河流地貌单元分类与识别方法

技术领域

本发明涉及河流地貌单元研究技术，具体涉及一种河流地貌单元分类与识别方法。

背景技术：

近些年，随着城市化的快速发展，河流渠道化、河道被分割等现象时有发生，致使浅滩、深潭等地貌单元被破坏，沿河的洪泛平原、湿地消失，地貌单元多样性降低，生物栖息地遭到破坏。为了对破坏的生态环境进行修复，管理部门需要对流的地貌单元情况进行分析后，了解目前河段生态环境的具体情况才能有针对性的修复，以降低河段修复成本。

然而，关于地貌单元分类与识别的体系，存在国际上不统一、国内研究较少等一系列问题，截至到目前，我国仍没有一套明确的地貌单元分类体系与识别方法，使得政府部门在对河道生态环境进行修复时，难以对整个河流物理生境进行准确评估，河段修复时难度大，在修复时花费大量人力物力却难以达到理想效果。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的河流地貌单元分类与识别方法解决了在对河道生态环境进行修复时，难以对整个河流物理生境进行准确评估的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种河流地貌单元分类与识别方法，其包括步骤：

S1、获取研究河段的研究资料和实地调查数据及河流地貌单元分类表；

S2、获取河流地貌单元分类表中每种地貌单元的多张遥感影像，并对所有遥感影像进行灰度化处理，将同一地貌单元灰度值扩展为一灰度区间；

S3、根据研究资料和实地调查数据确定研究河段的河流类型，根据实地调查数据和河流地貌单元分类表，排除研究河段不存在的地貌单元；

S4、获取研究河段处于枯水期、平水期和洪水期，且覆盖研究河段的遥感数据影像，并对三种遥感数据影像进行灰度化处理；

S5、根据水域的灰度值区间和河流的几何形状，提取研究流域在枯水期、平水期和洪水期灰度化后的遥感数据上的河流边界；

S6、采用ENVI对遥感数据影像进行解译，获取三种时期的河流边界内的植被覆盖程度及距离对应河流边界预设距离范围内的植被覆盖程度；

S7、根据三种河流边界及每种地貌单元的灰度区间，对研究河段进行地貌单元的粗识别；

S8、根据植被覆盖程度及实地调查数据中的流速、水深分布和基质组成，对粗识别时对应于多种地貌单元的区域进行二次识别，得到最终的分类结果。

本发明的有益效果为：本方案通过多种时期的遥感数据影像结合水域的灰度值，可以提取出研究河段的河流边界，以实现研究流域的准确定位；之后通过河流边界及每种地貌单元的灰度区间，可以对地貌单元进行初步识别，再对划分至多种地貌单元的区域进行二次识别，以此提高地貌单元识别的准确度；通过两次识别能够先提取出对应于唯一地貌单元的区域，这样可以降低二次识别时的处理难度，以提高识别效率。

通过本方案得到的地貌单元分类相对比较准确，这样政府在后续对研究河段生态环境进行修复时，能够对整个河流物理生境进行准确评估，以降低河段修复时的难度，进而降低在修复时的成本投入。

附图说明

图1为河流地貌单元分类与识别方法的流程图。

图2为河流地貌单元分类表对应的地貌单元分类体系图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本方案的中的地貌单元定义为“反映和决定河流结构与功能形成过程的地貌规模特征”。地貌单元由水流与泥沙的冲积、侵蚀等作用形成，与水流、沉积物输送以及相关地质过程有关。河流廊道内的地貌单元根据水流和沉积物的变化进行不同的调整，不同地貌单元其附近的水动力、基质状况不尽相同，有其特殊性。因此，依据生态基流或枯水期下是否有水，将地貌单元的识别分为两类。一类是主河槽淹没区域(第Ⅰ类)，一类是主河槽沉积物、植被区域以及河漫滩、河岸带(第Ⅱ类)。

