CN114543753A - 一种沉陷裂缝区地形dem修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沉陷裂缝区地形DEM修正方法，涉及土地复垦与生态修复技术领域。首先利用高分辨率的遥感影像提取裂缝中心线和宽度；其次，计算裂缝中心线两侧栅格单元的高程修正值；最后，利用计算的高程修正值修正沉陷裂缝区地形DEM中相同坐标栅格单元的高程值。本技术可以解决沉陷裂缝区原始地形DEM中裂缝处高程信息缺失的问题，可以为沉陷裂缝区水土流失与生态修复规划提供精准的地形数据，适用于开采沉陷导致土地裂缝的区域。

Description

一种沉陷裂缝区地形DEM修正方法
技术领域
本发明涉及土地复垦与生态修复技术领域，具体涉及一种沉陷裂缝区地形DEM修正方法，适用于沉陷裂缝区的数字高程模型构建和水土流失评估。
背景技术
地下有用矿物被采出后，地面发生沉陷，在沉陷过程中，地面发生拉伸变形，产生裂缝。裂缝是一种特定的微地形特征，裂缝的宽度大多在0-1米范围内，深度可达10余米，对区域水文过程、植被演替、土壤保持等生态功能有严重的阻隔作用。为评估沉陷裂缝的生态环境影响，开展沉陷裂缝区的生态修复工程，必须构建沉陷裂缝区的地形DEM，也即是数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，作为生态环境调查、模拟、评估和规划的基础数据。
构建沉陷区地形DEM，通常采用摄影测量或野外地面测量的方法，获取地面上若干个点的高程，然后利用空间插值方法获取地面每个栅格单元的高程。如，有学者利用机载激光点云构建西部矿区开采沉陷模型、利用无人机构建高潜水位矿区采煤沉陷地DEM。然而，在空间插值的过程中，裂缝处的高程值通常是周边非裂缝处高程值的加权平均值，裂缝这种微地形特征通常被忽略，空间插值结果缺少裂缝这种微地形特征。因此，现有技术构建出来的地形DEM不能表示沉陷裂缝处的真实高程值，不能为生态环境调查、模拟、评估和规划提供真实的地形DEM，从而导致生态评估不准确，忽略了裂缝的影响。
目前，有技术人员开发出了形态参数下地表采动裂缝三维建模及可视化方法、无人机影像采动地裂缝提取方法，这些技术可以有效识别和展示裂缝，但是仍然不能计算裂缝处的真实高程值。因此，需要开发出一种新的技术来解决沉陷裂缝区原始地形DEM中裂缝高程信息缺失的问题，用于沉陷裂缝区的数字高程模型构建和水土流失评估。
发明技术方案
本发明针对沉陷裂缝区地形DEM中裂缝高程信息缺失的问题，提供一种地形DEM修正方法，在沉陷裂缝区地形DEM中体现裂缝，并计算出裂缝区各栅格单元的真实高程值。
(1)提取裂缝中心线和宽度
利用无人机获取沉陷裂缝区的厘米级高分辨率光学遥感影像，在遥感影像上勾绘出裂缝的中心线，并量算出裂缝的宽度。
(2)计算裂缝中心线两侧栅格单元的高程修正值
基于裂缝的中心线和宽度数据，利用三角形相似定理计算裂缝中心线两侧栅格单元的高程修正值，计算公式为：
Figure BDA0003545166490000021
式中，M(x,y)为坐标为(x,y)栅格单元的高程修正值，W为裂缝的宽度；l为坐标为(x,y)栅格单元到裂缝中心线的垂直距离，α为系数，当裂缝区域地表为沙时，取值为5，当裂缝区域地表为土壤时，取值为13，当裂缝区域地表为岩石时，取值为15；β为常数项，当裂缝区域地表为沙时，取值为0.5，当裂缝区域地表为土壤时，取值为0.7，当裂缝区域地表为岩石时，取值为0.9。
(3)修正沉陷裂缝区地形DEM中相同坐标栅格单元的高程值
将待修正的沉陷裂缝区米级或分米级地形DEM重采样至厘米级分辨率，然后利用计算得到的裂缝中心线两侧栅格单元的高程修正值，修正沉陷裂缝区地形DEM，得到修正后的沉陷裂缝区地形DEM。修正公式为：
