專利名稱：一種準(zhǔn)確計(jì)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(cè)和計(jì)算方法，特別是涉及準(zhǔn)確計(jì)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(guó)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(guó)家的溝蝕情況，溝蝕量占侵蝕總量的10-94%(平均為44%);在我國(guó)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(dá)200cm,溝壑密度為3. 0 5. Okm/km2,最大達(dá)7. 4km/km2, 土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)I. 64X 104t/(km2 a)。因此，沖溝侵蝕研究不僅具有重要的科學(xué)意義，而且對(duì)于地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(xiàng)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(kuò)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(jìn)而發(fā)生崩塌，沖溝溝頭不斷前進(jìn)。目前，計(jì)算地形變化的主要方法之一是運(yùn)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(shí)間的DEM (數(shù)字高程模型Digital Elevation Model)，計(jì)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(fù)地形，基于三維掃描儀等儀器測(cè)量的地形數(shù)據(jù)由于相近或相同的坐標(biāo)(X，Y)會(huì)對(duì)應(yīng)海拔差異很大的Z值(同一個(gè)坐標(biāo)(X，Y)既有對(duì)應(yīng)于內(nèi)凹洞的Z值，也會(huì)有對(duì)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(cuò)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(zhǔn)確計(jì)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(cè)沖溝朔源侵蝕過程和計(jì)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(zhǔn)確計(jì)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(shí)現(xiàn)的一種準(zhǔn)確計(jì)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(cè)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(biāo)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(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的文檔中，并按照一定的角度分別繞Z軸和X軸進(jìn)行空間坐標(biāo)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)期的DEM相減，最終就獲得不同時(shí)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(jìn)行了空間坐標(biāo)變換，相當(dāng)于將一個(gè)“直立的碗”進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，最終被水平放置，其高程變化能夠準(zhǔn)確反映溝壁的形態(tài)變化。其中，測(cè)定的沖溝地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以由三維掃描儀測(cè)定得到；GIS軟件為ArcGIS9. 0以上版本的ArcGIS軟件；能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)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(zhǔn)確性本發(fā)明運(yùn)用ArcGIS和Excel，能夠準(zhǔn)確而快速地生成DEM。2、簡(jiǎn)單和便捷。本發(fā)明涉及軟件為ArcGIS和Excel，操作簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的三維空間轉(zhuǎn)換運(yùn)算。3、滿足多需求性。本發(fā)明提出的空間坐標(biāo)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(fù)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(duì)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(shí)施例方式一種準(zhǔn)確計(jì)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(cè)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(biāo)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(jìn)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(biāo)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(biāo)(X，Y)下，對(duì)應(yīng)的海拔值差異很大(同一個(gè)坐標(biāo)(X，Y)既有對(duì)應(yīng)于內(nèi)凹洞的Z值，也會(huì)有對(duì)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(biāo)系的X和Y軸方向變化，因此，運(yùn)用ArcGIS直接進(jìn)行插值，誤差較大，不僅不能滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)的誤差要求，甚至可能是一個(gè)不能夠描述實(shí)際地形的DEM。基于以上原因，需要對(duì)溝頭溝壁的地形數(shù)據(jù)按照一定的角度進(jìn)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(biāo)系中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終使直立的溝頭溝壁被水平放置，因此，需要進(jìn)行兩次旋轉(zhuǎn)。
第一次旋轉(zhuǎn)是先繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǔn)確計(jì)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(cè)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(biāo)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(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的文檔中，并按照一定的角度分別繞Z軸和X軸進(jìn)行空間坐標(biāo)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)期的DEM相減，最終就獲得不同時(shí)期的地形變化過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述準(zhǔn)確計(jì)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(cè)定的沖溝地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)由三維掃描儀測(cè)定得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述準(zhǔn)確計(jì)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(zhǔn)確計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)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(zhǔn)確計(jì)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(jìn)行空間坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的具體步驟如下 第一次旋轉(zhuǎn)是先繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)定的溝頭溝壁地形空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)，X1, Y1, Z1為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)后的溝頭溝壁地形空間坐標(biāo)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(dòng)后的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，θ為旋轉(zhuǎn)角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述準(zhǔn)確計(jì)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(diǎn)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(shí)間的同一溝頭溝壁的地形數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行運(yùn)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(biāo)投影系統(tǒng)； 2)在ArcCatalog中新建一個(gè)屬性表有高程字段的面文件，并設(shè)置相同的地理坐標(biāo)，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(gè)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(xiàng)，然后在彈出的菜單上勾選加入的六個(gè)溝壁點(diǎn)圖層的勾選框，意為在勾畫邊界時(shí)，會(huì)自動(dòng)的咬合到位于邊界的某一次沖刷的點(diǎn)上，此點(diǎn)即為Polygon的結(jié)點(diǎn)，該點(diǎn)的高程即為結(jié)點(diǎn)的高程，點(diǎn)擊“Sketcher Properties”，在彈出的界面上為該結(jié)點(diǎn)加入高程值，即Z的值，為后 面生成TIN模型做準(zhǔn)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(zhǔn)確計(jì)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(cè)定的沖溝地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS軟件，設(shè)置坐標(biāo)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(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的文檔中，并按照一定的角度分別繞Z軸和X軸進(jìn)行空間坐標(biāo)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)期的DEM相減，最終就獲得不同時(shí)期的地形變化過程。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確而快速地生成DEM，操作簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的三維空間轉(zhuǎn)換運(yùn)算。
文檔編號(hào)G06F17/30GK102968470SQ20121045084
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)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(xué)用 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所