连续河道低婉艇度：
[0095] {dll，d23，d32，d41，D5，D6};
[0096] W上规则对河流特征数据进行了聚合，将相同相似的河流段聚为一类，可为河流 分类、分析与研究等提供基本类型单元。
[0097] W上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精神 和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种河流特征分类数据的处理方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一：收集流域卫星遥感影像空间数据，通过河流的地物形状、色调和纹理结构差异 构建地物遥感解译标志； 步骤二:收集流域DEM数据，通过ArcGIS软件分析提取河网和划分集水面； 步骤三:根据地物遥感解译标志对流域DEM、河网水系，识别高程、封闭度、蜿蜒度、水流 交汇特征、人工水利工程形成的河流结构断点进行分类处理； 步骤四：依据解译的水利工程分布，按照对河流的干扰程度将河流分为天然河流和非 天然河流特征信息； 步骤五:在河流结构断点分割的河段单元上，识别引起河流结构特征发生变化的地貌 断点； 步骤六:在河流结构断点分段的河段上，分段逐层识别封闭度、蜿蜒度、河床底质特征， 并计算封闭度用于确定河流封闭等级，划分河流类型； 步骤七:调整河流类型边界线，并将前后相连的同类型河段合并，再按照河流类型顺序 构建流域河流类型树。收集流域卫星遥感影像空间数据。2. 根据权利要求1所述的一种河流特征分类数据的处理方法，其特征在于:所述步骤一 中收集流域卫星遥感影像空间数据包括流域DEM数据、高分辨率遥感影像、地质图、水系图、 水文站点图、气象站点图、土地利用图、行政区单元空间数据，并对空间数据进行格式转换、 校正、配准、裁剪、关联以及建库处理。3. 根据权利要求1所述的一种河流特征分类数据的处理方法，其特征在于:所述地物遥 感解译标志根据地物类别的形状差异建立解译标志，所述地物类别分为天然河流单元、河 道个数单元、水库单元、沟渠单元和耕地单元。4. 根据权利要求1所述的一种河流特征分类数据的处理方法，其特征在于:所述步骤三 中的识别高程是通过GIS空间分析功能，建立流域空间三维视图，以识别高程下降趋势中的 陡坎、趋势变化点、开阔点和封闭度断点。5. 根据权利要求1所述的一种河流特征分类数据的处理方法，其特征在于:所述步骤六 中的计算封闭度计算满足:a=vw/c w，其中，α表示封闭度，Vw表示河谷底宽度，Cm表示满槽 河道宽度，所述蜿蜒度计算满足：s = Lr/Lv，其中，S表示蜿蜒度，Lr表示河流长度，Lv表示河 谷长度。6. 根据权利要求1所述的一种河流特征分类数据的处理方法，其特征在于:所述步骤五 中河流结构断点分段情况是通过选择和获取适于遥感影像和DEM数据的尺度和分辨率，然 后通过ArcGIS软件进行识别并将结构断点将河网水系打断，以打断的河段作为分类处理的 基本单元，进行识别引起河流结构特征发生变化的地貌断点。7. 根据权利要求6所述的一种河流特征分类数据的处理方法，其特征在于：所述流域 DEM数据为10-90m分辨率或0.5-3m分辨率的激光雷达数据。8. 根据权利要求1所述的一种河流特征分类数据的处理方法，其特征在于:所述河床底 质特征根据粒径大小进行分类，主要包括水流形态和河床地貌单元特征。9. 根据权利要求8所述的一种河流特征分类数据的处理方法，其特征在于:所述河床底 质特征根据粒径大小的取值计算为基岩、漂石、卵石、砾石、沙粒、粉砂或黏粒中的一种。
【文档编号】G06K9/62GK106067030SQ201610361593
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月26日 公开号201610361593.3, CN 106067030 A, CN 106067030A, CN 201610361593, CN-A-106067030, CN106067030 A, CN106067030A, CN201610361593, CN201610361593.3
【发明人】赵银军
【申请人】广西师范学院