專利名稱：一種準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種沖溝溝壁形態(tài)演化的監(jiān)測和計算方法，特別是涉及準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法。
背景技術(shù)：
沖溝侵蝕是一種主要土壤侵蝕形式。據(jù)美國農(nóng)業(yè)部調(diào)查，溝蝕量占總侵蝕量的18-73% (平均為35%);總結(jié)分析世界各國家的溝蝕情況，溝蝕量占侵蝕總量的10-94%(平均為44%);在我國黃土高原的丘陵溝壑區(qū)，面積有21. 76萬km2，溝蝕量占侵蝕總量的60-90% ;在金沙江干熱河谷區(qū)，該區(qū)域內(nèi)沖溝年均溯源侵蝕速率50cm/年左右，最大達200cm,溝壑密度為3. 0 5. Okm/km2,最大達7. 4km/km2, 土壤侵蝕模數(shù)高達I. 64X 104t/(km2 a)。因此，沖溝侵蝕研究不僅具有重要的科學意義，而且對于地區(qū)國民經(jīng)濟發(fā)展也具 有重要的影響，其中，沖溝形態(tài)演化過程是一項重要內(nèi)容。水涮窩是指在活躍溝頭溝壁下部發(fā)育形成窩狀的半圓形洞穴，它在沖溝溯源侵蝕過程中扮演了重要角色(見附圖I)。水涮窩的形成和擴大導(dǎo)致溝頭溝壁呈“上凸下凹”的不穩(wěn)定形態(tài)，造成溝壁上部土體失穩(wěn)，進而發(fā)生崩塌，沖溝溝頭不斷前進。目前，計算地形變化的主要方法之一是運用GIS軟件基于海拔(Z)生成TIN (不規(guī)則三角網(wǎng)！Triangulated Irregular Network),然后將TIN轉(zhuǎn)GRID (網(wǎng)格)，從而生成不同時間的DEM (數(shù)字高程模型Digital Elevation Model)，計算前后兩次DEM的變化獲取地形變化。由于水涮窩為溝頭溝壁下部的負地形，基于三維掃描儀等儀器測量的地形數(shù)據(jù)由于相近或相同的坐標(X，Y)會對應(yīng)海拔差異很大的Z值(同一個坐標(X，Y)既有對應(yīng)于內(nèi)凹洞的Z值，也會有對應(yīng)于內(nèi)凹洞頂部集水區(qū)的Z值)，利用其直接生成DEM具有很大的誤差，甚至是錯誤的DEM，此外，溝壁的地形變化并不是海拔(Z)的變化，而是溝頭溝壁不斷后退，即表現(xiàn)為X和Y軸方向的變化，這與傳統(tǒng)的土壤侵蝕過程差異顯著。因此，需要發(fā)明一種能快速準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法，從而為監(jiān)測沖溝朔源侵蝕過程和計算溝頭溝壁地形變化提供可靠的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)的目的是提供一種可操作、能快速準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法。本發(fā)明技術(shù)的目的是這樣實現(xiàn)的一種準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法，首先將測定的沖溝地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)(X，Y，Z)導(dǎo)入GIS軟件，設(shè)置坐標投影系統(tǒng)；然后將沖溝的地形數(shù)據(jù)按照集水區(qū)、溝壁和溝床(見附圖2)邊界裁切為三部分；將溝壁的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入能夠進行數(shù)據(jù)運算的文檔中，并按照一定的角度分別繞Z軸和X軸進行空間坐標旋轉(zhuǎn)；將旋轉(zhuǎn)后的溝壁數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入GIS軟件，并提取溝壁的邊界點位在GIS軟件環(huán)境中生成面文件，然后利用旋轉(zhuǎn)后的空間點位和邊界文件，生成TIN，然后將TIN轉(zhuǎn)換為合適網(wǎng)格大小的DEM，將不同時期的DEM相減，最終就獲得不同時期的地形變化過程。本發(fā)明最終得到的DEM并未改變地形數(shù)據(jù)的大小，只是進行了空間坐標變換，相當于將一個“直立的碗”進行翻轉(zhuǎn)，最終被水平放置，其高程變化能夠準確反映溝壁的形態(tài)變化。其中，測定的沖溝地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以由三維掃描儀測定得到；GIS軟件為ArcGIS9. 0以上版本的ArcGIS軟件；能夠進行數(shù)據(jù)運算的文檔為EXCEL文檔，如Microsoft Office Excel或者WPS表格等。 本發(fā)明的有益效果是I、快速性和準確性本發(fā)明運用ArcGIS和Excel，能夠準確而快速地生成DEM。2、簡單和便捷。本發(fā)明涉及軟件為ArcGIS和Excel，操作簡單，不需要進行復(fù)雜的三維空間轉(zhuǎn)換運算。3、滿足多需求性。本發(fā)明提出的空間坐標轉(zhuǎn)換方法，不僅適用于沖溝溝頭溝壁等垂直或接近垂直面上形成的水涮窩等負地形的研究需求，也能夠用于切溝和河岸等具有垂直地形的地貌演化過程研究。


