一種基于地形分析的黃土地區(qū)塬梁峁自動識別方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于計算機(jī)數(shù)字圖像處理與模式識別【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明公開了一種基于地形分析的黃土地區(qū)塬梁峁自動識別方法，包括：通過DEM(Digital?Elevation?Model)數(shù)據(jù)提取山谷線與山脊線；同時獲取研究區(qū)域的閉合等值線，并對閉合等值線根據(jù)相互之間的空間關(guān)系進(jìn)行聚類。然后對聚類后的閉合等值線提取適合塬梁峁識別的特征值；另一方面，根據(jù)專家關(guān)于塬梁峁的知識形成規(guī)則庫與推理機(jī)；結(jié)合提取的特征實現(xiàn)塬梁峁的識別。最后，為了更好地提高塬梁峁對象范圍的確定，利用閉合等值線確定的邊界作為初始邊界，采用主動輪廓模型在DEM柵格數(shù)據(jù)上實現(xiàn)目標(biāo)邊界的精確化。本發(fā)明能有效地實現(xiàn)研究區(qū)域塬梁峁的自動提取，為地貌分析及黃土地區(qū)地貌演變等應(yīng)用服務(wù)。
【專利說明】一種基于地形分析的黃土地區(qū)塬梁峁自動識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于交叉領(lǐng)域，即屬于計算機(jī)數(shù)字圖像處理與模式識別【技術(shù)領(lǐng)域】，也屬于自然地理領(lǐng)域，主要涉及基于數(shù)字高程模型的特征提取、基于黃土地貌知識的專家系統(tǒng)和知識推理技術(shù)，具體涉及一種基于地形分析的黃土高原塬梁峁自動識別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]黃土地貌是第四紀(jì)時期形成的土狀堆積物，分布很廣，從全球范圍看，主要分布在中緯度干燥或半干燥的大陸性氣候環(huán)境內(nèi)。我國黃土集中分布在北起長城，南界秦嶺，西從青海湖，東到太行山的范圍內(nèi)，地理上稱為黃土高原。黃土地貌特征是溝谷眾多、地面破碎；侵蝕方式獨(dú)特、過程迅速；溝道流域內(nèi)有多級地形面。類型主要有黃土溝間地、黃土溝谷和獨(dú)特的黃土潛蝕地貌。我國黃土集中分布在北緯34?40°，東經(jīng)102?114°之間，即北起長城，南界秦嶺，西從青海湖，東到太行山面積約達(dá)30萬平方公里的范圍內(nèi)，地理上稱為黃土高原。本區(qū)除了一些基巖裸露的山地外，黃土基本上構(gòu)成連續(xù)的蓋層，厚度達(dá)100?200m，形成非常特殊的地貌。黃土溝間地，又稱黃土谷間地，包括黃土塬、梁、峁、坪地等。黃土塬、梁、峁是黃土地貌的主要類型，它們是當(dāng)?shù)厝罕妼ψ罓铧S土高地、梁狀和圓丘狀黃土丘陵的俗稱，黃秉維于1953年首先將其引入地理學(xué)文獻(xiàn)，羅來興于1956年給予科學(xué)定義。黃土塬為頂面平坦寬闊的黃土高地，又稱黃土平臺。其頂面平坦，邊緣傾斜3°?5。，周圍為溝谷深切，它代表黃土的最高堆積面。黃土梁為長條狀的黃土丘陵。梁頂傾斜3°?5°至8°?10°者為斜梁。梁頂平坦者為平梁。丘與鞍狀交替分布的梁稱為峁梁。黃土峁為溝谷分割的穹狀或饅頭狀黃土丘。峁頂?shù)拿娣e不大，以3°?10°向四周傾斜，并逐漸過渡為坡度15°?35°的峁坡。若干個峁大體排列在一條線上的為連續(xù)峁，單個的叫孤立峁。連續(xù)峁大多是河溝流域的分水嶺，由黃土梁侵蝕演變而成；孤立峁或者是黃土堆積過程中侵蝕形成，或者是受黃土下伏基巖面形態(tài)控制生成。
[0003]黃土高原的土壤侵蝕問題舉世矚目，它不僅使本區(qū)生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅，而且來自黃河中游的粗泥沙一直威脅著下游廣大平原地區(qū)的安全，一直是中華民族的心腹之患(梁廣林，陳浩，2004)。因此，研究黃土高原地貌及其演變具有重大的意義。塬、梁、峁是黃土地區(qū)的主要類型，及時監(jiān)測它們的分布與演化可以很好了解該地區(qū)地貌演化和生態(tài)環(huán)境狀況，為制定地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)，同時可以依據(jù)目前塬、梁、峁分布情況實現(xiàn)有針對性地對當(dāng)?shù)丨h(huán)境進(jìn)行治理。