Z′(x,y)＝Z(x,y)―M(x,y)
式中，Z′(x,y)为坐标为(x,y)栅格单元修正后的高程值，Z(x,y)为坐标为(x,y)栅格单元在修正前地形DEM中的高程值。
有益效果
一种沉陷裂缝区地形DEM修正方法，修正沉陷裂缝区地形DEM，可以为沉陷裂缝区生态环境调查、评估、模拟和规划提供准确的地形DEM数据。(1)本发明提出的修正方法简单有效，相比于现有的野外地面测量方法，能避免对裂缝开展大量的野外测量工作，可以节省大量的人力和物力；相比于现有的摄影测量方法，可以显示出裂缝处各个栅格单元的真实高程值，克服了摄影测量获取的DEM缺少裂缝处真实高程值的问题。(2)修正后的沉陷裂缝区地形DEM显示了裂缝处各个栅格单元的真实高程值，可以用于高精度的水土流失模拟、裂缝充填工程量计算，为生态保护和修复提供了高精度的数据。
附图说明
图1是沉陷裂缝的剖面示意图；
图2是沉陷裂缝区域的俯视图；
图3是沉陷裂缝区域修正前的DEM；
图4是沉陷裂缝区域修正后的DEM。
图中，裂缝-1；中心线-2；栅格单元-4；裂缝范围-5。
具体实施方式
以下结合附图和实例用于进一步详细说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，地下有用矿物被采出后，地面发生沉陷，在沉陷过程中，地面发生拉伸变形，产生V字形的裂缝1。裂缝的深度为D，宽度为W。对区域水文过程、植被演替、土壤保持等生态功能有严重的阻隔作用。为评估沉陷裂缝的生态环境影响，开展沉陷裂缝区的生态修复工程，必须构建沉陷裂缝区的地形DEM，也即是数字高程模型(Digital ElevationModel，DEM)，作为生态环境调查、模拟、评估和规划的基础数据。现有的DEM是由摄影测量方法获取的，如常用的ASTER GDEM数据是有NASA的新一代对地观测卫星Terra测量得到的，其特点是空间分辨率低，通常为米级或分米级分辨率，而且缺少裂缝处的真实高程信息，如图3所示。为在沉陷裂缝区地形DEM中体现裂缝，计算出裂缝区各栅格单元的真实高程值，然后修正现有的DEM，实施如下步骤：
(1)提取裂缝中心线和宽度
利用无人机获取沉陷裂缝区的厘米级高分辨率光学遥感影像。将厘米级高分辨率光学遥感影像导入AutoCAD或者ArcGIS软件中，如图2，利用AutoCAD或者ArcGIS软件的多段线绘制功能勾绘出裂缝1的两侧边缘，然后利用中点捕捉功能勾绘出裂缝1的中心线2，并利用距离量算工具自动量算出裂缝1的宽度W。
(2)计算裂缝中心线2两侧栅格单元4的高程修正值
如图2，基于裂缝的中心线和宽度数据，计算裂缝中心线两侧栅格单元4的高程修正值。如图1和2，高程修正值的物理含义为坐标为(x,y)栅格单元a处的裂缝深度，三角形abc与三角形a'bc'相似，边a'c'的长度为裂缝的深度，裂缝1的深度与宽度成正比，其值为α×W+β，边a'b为裂缝1的宽度W，aa'的长度为坐标为(x,y)栅格单元到裂缝中心线2的垂直距离l。根据三角形相似定理，坐标为(x,y)栅格单元a处高程修正值的计算公式为：
Figure BDA0003545166490000041
式中，M(x,y)为坐标为(x,y)栅格单元的高程修正值，W为裂缝的宽度；l为坐标为(x,y)栅格单元4到裂缝中心线2的垂直距离，α为系数，当裂缝区域地表为沙时，取值为5，当裂缝区域地表为土壤时，取值为13，当裂缝区域地表为岩石时，取值为15；β为常数项，当裂缝区域地表为沙时，取值为0.5，当裂缝区域地表为土壤时，取值为0.7，当裂缝区域地表为岩石时，取值为0.9。
在AutoCAD或者ArcGIS软件中，可以快速量算裂缝宽度W和裂缝范围5内部每个栅格单元4到裂缝中心线2的垂直距离aa'，因此，可以根据上述公式快速计算裂缝范围5内每个栅格的高程修正值。如图2，W为0.8米，量算aa’的距离为0.3米，该处裂缝地表为土壤，根据上述公式可以计算栅格