圖I是本發(fā)明所針對的沖溝溝頭水涮窩地形。圖2是本發(fā)明所指沖溝溝頭的集水區(qū)、溝壁和溝床示意圖。
具體實施例方式一種準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法，具體的步驟如下步驟一、原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和裁切將由三維掃描儀測定得到的沖溝地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)(文本格式)導(dǎo)入ArcGIS，設(shè)置合理的坐標投影系統(tǒng)，然后將沖溝的地形數(shù)據(jù)按照集水區(qū)、溝壁和溝床邊界進行裁切。然后將裁切好的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.dbf文檔，該格式文檔可以采用Excel格式打開。步驟二、溝頭溝壁空間坐標數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)具有水涮窩的直立沖溝溝頭溝壁地形數(shù)據(jù)在相近或相同的坐標(X，Y)下，對應(yīng)的海拔值差異很大(同一個坐標(X，Y)既有對應(yīng)于內(nèi)凹洞的Z值，也會有對應(yīng)于內(nèi)凹洞頂部集水區(qū)的Z值)，此外，溝頭溝壁的地形變化不是體現(xiàn)為海拔(Z)的變化，而主要表現(xiàn)為溝壁后退，即空間坐標系的X和Y軸方向變化，因此，運用ArcGIS直接進行插值，誤差較大，不僅不能滿足實驗對數(shù)據(jù)的誤差要求，甚至可能是一個不能夠描述實際地形的DEM?；谝陨显颍枰獙项^溝壁的地形數(shù)據(jù)按照一定的角度進行旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明提出首先將溝壁的地形數(shù)據(jù)在三維立體坐標系中進行旋轉(zhuǎn)，最終使直立的溝頭溝壁被水平放置，因此，需要進行兩次旋轉(zhuǎn)。
第一次旋轉(zhuǎn)是先繞Z軸轉(zhuǎn)動a角度，這是為了讓溝壁面垂直于ZX面，即消除溝頭溝壁面地形變化既在X軸方向變化，也在Y軸方向變化的情況，所以旋轉(zhuǎn)的角度是溝壁面與
XY面相交的角度，
權(quán)利要求
1.一種準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法，其特征在于 首先將測定的沖溝地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)(X，Y，Z)導(dǎo)入GIS軟件，設(shè)置坐標投影系統(tǒng)； 然后將沖溝的地形數(shù)據(jù)按照集水區(qū)、溝壁和溝床邊界裁切為三部分； 將溝壁的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入能夠進行數(shù)據(jù)運算的文檔中，并按照一定的角度分別繞Z軸和X軸進行空間坐標旋轉(zhuǎn)；將旋轉(zhuǎn)后的溝壁數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入GIS軟件，并提取溝壁的邊界點位在GIS軟件環(huán)境中生成面文件，然后利用旋轉(zhuǎn)后的空間點位和邊界文件，生成TIN，然后將TIN轉(zhuǎn)換為合適網(wǎng)格大小的DEM，將不同時期的DEM相減，最終就獲得不同時期的地形變化過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法，其特征在于所述測定的沖溝地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)由三維掃描儀測定得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法，其特征在于所述的GIS軟件為ArcGIS9. O以上版本的ArcGIS軟件。