地球信息科学学报 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (3): 474-481.doi: 10.12082/dqxxkx.2020.190381
收稿日期:
2019-07-17
修回日期:
2019-09-13
出版日期:
2020-03-25
发布日期:
2020-05-18
作者简介:
高海峰(1995— ),男,江苏盐城人,硕士生,主要从事人工智能算法、空间数据挖掘和并行计算等研究。E-mail:gaohaifeng@hhu.edu.cn
基金资助:
GAO Haifeng1, GE Ying1,*(), ZHANG Jie2, XIAO Shengchang2, CHEN Ke2
Received:
2019-07-17
Revised:
2019-09-13
Online:
2020-03-25
Published:
2020-05-18
Contact:
GE Ying
Supported by:
摘要:
土壤植被研究建立在精准坡位划分的基础上。但现有的坡位大多采用手工划分的方式,存在着自动化程度低、划分精度不高且耗时较长等问题。本文提出一种顾及复杂地形的坡位自动划分算法,尝试采用机器学习K-means方法解决高海拔山区坡位划分的问题,并在山峰区域提取、聚类数确定、以及初始聚类中心选取等关键技术进行了算法的优化。为了验证算法的有效性,以云南省姚安县为研究区,运用提出的算法对研究区坡位进行自动划分,再采用Calinski-Harabasz聚类评价指标、调整兰德系数ARI和误差平方和SSE等一系列方法对坡位K-means聚类划分实验进行分析和评价。研究结果表明,利用该算法所生成的复杂地形坡位与研究区实测等高线相匹配。其次,再从姚安县规划风电场任选4个场址,比较13×13、25×25、37×37三种适宜窗口下坡位自动划分结果,结果表明选取25×25适宜窗口进行坡位划分可靠性最强。再者,计算的规划风电场内山脊、坡肩及背坡比例高达57.13%,也从一个侧面证实了利用该算法划分的坡位结果良好。
高海峰, 葛莹, 张杰, 肖胜昌, 陈科. 面向复杂地形的坡位K-means聚类划分研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 474-481.DOI:10.12082/dqxxkx.2020.190381
GAO Haifeng, GE Ying, ZHANG Jie, XIAO Shengchang, CHEN Ke. K-means Classifier for Automatic Slope Position Detection in Mountainous Areas[J]. Journal of Geo-information Science, 2020, 22(3): 474-481.DOI:10.12082/dqxxkx.2020.190381
算法 3 基于K-means方法进行坡位聚类划分算法 |
---|
输入:山峰区域图;最优聚类数K;优选的山峰区域初始聚类中心μ1,μ2…μK;前后2次聚类中心的限差tol;聚类迭代次数iter 输出:坡位划分结果(1)按式(5)计算格点xi与初始聚类中心μk之间的欧式距离J(Ck);J(Ck)计算公式如式(5)所示。 (2)设最小欧式距离minDist对应的k为minIndex,判断J(Ck)<minDist,如果是,则minDist=J(Ck),minIndex=k。否则,继续循环k; (3)将xi的最小欧式距离及其对应的k存入列表[minDist, minIndex]; (4)遍历格点xi,重复执行(2)和(3),直至i=m; (5)按各聚类中心计算每一坡位聚类类别Ck的栅格单元均值作为新的初始聚类中心; (6)反复执行(1)~(5)步骤,直至聚类迭代次数达到iter或新的初始聚类中心与前一次初始聚类中心误差达到限差tol; (7)按minIndex生成坡位矩阵,确定划分结果。 |
表1
不同适宜窗口下各类型坡位格点所占比率统计
风电场 | 适宜 窗口 | 沟谷 | 坡脚 | 背坡 | 坡肩 | 山脊 | 总计 | ||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
格点数 | 占比 | 格点数 | 占比 | 格点数 | 占比 | 格点数 | 占比 | 格点数 | 占比 | 格点数 | 占比 | ||||||||
3 | 13×13 | 5531 | 42.84 | 3674 | 28.45 | 2652 | 20.54 | 1025 | 7.94 | 30 | 0.23 | 12 912 | 100 | ||||||
25×25 | 3864 | 29.93 | 3916 | 30.33 | 3556 | 27.54 | 1494 | 11.57 | 82 | 0.64 | 12 912 | 100 | |||||||
37×37 | 3350 | 25.94 | 4300 | 33.30 | 4102 | 31.77 | 1110 | 8.60 | 50 | 0.39 | 19 635 | 100 | |||||||
4 | 13×13 | 7925 | 40.36 | 6193 | 31.54 | 4110 | 20.93 | 1383 | 7.04 | 24 | 0.12 | 19 635 | 100 | ||||||
25×25 | 5758 | 29.33 | 6856 | 34.92 | 5493 | 27.98 | 1499 | 7.63 | 29 | 0.15 | 19 635 | 100 | |||||||
37×37 | 5684 | 28.95 | 7587 | 38.64 | 5543 | 28.23 | 821 | 4.18 | 0 | 0.00 | 22 841 | 100 | |||||||
9 | 13×13 | 8518 | 37.29 | 5518 | 24.16 | 4703 | 20.59 | 3396 | 14.87 | 706 | 3.09 | 22 841 | 100 | ||||||
25×25 | 4914 | 21.51 | 4879 | 21.36 | 5635 | 24.67 | 5899 | 25.83 | 1514 | 6.63 | 22 841 | 100 | |||||||
37×37 | 3839 | 16.81 | 4864 | 21.30 | 6496 | 28.44 | 6760 | 29.60 | 882 | 3.86 | 22 841 | 100 |
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