黄土沟谷特征点簇及其空间结构模型研究_朱红春1_2_汤国安2_李永胜3

收稿日期收稿日期：2014-03-26；修订日期修订日期：2014-05-10

基金项目基金项目：国家自然科学青年基金项目（41001294、41301422）、国家自然科学基金面上项目（41471331）资助。作者简介作者简介：朱红春（1977-），男，山东泰安人，副教授，博士后，主要从事为DEM 数字地形分析、GIS 与遥感系统开发与应用研究。E-mail:sdny_xa@https://www.wendangku.net/doc/1213337932.html,

网络出版时间：网络出版地址：地理科学

SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA

黄土沟谷特征点簇及其空间结构模型研究

朱红春1,2，汤国安2，李永胜3

（1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛266510；2.南京师范大学虚拟地理环境教育部

重点实验室，江苏南京210046；3.中国冶金地质总局西北局，陕西西安710119）

摘要摘要：对黄土沟谷形态结构和发育演化起核心控制与标定作用的，是一系列具有自组织结构的特征点集。针对该特征点集，提出黄土沟谷特征点簇的概念，对其组织要素和基本特征进行了分析；研究创建一种采用非结构化、且能够有效表达拓扑结构与空间信息的黄土沟谷特征点簇空间结构模型；对基于DEM 数据获取的一个典型黄土小流域沟谷特征点，运用创建的点簇模型建立了具体的黄土沟谷特征点簇；最后，以点簇中的特征点追溯查找为例，验证了所创建的黄土沟谷特征点簇的应用价值。

关键词：黄土沟谷特征点；点簇模型；DEM ；面向对象；空间结构中图分类号中图分类号：TP343

文献标识码文献标识码：A

文章编号文章编号：1000-0690

引言

点分析法是广泛兴起并日益受到重视的模式

识别与特征分析方法，目前已在生态、传染病、地震、交通等领域得到成功的应用[1~4]；同时，在地理空间分析领域，特征点的提取和识别技术也已经得到应用，形成了地理对象统计表面上的关键点（山顶点、谷底点以及鞍部点）的空间关系及其时空运动特征探索研究[5~8]、利用山顶点和谷地点进行区域总体地貌的趋势面分析、利用地形特征点与特征面相结合进行地貌形态划分[9]、利用沟谷网络及其节点研究黄土沟谷地貌的空间分异规律[10~15]等一系列重要的研究成果。上述已有的研究成果已经充分证明：基于地学对象特征点的提取结果，研究该地学对象的空间规律及其演化机理，具有重要应用价值和科学意义。已有的研究发现：在黄土地区沟谷体系的发育过程中，起决定性作用及对沟谷地形起标定作用的，往往就是诸如局部侵蚀基准点、沟谷源点、裂点、沟谷节点、等沟谷特征线上的形态控制和属性跃迁的关键点位（图1）。但现有基于特征点进行黄土沟谷特征的研究工作着眼点大都以孤立的点层或同类点群进行的，仅仅

以沟谷节点、侵蚀动力点[13,16]为对象研究了黄土沟谷特征点的提取方法以及黄土沟谷的形态结构与发育演化特征，缺乏全面、系统化针对黄土沟谷特征点集的特征分析、一体化存储与表达数据模型、及其应用于沟谷形态空间格局与演化动力分析的研究。

本文以系统、全面地分析黄土沟谷特征点集为目标，系统提出针对特征点集的黄土沟谷特征点簇概念模型，提出并建立黄土沟谷特征点簇空间结构模型，并对应用该模型的沟谷分析性能进行比较验证，进而为实现基于点模式的黄土地貌形态格局分析与发育演化动力研究，提供空间数据模型准备与方法支持。

1黄土沟谷特征点簇的概念涵义

1.1黄土沟谷特征点的类型

黄土沟谷特征点是对黄土沟谷的发育以及沟谷形态起重要控制作用的核心点位，黄土沟谷特征点的基本类型如图1所示。

径流源点（也称沟谷源点）是产生径流过程的起点，即形态上沟谷的起始点；沟谷节点是在沟谷体系中，沟谷之间在空间上形成的交汇点；沟谷中

2015-01-22 15:57https://www.wendangku.net/doc/1213337932.html,/kcms/detail/22.1124.P.20150122.1557.002.html

