一种基于地貌参数的土层厚度估算方法
阅读说明：本技术 一种基于地貌参数的土层厚度估算方法 (Soil layer thickness estimation method based on landform parameters ) 是由 肖婷 田卫明 邓云开 于 2021-01-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于地貌参数的土层厚度估算方法,属于土壤地质勘测领域。方法包括：利用研究区栅格点剖面曲率分布情况获取研究区第一参数,利用研究区坡度分布情况及各子区域的临界坡度和内摩擦角计算各子区域的第二参数,利用研究区各样本点相对位置的投影情况拟合出第三参数函数。对样本点的第一参数、第二参数和第三参数和厚度值进行训练,通过待评估点的剖面曲率、所属子区域和相对位置分别计算出第一参数、第二参数和第三参数,输入训练好的模型,预测出待评估点厚度值。本发明集合了区域斜坡演化历史和现有地表形态信息,能一定程度上突破以往估算方法中精度与通用性不太兼容的问题。(The invention discloses a soil layer thickness estimation method based on landform parameters, and belongs to the field of soil geological survey. The method comprises the following steps: and obtaining a first parameter of the research area by utilizing the distribution condition of the section curvature of the grid points of the research area, calculating a second parameter of each sub-area by utilizing the distribution condition of the gradient of the research area and the critical gradient and the internal friction angle of each sub-area, and fitting a third parameter function by utilizing the projection condition of the relative position of each sample point of the research area. And training the first parameter, the second parameter, the third parameter and the thickness value of the sample point, respectively calculating the first parameter, the second parameter and the third parameter according to the section curvature, the sub-region and the relative position of the point to be evaluated, inputting the trained model, and predicting the thickness value of the point to be evaluated. The method integrates the regional slope evolution history and the existing surface morphology information, and can break through the problem that the precision and the universality are not compatible in the conventional estimation method to a certain extent.)
技术领域
本发明涉及土壤地质勘测领域，尤其是一种基于地貌参数的土层厚度估算方法。
背景技术
土层厚度是很多地质环境研究中的一个重要参数，例如边坡稳定性、斜坡水文、地震局部效应、地形地貌演变、土壤水分布、热通量分布和土壤保护等。研究区范围较小时，通过直接或间接的测量方法精确测量多个样本点土层厚度，可以满足研究区精度需求。当研究区为区域尺度时，由于时间、人工和设备成本等原因，无法完成大范围的实地精确测量，因此需要采用科学的估算方法来获得全区的土层厚度图，以用作复杂环境模型的输入参数。目前，区域尺度上厚度估算应用的方法主要是两类：一是将土层厚度直接近似于地表形态参数(高程、坡度或曲率)，该方法结果太粗糙，仅能应用于对土层厚度精度要求较低的区域；二是建立土层厚度与环境标志因素的关系模型，环境标志因素为数字高程中直接提取的高程、坡度、曲率、地层岩性、比集水面积、地形湿度指数、径流强度指数等，该方法下的土层厚度估算分布图存在数值上空间连续性差、误差较大的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于地貌参数的土层厚度估算方法，以提高三峡库区堆积层地貌区域土层厚度估算的精度。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于地貌参数的土层厚度估算方法，应用于三峡库区堆积层地貌，方法包括：
