河流平面形态变化检测中的应用研究

河流平面形态变化检测中的应用研究

张庭瑜1,2，申江龙1,2

陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安710075

2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安710075)

摘要：河流平面形态变化对农业生产、土地权属和边境安全等影响深远，对其详细情况和产生原因的研究具有重要意义。实现河流平面形态变化的空间关系描述则能够使其变化信息细化和形式化，继而为其详细情况和产生原因的研究提供重要的参考信息。然而，河流平面形态复杂多样且受水位变化影响较大，导致河流平面形态变化是复杂目标的复杂分布并且存在因水位变化引起的动态性变化问题，因此，其空间关系描述成为一个地理信息科学难题。另外，现有变化检测偏重变化发现，而对于变化类型的细化推断能力不足，通常需要结合辅助知识以人工判读的方式对变化类型进行判定。加之，遥感地理信息大数据时代的到来使得群态目标的变化类型推断及其自动化成为迫切需求。总之，河流平面形态变化的空间关系描述可为群态复杂目标和复杂分布的空间关系描述提供理论基础，其在变化检测中的应用可实现群态目标变化类型及其性质的推断，继而为变化检测的自动化提供技术论证，其研究具有重要意义。

关键词：河流，形态变化，检测

1引言

空间关系描述研究日新月异，其对于空间目标形态变化的细化和形式化描述能力在变化检测和增量更新等方面具有广阔的应用前景。河流平面形态变化复杂多样，其空间关系描述尚存诸多问题有待解决[1]。若能实现河流平面形态变化的空间关系描述则能为其详细情况和产生原因的研究提供重要的参考信息，继而可实现河流平面形态的变化类型及其性质的推断，并为解决河流平面形态变化检测的新需求提供理论基础。随着空间关系描述研究的蓬勃发展，越来越多的学者早已不再驻足于空间关系描述的基本问题，而是探索空间关系描述辅助其他相关科学领域的研究和应用[2]。鉴于空间关系描述对形态变化的细化描述能力，其在变化检测和增量更新中发挥了重要作用[3]。

2河流平面形态变化空间关系描述

湖泊是陆地上低洼地区储蓄着的并且不与海洋发生直接联系的大量水体，河流是指在重力作用下，沿地表流动的条带状水体。自然界中往往存在湖泊与河流相连接的情况，本文称之为河流联合体，而以群体形式存在的湖泊群、河流群以及河流群在世界各地亦广有分布。本文统称湖泊、河流、河流联合体、湖泊群、河流群以及河流群为河流[4]。

2.1河流的重要性

河流是人类生存发展所需的重要自然资源，在农业生产、供水、航运、防洪、发电和维持生态平衡等方面具有不可或缺的重要地位。同时，人类活动对其水质、地貌形态和生物群落等变化产生了巨大影响。其中，地貌形态的变化对于人类认知而言较为直观，本文研究的河流平面形态是其地貌形态所约束的水体在平面上的表现，在很大程度上反映了其地貌在平面上的形态。河流平面形态变化对于农业生产、权属和边境安全等具有重要意义，如河流平面形态扩张将导致周边耕地面积减少，界河的平面形态变化将影响两国相邻土地的权属，进一步可能对边境安全产生重大影响。

2.2河流平面形态

河流分布于世界各地的不同地理环境中，其因自然作用和人为活动等复杂因素的影响形成了纷繁复杂的平面形态，其在细节表现上是各不相同的。随着时间的推移，河流平面形态将产生更为复杂的变化情况。河流平面形态在 GIS 中的表现往往难以用简单目标(简单点、简单线、简单面)表达，其变化对应群态复杂目标之间复杂分布的空间关系。河流平面形态变化的空间关系描述实质上是现实世界中的一类物体(现实性目标)之间的空间关系描述，其复杂度极高。从现实性目标转换到一般性目标的空间关系描述尚需更加深入的研究，现有的空间关系描述方法难以解决此问题。