地理科学

点是某个沟谷段的几何中点；沟头点是沟谷发育产生的跌坎上端与沟缘线的交汇点，它的确定取决于沟谷上游地形的三维形态结构而不是径流过程[17]；裂点是溯源侵蚀作用下沟道坡度突变的部位；局部侵蚀基准点（也称流域出口点）为流域的出水口，控制整个水系的发育。1.2黄土沟谷特征点簇的概念

黄土沟谷特征点簇的概念可以表述为：在黄土地貌区的流域中，对沟谷体系发育起决定性作用（如沟头点、裂点、侵蚀基准点）或对沟谷地形起标定性作用（如沟谷节点、径流源点、沟谷中点等）的特征点组成的有机整体，这些特征点之间具有明确的层级关系和严格的空间拓扑约束。1.3黄土沟谷特征点簇的特征

初步的研究发现，沟谷特征点簇具有：①层次结构性：点簇的各特征点之间呈现点、层、簇的体系结构，且维持良好的空间关系；②发育相关性：在沟谷发育的不同阶段，点簇的各个特征点数量、等级与位置关系、形态与组织结构、属性信息都随之发生变化；③等级关联性：点簇的特征点，如径流源点与侵蚀基准点在沟谷特征点体系中，可以分别视为末级和区域最高级的沟谷节点；沟谷节点的等级结构存在数量上的数学函数关系；④区域差异性：不同地貌类型区（特别是不同地貌发育模式的区域）的沟谷具有发育进程及形态的差异性，沟谷特征点的空间组合关系与变化特点也随之不同。

2基于DEM 的黄土沟谷特征点簇数

据获取实验

数字高程模型（Digital elevation model,DEM ）是进行地貌和沟谷信息提取的主要数据类型，目前已有广泛的应用[17~20]。本研究基于DEM 数据及其数字地形分析方法，以陕北黄土高原典型的沟谷地貌区为实验区，进行黄土沟谷特征点簇的数据获取实验。

2.1实验样区与实验数据

本研究从陕西省甘泉县城东南部洛河中游地区截取一个完整的流域作为试验样区，该区域属于典型的黄土梁状丘陵沟壑区。所采用的DEM 数据成于1∶10000比例尺地形图，数据的水平栅格分辨率为5m×5m 。实验样区分布及DEM 数据如图2a 所示。

2.2基于DEM 黄土沟谷特征点提取

在本研究中，基于DEM 的黄土沟谷特征点簇的数据获取主要应用朱红春、钱柯健、谢轶群提出的方法[12~14]，得到的实验结果如图2b 所示。共提取黄土沟谷特征点237个，其中沟谷源点114个，沟谷结点113个，裂点9个，局部侵蚀基准点1个。

3黄土沟谷特征点簇空间结构模型设计与实现

3.1模型的基本要素

黄土沟谷特征点簇的属性由各类特征点的关键属性组成，主要有点类型、点级别、径流量、坡

图1黄土沟谷特征点结构

Fig.1The structure of gully feature points

朱红春等:黄土沟谷特征点簇及其空间结构模型研究

度、流速、

溯源侵蚀速度、水流方向等属性。3.2模型设计

1）概念设计。本研究采用面向对象建模技术构建沟谷特征点簇数据模型，点簇被表达为一个具有严格结构关系的对象，模型中记录每个特征点的空间信息和属性信息，同时需重点考虑：点簇对象信息类型及描述格式、点簇要素的空间结构关系与关联规则，同时还要考虑模型要素的更新与维护代价、基于点簇的沟谷分析效率等。

2）逻辑结构设计。在常规空间数据模型中，点状空间实体之间的拓扑关系只有重叠和不重叠

两种[21~23]。沟谷特征点簇数据数据组织采用层次模型的树型结构（图3）。在该模型中，空间信息用传统的XY 坐标的方式进行记录，特征点的属性信息独立记录；表征特征点之间的连接规则的层级和拓扑结构利用树型结构关系记录和维护。