[0004]20世紀(jì)50年代以后，黃土地貌研究進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。1953年黃秉維首次編制成1:400萬黃河中游土壤侵蝕分區(qū)圖，并發(fā)表相應(yīng)的論文，奠定了黃土地貌研究的基礎(chǔ):1953?1958年，羅來興等進(jìn)行了黃土地貌分類和溝道流域侵蝕地貌制圖工作，把黃土地貌研究與黃土區(qū)土壤侵蝕與水土保持工作緊密相聯(lián)。1950年代中期到80年代中期，劉東生等不僅在黃土地層學(xué)研究中作出了貢獻(xiàn)，為確定黃土地貌發(fā)育年齡打下了堅實基礎(chǔ)，而且在黃土地貌發(fā)育的歷史過程、黃土性質(zhì)與現(xiàn)代侵蝕的關(guān)系、黃土地貌類型區(qū)域分布與黃土下伏原始地面起伏的關(guān)系等方面，都做了卓有成效的工作，代表性著作有《黃河中游黃土》(1964)、《(黃土與環(huán)境》(1985)。對于黃土高原地貌提取方面，國內(nèi)外學(xué)者在此方面也進(jìn)行了大量研究，陳燕，齊清文等(陳燕，齊清文等，2005)以黃土高原的遙感圖像為基本信息源，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法提取黃土高原地貌單元，提取面積、周長、形狀指數(shù)等特征。其分為黃土塬、黃土梁和黃土峁。對黃土高原地貌單元分類進(jìn)行定量化方面的探討和研究，取得了較理想的結(jié)果。張微微，武偉等(張微微，武偉等，2007)分析了不同比例尺DEM數(shù)據(jù)在提取坡度、坡向等地形信息的比較。為合理選擇DEM數(shù)據(jù)源提供了參考。陳永剛，湯國安等(陳永剛，湯國安等，2012)分析DEM數(shù)據(jù)，并以Logistic回歸模型提取黃土高原正、負(fù)地形。岳健，穆桂金等(岳健，穆桂金等，2013)從黃土地貌區(qū)的位置、色調(diào)與色彩、大小、形狀、陰影、水系和紋理、植被和土壤、相關(guān)體、相關(guān)資料和野外經(jīng)驗等方面總結(jié)了 7項關(guān)于新疆黃土地貌的遙感判讀依據(jù)，并歸納了新疆黃土地貌與風(fēng)沙、干燥、流水、冰緣、雅丹等地貌類型之間以及與部分特殊情況之間的一些鑒別特征。采用地貌、遙感影像、植被、土壤及土地利用圖綜合實現(xiàn)黃土地貌的判讀解譯。
[0005]從以上分析看，目前對于塬梁峁識別上的技術(shù)現(xiàn)狀如下:一方面一些學(xué)者試圖通過提取與黃土地貌相關(guān)的特征達(dá)到地形信息的提取或塬梁峁的識別(陳燕，齊清文等，2005 ;陳永剛，湯國安等，2012);另一方面，一些學(xué)者借助遙感及相應(yīng)的GIS信息，利用專家經(jīng)驗人工解譯得到塬梁峁的識別(岳健，穆桂金等，2013)。本發(fā)明將結(jié)合兩種方法，一方面分析DEM數(shù)據(jù)獲得塬梁峁相關(guān)的地形特征，并在特征提取上充分利用等值線對地形描述的優(yōu)勢提取特征，同時總結(jié)一些專家關(guān)于塬梁峁地知識，實現(xiàn)有效的黃土地貌塬梁峁識別。
[0006]參考文獻(xiàn):
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0028](一)發(fā)明目的
[0029]本發(fā)明的目的是:利用黃土高原地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合黃土高原地貌的專家知識，提供一種基于地形分析的黃土高原塬梁峁自動識別方法，能快速獲取研究區(qū)域塬梁峁分布情況，及時掌握黃土高原地區(qū)水土流失及地貌演變情況，為黃土高原治理與開發(fā)提供基礎(chǔ)信息。
[0030]( 二)技術(shù)解決方案
[0031]本發(fā)明提供了一種于地形分析的黃土高原塬梁峁自動識別方法，其方法流程包括以下步驟:
[0032]步驟10、首先通過DEM (Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)提取山谷線與山脊線；