参考图1，图1示出了河流地貌单元分类与识别方法的流程图；如图1所示，该方法S包括步骤S1至步骤S8。

在步骤S1中，获取研究河段的研究资料和实地调查数据及河流地貌单元分类表；此处的研究资料和实地调查数据可以获取现有技术中已经存在的资料，若不存在，需要进行实地踏勘以获得研究河段地形地貌、流速水深分布、基质组成等数据，具体实现过程如下：

在实地踏勘前，先对整个河流进行实地了解，从而选择合适的河段。合适的衡量标准主要有2点：1)易实际操作性，可进行1×1m的精细化测量；2)代表性，地貌单元区分明显且类型较多。在水量较小的区域，水上水下地形均可采用RTK进行测量；在水量较大的区域，水下地形可用RTK加测深仪进行搭配测量。河宽可用测距仪进行测量，典型断面的流速、水深、基质可采用流速仪、标尺、筛子进行测量。

如图2所示，本方案优选河流地貌单元分类表包括主河槽、河漫滩和河岸带三个层级，主河槽按照淹没、沉积物、植被3区进行划分，共13种地貌单元；

其中，淹没区域有8种，沉积物区域有3种，植被区域有2种，淹没区域依据地貌单元的成因，分为壶穴、深潭2种侵蚀地貌单元及小瀑布、浅滩、急滩、跌水、滑水、沙丘6种冲积地貌单元；沉积物区域依据地貌单元所处空间位置，分为在河流中央的江心洲、心滩与河流一侧的边滩；

植被区域依据植被覆盖类型、面积划分为灌木障与水生植被，灌木障指直径＞10cm、长度＞1m的木片或整棵连根拔起的树木以堵塞或堆积形式组织，且其面积＞5m

所述河漫滩包括枯水期有水的次级河道和漫滩湖泊及枯水期无水的台地、崖坡、自然堤和漫滩沉积物；所述河岸带为有植被护岸或无植被护岸。

在步骤S2中，获取河流地貌单元分类表中每种地貌单元的多张遥感影像，并对所有遥感影像进行灰度化处理，将同一地貌单元灰度值扩展为一灰度区间；下面举例对扩展为一灰度区间进行说明，假设某一地貌单元的多张遥感影像的灰度值分别为155、156、153、158，此种情况下可以将灰度值扩展为154～159。

在步骤S3中，根据研究资料和实地调查数据确定研究河段的河流类型，根据实地调查数据和河流地貌单元分类表，排除研究河段不存在的地貌单元；

地貌单元与河流类型有关，控制地貌单元的水流和沉积物输送过程受到河流(如坡度、河流平面形态)和更大尺度因素的影响形成不同的地貌单元。因此，地貌单元识别前，应先明确河流的类型，从而提高识别效率。河流的类型分别为：

顺直河流水流相对较急，在地形起伏变化较大的区域，易形成跌水(Step)、小瀑布(Cascade)等地貌单元；河流的蜿蜒性发育常发生于松散堆积物组成的冲积平原，蜿蜒河流水深流速呈现多样性，地貌单元较为丰富，深潭(Pool)、浅滩(Riffle)、牛轭湖(Oxbowlake)是蜿蜒河流常见地貌单元；分汊型河流常见于平原地区，心滩((Middle bar)、江心洲(Island)是其常见地貌单元。

此外，对于河漫滩较为发育的平原河流，其主河槽、河漫滩、河岸带三个层级都需要关注；对于河漫滩难发育或者不发育的山区河流，需因地制宜，对于部分山区河流可重点关注主河槽与河岸带两个层级的地貌单元。

在步骤S4中，获取研究河段处于枯水期、平水期和洪水期，且覆盖研究河段的遥感数据影像，并对三种遥感数据影像进行灰度化处理；此处的灰度化处理可以采用现有技术中比较成熟的技术实现。

在步骤S5中，根据水域的灰度值区间和河流的几何形状，提取研究流域在枯水期、平水期和洪水期灰度化后的遥感数据上的河流边界。水域的灰度值区间可以类似于地貌单元的灰度区间的获取方式进行提取。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S5进一步包括：