3）数据结构的物理设计。沟谷特征点簇数据模型采用非结构化存储方式，将组成沟谷特征点簇的点要素的属性信息和空间位置信息存储于一个特定的文件中。沟谷特征点簇文件由文件头和记录体两部分组成。文件头记录了点簇的元数据信息；记录体则是点簇属性信息和拓扑信息的

图2实验样区（a ）与对应的DEM 数据（b ）、沟谷特征点提取结果（c ）

Fig.2The test area(a)and the DEM graph(b),gully points result(c)

图3模型的数据组织结构

Fig.3

Model data structure diagram

地理科学

所在部分，是数据文件的核心部分（表1）。

点簇记录体的拓扑结构采用隐式的方式实现，具体结构如图4所示。3.3模型的建立实现与应用分析

运用C#语言定义并实现了点簇数据结构模型，模型的文件格式采用纯文本格式记录形式，数据文件的扩展名采用.FPC （*.fpc ）。基于DEM 获取的实验区沟谷特征点和沟谷网络.shp 格式数据，通过网络路径自动搜索和特征点ID 变化自动匹配属性信息的方式，将沟谷特征点空间及属性信息

自动写入到点簇文件*.fpc 中。部分数据内容文本显示如图4所示。为验证该数据模型的可用性和有效性，以不同数量点集的特征点追溯查找为例，对比采用ESRI 的Shapefile 文件格式实现的实验区沟谷特征点存储结果（表2）。

由于Shapefile 文件只能存储单一几何类型的数据，且不支持拓扑关系的记录，因此在属性表中

添加上游点和下游点两个文本型字段来实现拓扑关联信息的记录；而*.fpc 文件在不增加额外拓扑信息记录段的情况下，实现了沟谷特征点之间层级关系的有效记录，使特征点之间保持了严格的层级和拓扑结构。同时在处理多条河流汇聚于一点的情况时，即一个节点有多个子节点的情况，可以轻松实现“多叉树”结构的编码，无需将其转换成二叉树进行编码存储，从而在一定程度上提高了效率。

3.4模型的应用展望

建立的黄土沟谷特征点簇数据模型，在实现黄土沟谷空间结构简化、关键信息存储与记录的基础上，同时可以方便快捷的进行黄土沟谷空间结构拓扑分析与属性分析。该模型的进一步应用主要有以下两个方面。

1）黄土沟谷特征点簇分析系统的建立与应用：主要应用该点簇模型，进行用于黄土沟谷特征

表1点簇模型的信息内容描述列表

Table 1Content description list of cluster model

图4点簇记录体的拓扑结构

Fig.4Topology structure of cluster recording

类别Head （文件头）

Point （记录体）

信息内容

Unit ：<坐标单位，字符形式>；CoordSysType ：<坐标系类型描述>；Spheroid ：<参考椭球描述>；Projection ：<投影类型，字符形式>；VerticalCRS:<高程基准，字符形式>；Min X :<最小X 坐标值：浮点数>；Min Y :<最小Y 坐标值：浮点数>；Max X :<最大X 坐标值：浮点数>；Max Y :<最大Y 坐标值：浮点数>；SCALE:<比例尺，整数>。

ID ：<特征点标识符，整数>；PtType ：<节点类型，字符形式>；PtRank ：<节点级别，整数，采用Shreve 分级方案>；

PtFlag ：<河道级别，整数，采用Strahler 分级方案>；FlowAcc ：<径流量，浮点数>；Slope ：<坡度，角度值，0~90°>；FlowSpeed ：<流速>；Erosion Rate ：<溯源侵蚀速度>；Direction ：<水流方向，方向值，2n >；X ：<点的X 坐标，浮点数>；Y ：<点的Y 坐标，浮点数>；Height ：<点的高程，浮点数>。

