基于DEM的梯田特征提取方法研究

摘要：对于DEM来说,其所包含的地形信息非常的丰富。在本文的研究当中，以甘肃龙泉地区梯田作为研究对象，不仅分析了他们的形态特征，而且研究了他们在DEM当中具有怎样的表现形式。在这个基础之上，创建了以DEM为基础的梯田数学模型，并且研发了一个原型系统，改系统主要以DEM为基础来提取梯田信息，是一个既开放又实用的系统。建成系统之后，将所获取的梯田数据当成样本，把梯田与非梯田进行分离，这样的工作一方面可以作为估算以及检核农田面积时的依据，另一方面也让DEM地形模型的有了更高的精度。在本文的研究当中，主要是进行梯田与非梯田的分离。在这个过程当中使用了两种实验方法，一个是支持向量机算法，另一个是边缘检测算法。通过实验发现在进行梯田分离的过程当中边缘检测算法具有更好的效果。
 
关键词：梯田；DEM；坡

研究背景

       梯田的概念：梯田也是田地的一种,主要位于丘陵地带的山坡上面，通常情况下其是顺着等高线而形成的，形状主要是条状或者波浪状。梯田的作用非常多，主要是用来防止水土流失，不仅如此，其不仅可以用来蓄水，而且可以用来保土，此外在增产方面也有比较不错的效果。对于梯田来说，由于其特殊的形状，所以在通风透光这个方面具有很好的效果，因此其不仅可以促进农作物的生长而且能够让营养物质得到长期的积累。梯田根据田面坡度可以有多种类型的划分：第一：水平梯田，第二：坡式梯田，第三：复式梯田。梯田的宽度受多种因素的影响，一方面有地面坡度的大小，另一方面有土层厚薄，不仅如此还有耕作方式，此外劳力与经济条件也会影响宽度的大小。在对梯田进行修建的时候应该更多的让表土保留下来，在修好之后可以多种耕作方式相结合来让土壤更快的熟化，从而让土壤更肥沃。所选择的耕作措施非常多，比如深翻、增施有机肥料等等。 
       从人类发展的历史来看，粮食有着至关重要的作用。梯田并不是一开始就存在的，其是在发展的过程当中根据不同的地貌改造之后才慢慢形成的。在最开始的时候建造梯田是向在非常贫瘠的土地上面种植更多的作物。慢慢的发展到现在，梯田除了能够种植更多的农作物，还兼具了机器复杂的改造工程，所以也有很好的研究意义。其作用非常明显，不仅能够拦蓄暴雨，而且可以防止地表径流，不仅如此还能够保土保肥，此外在耕作方面也提供了很多的便利。基于这些优点，梯田就常常用来治理水土流失的问题。因此，在梯田的建设方面下功夫，不仅可以让生产条件得到很大的改善，而且也能让经济得到稳定的发展。
       数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是国家基础空间数据的重要组成部分，其可以用来表示地形的三维向量，也就是地表单元上高程的组合。高程信息可以表示地形的起伏，同时其还有很多其他的结构信息，比如梯田、等高线、山谷线等等。在进行地形分析的时候，这些分析至关重要。因此，对于我国现有的DEM所包含的梯田信息进行研究，一方面能够更快的对这些信息进行提取，另一方面能够对小流域梯田进行相应的改造，此外还能够进行水文分析以及水土保持等等，由此可以看出，研究DEM具有非常重要的现实意义。 
       随着科技的不断发展，图像识别技术也得到了快速的发展，并且逐渐演变成了热门课题。近年来相关的研究很多，研究成果也非常多，但是就梯田这个角度做出的研究还很少。不仅如此，已有的图像识别的方法在精度方面已经不能满足要求，因此研究更加先进的技术就显得非常迫切。
       在本次实验当中，以甘肃龙泉梯田作为研究对象，提起其相应的分析数据。甘肃的地理位置非常特殊，是三个高原的连接处，分别是青藏高原、蒙古高原以及黄土高原，同时其包含的河流非常多，不仅有长江流域，而且有黄河流域，此外还有内陆河流域。这样的地理条件让甘肃的自然条件相对来说比较恶劣，农业条件很不好，一方面干旱少雨，另一方面自然灾害也非常多。基于这样的原因，也让甘肃称为了水土流失叫多的省份。在甘肃其全省总共拥有土地面积42．58万平方公里，然而流失的面积就有21．13万平方公里，耕地面积仅有5406933hm2，其中坡耕地2780060 hm2，这个面积占水土流失以及耕地面积的13．15%和51．42%。然而在全省，其土壤流失的总量达到了35%。对于这些坡地来说，怎样将这些少量的水资源利用起来是一个大难题，所以在这些地区普遍出现了要靠天吃饭的现象。将这些坡地进行改造成梯田，一方面能够让土壤水库库容得到提升，另一方面能够让降雨径流被更好的得到拦截。基于这些原因，坡地就常常通过这个办法来增加农田的产量。梯田的作用非常明显，不仅能够让水土流失得到很好的控制，而且还能够更好的对雨水资源进行调控，所以其对于促进农业的发展有着至关重要的作用。

研究意义

       梯田地形特征非常独特，不仅体现在平面上，而且体现在剖面上。就现在存在的分类而言还没有准确的表现出其形态特征，所以在建模方面还存在一些困难。在本次研究当中，以甘肃龙泉地区梯田作为研究对象，一方面分析了其梯田地形的总体特征，另一方面也对其平面以及剖面进行了研究，不仅如此还深入分析了其集合测量特征，在此基础上对根据平面特征对其进行了分类。这样的分类不仅结合了总体特征与各种形态，而且可以更好地展现梯田独特的特征。本次研究成果给数学建模打下了基础，对与通过DEM来进行梯田的表达至关重要。