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法，其特征在于所述的能夠進行數(shù)據(jù)運算的文檔為EXCEL文檔，如Microsoft Office Excel或者WPS表格。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法，其特征在于所述的按照一定的角度分別繞Z軸和X軸進行空間坐標旋轉(zhuǎn)的具體步驟如下 第一次旋轉(zhuǎn)是先繞Z軸轉(zhuǎn)動a角度，這是為了讓溝壁面垂直于ZX面，即消除溝頭溝壁面地形變化既在X軸方向變化，也在Y軸方向變化的情況，所以旋轉(zhuǎn)的角度是溝壁面與XY面相交的角度，即β = arcran(^)；I 第二次旋轉(zhuǎn)是為了讓溝壁面平躺在ZY面，所以旋轉(zhuǎn)的角度是第一次旋轉(zhuǎn)后的溝壁面與ZY面行成的夾角，即繞X軸旋轉(zhuǎn)Θ，6> = arctan(|); 第一次旋轉(zhuǎn)公式如下X1=XCOSa -Ysina ,Y1=Xsin a +Ycos a，Zl=Z 式中，X，Y, Z為野外測定的溝頭溝壁地形空間數(shù)據(jù)坐標，X1, Y1, Z1為繞Z軸轉(zhuǎn)動后的溝頭溝壁地形空間坐標數(shù)據(jù)，a為旋轉(zhuǎn)角度； 第二次旋轉(zhuǎn)公式如下X2 = X1Y2=Y1Cos Θ -Z1Sin ΘZ2=Y1Sin Θ +Z1Cos Θ 式中，X2，Y2，Z2為繞X軸轉(zhuǎn)動后的空間坐標數(shù)據(jù)，θ為旋轉(zhuǎn)角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法，其特征在于所述的將旋轉(zhuǎn)后的溝壁數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入GIS軟件，并提取溝壁的邊界點位在GIS軟件環(huán)境中生成面文件，具體步驟如下 I)先將不同時間的同一溝頭溝壁的地形數(shù)據(jù)利用Excel進行運算，然后將旋轉(zhuǎn)后的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件，并設(shè)置與旋轉(zhuǎn)前相同的坐標投影系統(tǒng)； 2)在ArcCatalog中新建一個屬性表有高程字段的面文件，并設(shè)置相同的地理坐標，并將該面文件與旋轉(zhuǎn)后的溝壁地形數(shù)據(jù)加載到同一個ArcMap的工程文件中； 3)編輯新建的面文件，并選擇筆形工具，然后再選擇Edit菜單下的“Snapping”選項，然后在彈出的菜單上勾選加入的六個溝壁點圖層的勾選框，意為在勾畫邊界時，會自動的咬合到位于邊界的某一次沖刷的點上，此點即為Polygon的結(jié)點，該點的高程即為結(jié)點的高程，點擊“Sketcher Properties”，在彈出的界面上為該結(jié)點加入高程值，即Z的值，為后 面生成TIN模型做準備； 4)完成并保存該面文件，該面文件也就是溝頭溝壁的新邊界。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種準確計算具有水涮窩的沖溝溝頭溝壁形態(tài)變化的方法，首先將測定的沖溝地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS軟件，設(shè)置坐標投影系統(tǒng)；然后將沖溝的地形數(shù)據(jù)按照集水區(qū)、溝壁和溝床邊界裁切為三部分；將溝壁的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入能夠進行數(shù)據(jù)運算的文檔中，并按照一定的角度分別繞Z軸和X軸進行空間坐標旋轉(zhuǎn)；將旋轉(zhuǎn)后的溝壁數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入GIS軟件，并提取溝壁的邊界點位在GIS軟件環(huán)境中生成面文件，然后利用旋轉(zhuǎn)后的空間點位和邊界文件，生成TIN，然后將TIN轉(zhuǎn)換為合適網(wǎng)格大小的DEM，將不同時期的DEM相減，最終就獲得不同時期的地形變化過程。本發(fā)明能夠準確而快速地生成DEM，操作簡單，不需要進行復(fù)雜的三維空間轉(zhuǎn)換運算。
文檔編號G06F17/30GK102968470SQ20121045084
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者蘇正安, 董一帆, 熊東紅, 楊丹, 李佳佳, 張寶軍, 鄭學用 申請人:中國科學院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所