朱红春等:黄土沟谷特征点簇及其空间结构模型研究

分析的的黄土沟谷特征点簇原型分析系统。

2）基于点簇的黄土沟谷空间格局与溯源演化分析：研究构建点簇综合特征指数，进行黄土沟谷空间分布格局的分析；进一步构建用于描述沟谷特征点簇的侵蚀动力特征指数，进行黄土沟谷溯源侵蚀在空间上的分异规律分析。

4结论

本文在深入分析黄土沟谷成因机理、结构与形态特征的基础上，研究了黄土沟谷形态结构与控制、演化动力与控制的主要特征点类型及其特征，提出并系统建立了一种表征黄土沟谷综合特征的黄土沟谷特征点簇的概念模型；基于高精度DEM数据，采用相对成熟的沟谷特征点提取方法，实现了黄土地貌区的一个小流域的沟谷特征点提取；在分析现有空间数据结构拓扑信息存储方式的基础上，运用面向对象建模的基本思路，研究创建了一种采用非结构化文件存储方式，且能够有效描述与表现点簇拓扑结构与空间信息的黄土沟谷特征点簇空间结构模型；在此基础上，运用C#语言，对获取的实验地貌区黄土沟谷特征点，建立了完整小流域的沟谷特征点簇模型，并实现了该点簇数据模型的可视化结果显示；最后，展望了构建黄土沟谷点簇原型分析系统的功能结构、以及基于点簇模型进行黄土沟谷空间格局分析与演化规律探究的进一步应用方向。

本研究实践了在保有关键结构与空间特征信息基础上，进行复杂地学现象空间降维简化处理与建模的科学应用。今后进一步工作的重点是：对沟谷特征点簇表现出的空间形态特征、类型结构特征、属性描述特征进行分析，研究对其进行表达和描述的指标体系，建立统一的点簇特征指数；研究沟谷特征点簇的空间分异规律，分析其形态结构在黄土地貌区的空间格局；对沟谷发育机理做进一步的研究，探索利用黄土沟谷特征点簇研究流域地貌的发育方向与进程。

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表2特征

特征点查找效率对比统计表

点查找效率对比统计表Table2Feature points seeking efficiency comparison

特征点数

50

100

200

400

所耗时间（ms）Shapefile文件

129

236

402

633

*.fpc文件

67

109

183

260

地

理科学

The Loess Gully Feature Points Cluster and Its Spatial Structure Model Establish

ZHU Hong-chun 1,2,TANG Guo-an 2,LI Yong-sheng 3

(1.Geomatics College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266510,China ;2.Key Laboratory of Virtual Geographic Environment of Ministry of Education,Nanjing Normal University,Nanjing,Jiangsu 210046,China;

3.Northwest Bureau of China Metallurgical Geology Bureau,Xi ’an,Shaanxi 710119,China )

Abstract

Abstract:In the loess gullies,a series of key features points set play important roles such as central control and calibration for its Morphology and development.For the gully feature points set,systematically studying the scientific meaning,building the structural integrated data model,and studying the loess gully landform ’s spa-tial differentiation of evolutionary tracks and development by using the data model have important scientific significance and practical application value.So,the concept meaning of loess gully feature points cluster is pre-sented and analyzed.Loess gully feature points cluster is a points ’organic whole which plays a decisive role (such as gully head point,break point,et al.)or Calibration role of the terrain (such as gully node point,runoff source point,et al.)in a loess watershed.Based on DEM data,the gully feature points of a typical completed watershed in the loess landform are https://www.wendangku.net/doc/1213337932.html,ing object-oriented modeling ideas,an unstructured file stor-age mode of the loess gully points cluster is researched and created.The data model can effectively describe a performance points cluster topology and spatial information.The loess gully points cluster model of test area is achieved through programming.A case study as the feature points retrospective sought,the processing efficien-cy is higher by comparing .shp data mode.The research results show that:the loess gully feature points cluster retains the key character of loess gully,and especially has obvious advantage on expressing the morphological structure characters.The points cluster space model uses the tree and non storage structure,so its structure is clear and its description information storage is simple.At the same time,the points cluster model application has higher efficiency in the valley spatial structure analysis.

words Key words:the loess gully feature points;cluster model;DEM;object-oriented;spatial structure

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