[發(fā)明專利]土壤侵蝕最優(yōu)空間尺度選擇模型及其計(jì)算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810234967.4
• 申請日: 2018-03-21
• 公開（公告）號: CN108509702B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃解軍;任樂萌;黃秋萍;詹云軍;梁友嘉
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 武漢開元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42104
• 代理人: 潘杰;劉琳

本發(fā)明公開了一種土壤侵蝕最優(yōu)空間尺度選擇模型及其計(jì)算方法，所述模型為OSSM_t＝W(E)E_t+W(S)S_t其中t為尺度；OSSM_t為尺度t下的模型計(jì)算值；W(E)為信息熵的權(quán)重；W(S)為分形維數(shù)相似度的權(quán)重；E_t為歸一化信息熵值；St為歸一化分形維數(shù)相似度值；OSSM_t達(dá)到最大值時(shí)所對應(yīng)的尺度t為最優(yōu)空間尺度。所述方法包括如下步驟，1)獲取數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；2)計(jì)算土壤侵蝕強(qiáng)度等級圖的數(shù)據(jù)冗余度；3)計(jì)算土壤侵蝕強(qiáng)度等級圖的分形維數(shù)相似度；4)建立最優(yōu)空間尺度選擇模型。本發(fā)明提出了基于信息熵和分形理論的土壤侵蝕最優(yōu)空間尺度選擇方法，該方法從數(shù)據(jù)冗余度和空間特征表達(dá)能力兩個(gè)方面出發(fā)，較單一選擇標(biāo)準(zhǔn)更為合理，所選出的最優(yōu)空間尺度使兩者達(dá)到最佳平衡。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及屬于地球科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種土壤侵蝕最優(yōu)空間尺度選擇模型及其計(jì)算方法。

背景技術(shù)

土地是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人地矛盾的加劇，土壤侵蝕現(xiàn)象日益嚴(yán)重，極大的影響了自然環(huán)境和人類社會(huì)的發(fā)展。自然地理過程普遍存在空間尺度效應(yīng)，土壤侵蝕對空間尺度也具有一定的依賴性。空間尺度通常指空間幅度和空間粒度，前者是指研究對象在空間的持續(xù)范圍，后者是指最小可辨識單位所代表的特征長度、面積或體積，本文的尺度指空間粒度。隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，遙感成為土壤侵蝕研究的一種主要技術(shù)手段，而不同粒度的遙感影像會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果的差異，因此，土壤侵蝕的最優(yōu)空間尺度選擇對于土壤侵蝕的過程和機(jī)理研究具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

尺度效應(yīng)對土壤侵蝕及其他相關(guān)領(lǐng)域(如自然地理、水文等)研究具有重要的意義，因?yàn)樗鼘ρ芯繑?shù)據(jù)的質(zhì)量、模型建立、結(jié)果輸出及決策支持有著顯著影響。對于最優(yōu)空間尺度選擇，有學(xué)者提出根據(jù)柵格圖像的空間特征與尺度的關(guān)系來判斷，如景觀指數(shù)尺度效應(yīng)曲線法，即利用空間尺度效應(yīng)曲線的突變點(diǎn)或保持平穩(wěn)的尺度域作為最優(yōu)空間尺度，這種方法的理論依據(jù)是柵格圖像在不同尺度上具有相似性，其空間特征指數(shù)(景觀指數(shù))的尺度效應(yīng)存在一定規(guī)律。廣泛應(yīng)用的方法是地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，如基于局部方差的方法、基于變異函數(shù)的方法，該方法是直接針對柵格圖像灰度值的變化情況來判斷最優(yōu)空間尺度，其理論依據(jù)是空間上相距較近的地物的相似性強(qiáng)于相距較遠(yuǎn)的地物。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法主要分析遙感數(shù)據(jù)的線性特征，然而，在遙感數(shù)據(jù)中線性特征與非線性特征同樣顯著。分形理論作為非線性特征的重要研究工具，可以衡量圖像的復(fù)雜程度，多尺度下分形維數(shù)變化情況可以表達(dá)圖像空間特征的變化過程，許多學(xué)者利用分形的這一特性來判斷最優(yōu)空間尺度。

在以上研究中，景觀指數(shù)尺度效應(yīng)曲線法考慮到信息保存量突變，而地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法選取準(zhǔn)則是空間異質(zhì)性較大，分形則是以空間特征表達(dá)能力的強(qiáng)弱來選取最優(yōu)空間尺度。選取準(zhǔn)則不同，結(jié)果也會(huì)有差異，因此，以單一準(zhǔn)則選取最優(yōu)空間尺度，具有一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決上述背景技術(shù)存在的不足，而提出的一種土壤侵蝕最優(yōu)空間尺度選擇模型及其計(jì)算方法，以不同空間尺度下土壤侵蝕強(qiáng)度等級圖的數(shù)據(jù)冗余度和空間特征表達(dá)能力作為衡量指標(biāo)，分別利用信息熵和分形維數(shù)相似度來量化評價(jià)指標(biāo)，綜合兩者選擇土壤侵蝕研究的最優(yōu)空間尺度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的土壤侵蝕最優(yōu)空間尺度選擇模型，其特殊之處在于，所述模型為

OSSM_t＝W(E)E_t+W(S)S_t

其中，t為尺度，取值為圖像原始空間分辨率的整數(shù)倍；OSSM_t為尺度t下的模型計(jì)算值；W(E)為信息熵的權(quán)重；W(S)為分形維數(shù)相似度的權(quán)重；E_t為尺度t下的歸一化信息熵值；S_t為尺度t下的歸一化分形維數(shù)相似度值；OSSM_t達(dá)到最大值時(shí)所對應(yīng)的尺度t為最優(yōu)空間尺度。