S51、将灰度化处理后的灰度图像划分成若干方形区块，所述方形区块的宽度小于研究河段的最小宽度；

S52、根据方形块中每个像素点的灰度值，计算每个方形块的灰度均值，之后分割出灰度图像中灰度均值位于预设区间内的灰度图像，得到分割图像；

S53、采用8-邻域跟踪方法，对分割图像中断续的边界进行拼接，得到连贯图像；

S54、采用目视解译的方式，选取连贯图像中连续、且几何形状表现为长条形的区域作为研究流域的河流边界。

在步骤S6中，采用ENVI对遥感数据影像进行解译，获取三种时期的河流边界内的植被覆盖程度及距离对应河流边界预设距离范围内的植被覆盖程度；

在步骤S7中，根据三种河流边界及每种地貌单元的灰度区间，对研究河段进行地貌单元的粗识别；

实施时，本方案优选所述步骤S7进一步包括：

将枯水期的河流边界内的区域划分为主河槽淹没区域，将平水期的边界至洪水期的边界间的区域划分为河岸带；

根据平水期对应的河流边界内的灰度值，确定主河槽的沉积物区域；根据距离平水期的河流边界设定范围内区域的灰度值，确定研究河段一侧是否有边滩地貌单元；

根据平水期对应的河流边界内的灰度值及植被覆盖面积，确定主河槽的植被区域的地貌单元；根据距离平水期的河流边界预设距离范围内的植被覆盖程度，确定研究河段的河岸带为有植被护岸或无植被护岸的地貌单元。

在步骤S8中，根据植被覆盖程度及实地调查数据中的流速、水深分布和基质组成，对粗识别时对应于多种地貌单元的区域进行二次识别，得到最终的分类结果。

在本发明的一个实施例中，对淹没区域中对应于多种地貌单元的区域进行二次识别的方法包括：

将水深大于预设水深范围上限，且流速大于预设流速范围上限的区域划分为壶穴；将大于预设水深范围上限，且流速小于预设流速范围下限的区域划分为深潭；将水深小于预设水深范围下限，流速位于预设流速范围，且卵石大于预设尺寸范围上限的区域划分为小瀑布；

将流速大于预设流速范围上限，卵石位于预设尺寸范围的区域划分为急滩；将水深小于预设水深范围下限，流速位于预设流速范围，且卵石小于预设尺寸范围下限的区域划分为浅滩；将水深大小于预设水深范围下限，流速小于预设流速范围下限，且主要有沙组成的区域划分为沙丘；

将单元长度小于预设长度，河床垂直下降的区域划分为跌水；将河床纵剖面规则、水面平滑或者波纹状，与河床平行，且流速位于预设流速范围的区域划分为滑水。

对主河槽沉积物区域中对应于多种地貌单元的区域进行二次识别的方法包括：

将位于研究河段一侧的泥沙堆积体划分为边滩；将位于研究河段中央，中水位时出露水面的区域划分为红心洲；将位于研究河段中央，中水位时淹没的区域划分为心滩；

对主河槽植被区域中对应于多种地貌单元的区域进行二次识别的方法包括：

主河槽植被区域的识别方法包括：将堵塞或堆积形式组织，且面积大于5m

对河漫滩中对应于多种地貌单元的区域进行二次识别的方法包括：

将尺寸和流量小于主河槽的区域划分为次级河道；将覆盖面积大于预设面积，水深位于预设水深范围的区域划分为漫滩湖泊；将上表面平坦的区域划分为台地；将斜坡区域划分为崖坡；将沿河由沉积物自然形成的堤岸划分为自然堤；将洪水期淹没河床以外的谷底部分所形成的沉积物区域划分为漫滩沉积物。

综上所述，本方案提供的河流地貌单元分类与识别方法能够实现研究河段地貌单元的识别，这样政府部门在后续对研究河段生态环境进行修复时，能够对整个河流物理生境进行准确评估。