[0033]步驟20、通過DEM數(shù)據(jù)提取閉合等值線；
[0034]步驟30、將步驟20提取得到的閉合等值線進(jìn)行聚類得到閉合等值線集；
[0035]步驟40、對步驟30得到閉合等值線集逐個計算特征值；
[0036]步驟50、根據(jù)步驟40計算得到的特征值和塬梁峁知識推理得到塬梁峁分類結(jié)果；
[0037]步驟60、對步驟50分類結(jié)果中無法識別的閉合等值線集合進(jìn)一步分解為子集合重新計算特征值；
[0038]步驟70、重復(fù)進(jìn)行步驟50和60直到所有的閉合等值線集合都處理完成。
[0039]步驟80、將步驟70得到的分類后的閉合等值線集合的外邊界作為初始邊界，然后利用主動輪廓模型(Active Contour Model)在DEM影像上進(jìn)行處理得到每一種類型最終的邊界。
[0040]所述步驟10中的山谷線與山脊線提取采用平面曲率與坡形組合法實現(xiàn)山谷線與山脊線的提取，具體的方法流程見圖2。
[0041]所述步驟20中得到閉合等值線的關(guān)鍵在于確定等值線間隔，而間隔的確定取決于三個因素，其一是DEM的精度，其二是研究區(qū)域的整體的地形起伏情況，其三是研究區(qū)域塬梁峁的最小尺寸及相對高差情況。具體確定方法根據(jù)以上三因素通過經(jīng)驗確定。
[0042]所述步驟30中實現(xiàn)閉合等值線的聚類，即按照從低到高并按照閉合等值線的空間包含關(guān)系實現(xiàn)聚類，直至所有的閉合等值線都被分組。聚類采用圖3所示的流程進(jìn)行。
[0043]所述步驟40中閉合等值線特征值的計算的關(guān)鍵在于特征值的定義，本步驟涉及的特征值包括面積、長軸、垂軸、邊緣平均梯度和閉合等值線內(nèi)部DEM的直方圖特征值。各特征的定義如下:
[0044]面積:閉合等值線集最大的閉合等值線的面積；
[0045]長軸:多變形上距離最大的兩點(diǎn)連成的線段長度(盧智勇，梁光明，2009)；
[0046]垂軸:垂軸是經(jīng)過長軸中垂線與擬合多邊形的交點(diǎn)連成的線段長度(盧智勇，梁光明，2009)；
[0047]邊緣平均梯度:即相鄰等值線之間的面積變化值；
[0048]閉合等值線內(nèi)部DEM的直方圖特征值:包括均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大及最小值。
[0049]所述步驟50中根據(jù)特征值與塬梁峁知識進(jìn)行推理獲得分類結(jié)果，本步驟關(guān)鍵在于知識表示及推理算法，具體如下:
[0050]51:基于規(guī)則的專家系統(tǒng):為了實現(xiàn)塬梁峁的分類，本發(fā)明采用基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。基于規(guī)則的專家系統(tǒng)是當(dāng)前最普遍的專家系統(tǒng)，這類系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)并應(yīng)用于科學(xué)、工程、商業(yè)等領(lǐng)域，同時出現(xiàn)的規(guī)則推理引擎也被廣泛應(yīng)用于各種推理中。規(guī)則庫就是專家系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是專家知識系統(tǒng)的集中展現(xiàn)。
[0051]52:梁峁知識表示:本發(fā)明采用產(chǎn)生式表示法實現(xiàn)知識的表達(dá)。產(chǎn)生式通常用于表示有因果關(guān)系的知識，其基本形式是IfP Then Q。其中P是產(chǎn)生式的前提，用以指出該產(chǎn)生式是否是可用的條件，這個條件可以是簡單條件，也可以是邏輯運(yùn)算符連接起來的復(fù)雜條件；Q是一組結(jié)論或者操作，用以指出當(dāng)前條件滿足時得出的結(jié)論或執(zhí)行的操作。
[0052]根據(jù)塬梁峁三者的自然語言表示為:
[0053]塬:又稱黃土平臺、黃土桌狀高地，表部平坦，或微有起伏，黃土堆積厚度較大。
[0054]梁:平行于溝谷的長條狀高地，梁長一般可達(dá)上千米，幾公里或十幾公里，梁頂寬闊略有起伏，寬幾十米到幾百米，呈魚脊?fàn)钔鶅擅鏈瞎任A。