Figure BDA0003545166490000042
Figure BDA0003545166490000043
(3)修正沉陷裂缝区地形DEM中相同坐标栅格单元的高程值
如图2，将待修正的沉陷裂缝区米级或分米级地形DEM利用ArcGIS或者图像处理软件重采样至厘米级分辨率，然后利用计算得到的裂缝中心线两侧栅格单元4的高程修正值，修正沉陷裂缝区地形DEM(图3)，得到修正过后的沉陷裂缝区地形DEM(图4)，修正公式为：
Z′(x,y)＝Z(x,y)―M(x,y)
式中，Z′(x,y)为坐标为(x,y)栅格单元修正后的高程值，Z(x,y)为坐标为(x,y)栅格单元在修正前地形DEM中的高程值。
如图2和图3，栅格a的待修正高程值为1218米，根据上述公式可以计算栅格a的真实高程值＝(1218-2.775)＝1215.225米。同理，可以根据上述公式快速计算裂缝范围5内每个栅格单元4的真实高程值，最终裂缝区域的DEM如图4所示。
本发明提出的修正方法简单有效，相比于现有的野外地面测量方法，能避免对裂缝开展大量的野外测量工作，可以节省大量的人力和物力；相比于现有的摄影测量方法，可以显示出裂缝处各个栅格单元4的真实高程值，克服了摄影测量获取的DEM缺少裂缝处真实高程值的问题。修正后的沉陷裂缝区地形DEM显示了裂缝处各个栅格单元的真实高程值，可以用于高精度的水土流失模拟、裂缝充填工程量计算，为生态保护和修复提供了高精度的数据。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不能脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种沉陷裂缝区地形DEM修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用无人机获取沉陷裂缝区的厘米级高分辨率光学遥感影像，在遥感影像上勾绘出裂缝的中心线，并量算出裂缝的宽度；
基于裂缝的中心线和宽度数据，利用三角形相似定理计算裂缝中心线两侧每个栅格单元的高程修正值；
将待修正的沉陷裂缝区米级或分米级地形DEM重采样至厘米级分辨率，然后利用计算得到的裂缝中心线两侧栅格单元的高程修正值，修正沉陷裂缝区地形DEM，得到修正后的沉陷裂缝区地形DEM。
2.根据权利要求1所述的一种沉陷裂缝区地形DEM修正方法，其特征在于，所述裂缝中心线两侧栅格单元的高程修正值的计算公式为：
Figure FDA0003545166480000011
式中，M(x,y)为坐标为(x,y)栅格单元的高程修正值；W为裂缝的宽度；l为坐标为(x,y)栅格单元到裂缝中心线的垂直距离；α为系数，取值为5～15；β为常数项，取值为0.5～0.9。
3.根据权利要求2所述的一种沉陷裂缝区地形DEM修正方法，其特征在于，当裂缝区域地表为沙时，α取值为5；当裂缝区域地表为土壤时，α取值为13，当裂缝区域地表为岩石时，α取值为15。
4.根据权利要求2或3所述的一种沉陷裂缝区地形DEM修正方法，其特征在于，当裂缝区域地表为沙时，β取值为0.5；当裂缝区域地表为土壤时，β取值为0.7；当裂缝区域地表为岩石时，β取值为0.9。
5.根据权利要求1或2所述的一种沉陷裂缝区地形DEM修正方法，其特征在于，沉陷裂缝区地形DEM的修正公式为：
Z′(x,y)＝Z(x,y)―M(x,y)
式中，Z′(x,y)为坐标为(x,y)栅格单元修正后的高程值；Z(x,y)为坐标为(x,y)栅格单元在修正前地形DEM中的高程值。
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