3 河流平面形态的变化检测

变化检测是将同一空间范围不同时间的空间目标匹配并提取出变化信息的过程，主要工作包括空间目标匹配、变化发现及其类型推断。应用遥感技术能够快速获取大范围高精度的平面形态数据，地理信息技术的应用也使得人们能够快速的查询、处理和分析大量的平面形态数据，遥感和地理信息技术正被广泛的应用在湖泊河流平面形态的变化检测中。然而，由于变化检测技术与各种时间、空间、数据质量和数据结构等关联紧密，其分析和处理较为复杂，仅用一类检测方法不足以反映整个研究对象的全部变化。

3.1细化变化检测的需求

为了更加全面的对研究对象进行变化检测，往往需要加入一些辅助元素，如数字高程模型、地形学知识和几何学知识等。基于多时相地学信息图谱对青藏高原湖泊群平面形态进行了变化检测，探讨了该湖泊群平面形态变化与气候变化的响应关系。应用河段的几何学特征代替其部分高程数据进而实现了河网的变化检测。综合应用遥感、地理信息和野外测量技术检测因洪水导致的河平面形态的变化。应用高时间分辨率的多时相MODISNDVI数据检测了黄河流域的地表覆盖及水文变化。然而，现有的湖泊河流平面形态变化检测研究的目的往往是分析湖泊河流平面形态整体变化的原因，对于湖泊河流平面形态的局部变化类型的推断不够细化且多依靠人工判读。因此，细化变化类型的推断成为变化检测的一个新需求。

3.2群态目标变化检测的需求

人们还没有对大数据时代形成具有共识的定义，但是，大数据时代的到来已被大部分学者认同。大数据具有海量的、高速的、多样的、价值巨大但密度较低的特点，其将导致数据处理的革命。全球地表覆盖产品发展迅速，其更新速度不断加快，分辨率不断提高，对于分析全球性变化来说，其是一个高效率、低成本的数据源。值得注意的是，当全球地表覆盖产品持续发展到一定程度，其必将成为一类地理信息大数据。我国于2014年发布的GlobeLand30数据产品空间分辨率达到30米，是迄今为止分辨率最高的全球地表覆盖数据产品，环境1号小卫星多时相遥感影像，包含2000年和2010年两期的全球地表覆盖产品，水体产品是其中的一个分类。GlobeLand30数据可以通过指定渠道免费获取，其精度已经被世界各地的用户验证。因此，它可以作为群态湖泊河流平面形态变化检测的重要数据源。可见，伴随着地理信息大数据的到来，数据源已不再是制约群态湖泊河流平面形态变化检测的瓶颈。但是GlobeLand30水体数据所展示的大量湖泊河流平面形态变化却没能被详细的描述和区分，使得面向群态湖泊河流平面形态的变化检测研究成为迫切需求。

4 结论

基于现实世界中湖泊河流平面形态的几何特性，考虑其分类规律，抽象出了湖泊河流平面形态实体，在此基础上，综合几何表现要素类型特点建立了多尺度下的湖泊河流平面形态几何表现模型。为降低空间关系描述目标的复杂度，提出了湖泊河流平面形态几何表现模型的分解策略进而归纳了湖泊河流平面形态基础几何表现模型，包括9种湖泊平面形态基础几何表现模型和9种河流平面形态基础几何表现模型。分析了湖泊河流平面形态基础几何表现模型的空间关系特性，为湖泊河流平面形态变化的空间关系描述提供了参考信息。

参考文献：

[1] 邓敏,李志林,吴静.空间关系理论与方法[M].北京:科学出版社,2013.

[2] 朱述龙.分割图像上的区域及其空间关系的表示[J].解放军测绘学院学报,1994,11(1):17-20. [3] 郭薇,陈军.三维拓扑空间关系的形式化描述及拓扑空间关系最小集[J].武汉水利电力大学学报,1996,29(4):85-90.

[4] 李成名,陈军.空间关系描述的9交模型[J].武汉测绘科技大学学报,1997,22(3):207-211.

[9] 陈军,赵仁亮.GIS空间关系的基本问题与研究进展[J].测绘学报,1999,28(2):95-102.

项目：陕西省自然科学基础研究计划（2022JQ-457）

陕西省土地工程建设集团内部科研项目（DJNY2021-10）（DJNY2022-16）

陕西省企业人才托举计划2021-1-2-1