[0055]峁:呈孤立的黃土丘，渾圓狀形如饅頭。大多數(shù)峁是由黃土梁進(jìn)一步侵蝕切割形成的，但也有極少數(shù)是晚期黃土覆蓋在古丘狀高地上形成的。
[0056]在進(jìn)行知識表示前，需要首先定義一下一些基本的特征:
[0057](I)WidthMax:長軸
[0058](2) WidthMin:垂軸
[0059](3) Area:面積
[0060](4) EdgeChange:邊緣梯度變化[0061](5) Smoothness:內(nèi)部平滑程度
[0062](6) ValleyRegion:山谷線區(qū)域
[0063](7) RidgelineRegion:山脊線區(qū)域
[0064]塬梁峁知識表示:
[0065](I)IF EdgeChange>EdgeChangeOThen Region may be 源、梁、崩
[0066](2)IF Area<AreaOThen Region may be 崩
[0067](3)IF AreaO〈Area〈Area I Then Region may be 梁
[0068](4)IF Area>Areal Then Region may be 源
[0069](5)IF WidthMax/ffindthMin>LOThen Region may be 梁
[0070](6) IF Smoothness〈Smoothness Then Region may be 源、梁
[0071](7) IF Region In ValleyRegion Then Region may not be 源、梁、崩
[0072](8) IF Region Include RidgelineRegion Then Region may be 源、梁
[0073]53:jena推理機(jī):所謂推理機(jī)是指從已有的知識推出新知識的算法。它應(yīng)該和知識庫的形式化表示語言相適應(yīng)。目前的推理機(jī)工作方式有以下三種:向前鏈接:從工作存儲集的任一給定狀態(tài)進(jìn)行規(guī)則的推導(dǎo)。向后鏈接:它決定應(yīng)該提出什么樣的問題才能向一個固定的目標(biāo)推導(dǎo)。混合鏈接:把上面兩種方式結(jié)合起來。推理的過程是由已知事實推出新事實。而一個事實可以有以下三種狀態(tài):
[0074]A.“已知”指事實已有確定的值，對布爾型的事實是真假確定，對符號型是已代表的某個字符串，對數(shù)值型是已表示具體的數(shù)值。
[0075]B.“未知”指沒有向事實指派具體的值，也沒有詢問過它的值。
[0076]C.“不確定”指已詢問過該事實的值，但回答是“不知道”，這時它有可能有具體值，也可能無具體值。
[0077]本發(fā)明采用Jena推理機(jī)。Jena推理機(jī)(丁展春等,2005 J.Carroll等,2004)是HP實驗室開發(fā)的開源資源，它可以實現(xiàn)對OWL最簡單子集OWLLit。的不確定信息推理，目前的Jena2 (Dave Reynolds, 2010)是Jena的第二個版本，它主要是對RDFS和OWL語言進(jìn)行推理，允許從實例數(shù)據(jù)和類描述中推斷出額外的事實。Jena推理機(jī)包括一個基于推理引擎的產(chǎn)生式規(guī)則，它允許一系列推理引擎插入Jena，這樣的引擎被用來獲取額外的RDF斷言。Jena是用于語義網(wǎng)的開發(fā)系統(tǒng)，它是語義網(wǎng)中內(nèi)容較全面的應(yīng)用程序開發(fā)包，推理機(jī)只是Jean功能中的一部分。Jena提供的推理機(jī)也和RACER、FaCT++, Pellet等一樣，是用于本體推理機(jī)的一種。但Jena本身并不是“推理機(jī)設(shè)計專家”，它自身包含的推理機(jī)基本上就是一種基于CLIPS的前向鏈的規(guī)則與本體領(lǐng)域結(jié)合的推理系統(tǒng)。它的實現(xiàn)機(jī)制如圖4所
/Jn ο
[0078]所述步驟60、70是一個遞歸過程，其特點(diǎn)是將不可識別的類型去掉最外層閉合等值線重新分組識別。
[0079]所述步驟80是利用主動輪廓模型進(jìn)行識別類型的邊界確定，其特點(diǎn)是采用外圍等值線作為初始邊界，在DEM影像上確定最終邊界。針對本專利特殊的應(yīng)用對象，在使用主動輪廓模型過程中有針對性地使用了，即GVF Snake模型(Xu ChenYang, 1998)，它是一種改進(jìn)型主動輪廓模型，具體如下:
[0080]主動輪廓模型:主動輪廓模型又稱為Snake模型，是由Kass等人(Kass M，1988)首先提出的。該方法將圖像中感興趣目標(biāo)輪廓提取問題轉(zhuǎn)換為能量最小化問題。在求取感興趣目標(biāo)輪廓時，定義了一條由一組參數(shù)約束的曲線。這條曲線在內(nèi)部力、外部力和約束力的作用下，主動地向感興趣目標(biāo)輪廓附近移動，當(dāng)曲線能量最小時，該曲線就是感興趣目標(biāo)輪廓。由于該方法利用了感興趣目標(biāo)輪廓的全局信息，獲得的輪廓是一條封閉的曲線，又不需要得知感興趣目標(biāo)的任何先驗知識，因此在邊緣檢測、圖像分割、目標(biāo)跟蹤和三維重構(gòu)等方面得到了廣泛應(yīng)用。Snake算法的主要思想是定義一個能量函數(shù)，定義的能量函數(shù)如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于地形分析的黃土地區(qū)塬梁峁自動識別方法流程，其特征包括: 步驟10、首先通過DEM (Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)提取山谷線與山脊線； 步驟20、通過DEM數(shù)據(jù)提取閉合等值線； 步驟30、將步驟20提取得到的閉合等值線進(jìn)行聚類得到閉合等值線集； 步驟40、對步驟30得到閉合等值線集逐個計算特征值； 步驟50、根據(jù)步驟40計算得到的特征值和塬梁峁知識推理得到塬梁峁分類結(jié)果； 步驟60、對步驟50分類結(jié)果中無法識別的閉合等值線集合進(jìn)一步分解為子集合重新計算特征值； 步驟70、重復(fù)進(jìn)行步驟50和60直到所有的閉合等值線集合都處理完成。 步驟80、將步驟70得到的分類后的閉合等值線集合的外邊界作為初始邊界，然后利用主動輪廓模型(Active Contour Model)在DEM影像上進(jìn)行處理得到每一種類型最終的邊界。
2.一種塬、梁、峁地貌知識庫構(gòu)建與知識推理方法，其特征在于塬、梁、峁特征集定義和基于塬、梁、峁特征集的知識推理機(jī)制。
3.如權(quán)利要求1所述的基于地形分析的黃土地區(qū)塬梁峁自動識別方法流程，所述步驟10中通過DEM數(shù)據(jù)提取山谷線與山脊線的方法采用平面曲率與坡形組合法提取的山脊線與山谷線。此方法簡便，效果好。
4.如權(quán)利要求1所述的基于地形分析的黃土地區(qū)塬梁峁自動識別方法流程，其特征在于，所述步驟20提取閉合等值線中等值線間隔的確定是其中的關(guān)鍵。
5.如權(quán)利要求1所述的基于地形分析的黃土地區(qū)塬梁峁自動識別方法流程，其特征在于，所述步驟30中閉合等值線的聚類方法的主要思想是從低到高并按照閉合等值線的空間包含關(guān)系實現(xiàn)聚類。
6.如權(quán)利要求1所述的基于地形分析的黃土地區(qū)塬梁峁自動識別方法流程，其特征在于，所述步驟40中特征值的計算包括面積、長軸、短軸、圓度、邊緣坡度和面的平滑情況等。
7.如權(quán)利要求1所述的基于地形分析的黃土地區(qū)塬梁峁自動識別方法流程，其特征在于，步驟50中所述的知識推理采用基于專家知識的正向推理。
8.如權(quán)利要求1所述的基于地形分析的黃土地區(qū)塬梁峁自動識別方法流程，其特征在于，所述步驟60和70采用遞歸的方法實現(xiàn)等值線集的逐步識別。
9.如權(quán)利要求2所述的一種塬、梁、峁地貌知識庫構(gòu)建與知識推理方法，其特征在于，所述的塬、梁、峁知識建模方法采用產(chǎn)生式規(guī)則形式表達(dá)；推理機(jī)通過決定哪些規(guī)則滿足事實，確定哪個規(guī)則被觸發(fā)執(zhí)行，通過執(zhí)行規(guī)則來進(jìn)行推理。
【文檔編號】G06K9/00GK103745191SQ201310566694
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】汪承義, 金曉斌, 周寅康, 岳安志, 陳靜波 申請人:中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所