分别计算研究区各样本点的第一参数C、第二参数S和第三参数P：
A.获取研究区内所有栅格点的剖面曲率c；设定一占比值使得该占比内的点的剖面曲率c在(-x,x)之间，对于各栅格点的第一参数C：对于剖面曲率c大于x的点，设定其第一参数C为0，对于剖面曲率小于-x的点，设定其第一参数C为1，其余点的第一参数为(x-c)/2x；根据各样本点的剖面曲率c计算各样本点的第一参数C；
B.将研究区或分为若干子区域，分别获取各子区域的坡度s、临界坡度θ和内摩擦角对于各子区域，根据其坡度s、临界坡度θ和内摩擦角设定第二参数S：
根据各样本点的坡度s计算各样本点的第二参数S；
C.将样本点厚度值作为纵坐标，样本点的相对位置p作为横坐标投影到坐标系上，点位的相对位置p的值为该处至顶点的水平距离与斜坡水平长度的比值；根据投影的样本点，拟合出恰好能够覆盖坐标中所有样本点的函数，该函数的横坐标为相对位置p，纵坐标为第三参数P；通过各样本点的相对位置p计算各样本点的第三参数P；
将研究区中各样本点的厚度值T、第一参数C、第二参数S和第三参数P输入预构建的机器学习模型进行训练，得到预测模型。
进一步的，计算第三参数的方法C中，投影到坐标系上的所述样本点厚度值，为归一化后的厚度值。
进一步的，计算第三参数的方法C中，所述恰好能够覆盖坐标中所有样本点的函数为折线函数。
进一步的，所述占比值为90％。
进一步的，所述机器学习模型为随机森林机器学习模型。
进一步的，所述基于地貌参数的土层厚度估算方法通过土层厚度估算装置实现，该土层厚度估算装置包括：
第一计算单元，该第一单元配置有地理信息系统和第一配置模块，所述第一计算单元通过所述地理信息系统获取研究区内所有栅格点的剖面曲率c；所述第一配置模块用于配置所述占比；所述第一计算单元根据所述第一配置单元配置的所述占比，计算出x和-x，构建出第一参数C的计算公式：
第二计算单元，该第二计算单元配置有区域划分模块和第二配置模块，所述区域划分模块将研究区划分为若干子区域，所述第二配置模块用于配置各子区域的坡度s、临界坡度θ和内摩擦角所述第二计算单元配置各子区域的第二参数S：
第三计算单元，该第三计算单元配置有坐标投影模块和函数拟合模块，所述坐标投影模块用于将样本点厚度值作为纵坐标，样本点的相对位置p作为横坐标投影到坐标系上；所述函数拟合模块用于拟合出恰好能够覆盖坐标中所有样本点的函数，该函数的横坐标为相对位置p，纵坐标为第三参数P；
机器学习模型，该机器学习模型为预构建的学习模型，用于对各样本点的厚度值T、第一参数C、第二参数S和第三参数P进行学习建模；
将待估算点位的剖面曲率c输入第一计算单元得到第一参数C，将待估算点位所属的子区域输入第二计算单元得到第二参数S，将待估算点位相对位置p输入第三计算单元得到第三参数P，将第一参数C、第二参数S和第三参数P输入训练好的模型，即可预测出对应的厚度T。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明利用了地质地貌的自然规律，将其特征进行参数表征，再结合地质参数与厚度的关系，借助机器学习的手段，实现对区域厚度的准确评估。并且，本发明完全根据研究区地质地貌的参数特征进行估算，因此，具备较强的通用性。
2、本发明结合了区域斜坡演化历史和现有地表形态信息，使得对于区域厚度评估的估值能够突破以往估算方法的精度。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是样本点投影及函数拟合示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
本实施例公开了一种基于地貌参数的土层厚度估算方法，应用于三峡库区堆积层地貌，方法包括以下步骤：
A.计算第一参数C的步骤：参数C代表的是剖面曲率c对土层厚度的贡献度。
通过GIS(地理信息系统)获取研究区内所有栅格点的剖面曲率c；设定一占比值，使得该占比内的点的剖面曲率c在(-x,x)之间；对各栅格点设置第一参数C：
对于剖面曲率c大于x的点，设定其第一参数C为0；对于剖面曲率小于-x的点，设定其第一参数C为1；其余点的第一参数为(x-c)/2x。
显然，对于不同的研究区，x的值取值不一，这也致使不同研究区中各栅格点的第一参数C不一。
B.计算第二参数S的步骤：
将研究区或分为若干子区域，分别获取各子区域的坡度s、临界坡度θ和内摩擦角临界坡度θ和内摩擦角取决于研究区内岩土体参数特征。对于各子区域，根据其坡度s、临界坡度θ和内摩擦角设定第二参数S：
当坡度大于临界坡度θ时，认为表面物质腐蚀和滑移较为彻底，仅留下基岩面；当坡度小于内摩擦角时，认为坡度对土层厚度的影响忽略不计。
C.计算第三参数P的步骤：参数P用来表示斜坡剖面上点位的相对位置p与土层厚度的关系。
点位的相对位置p的值为该处至顶点的水平距离与斜坡水平长度的比值。将样本点厚度值作为纵坐标，样本点的相对位置p作为横坐标投影到坐标系上；根据投影的样本点，拟合出恰好能够覆盖坐标中所有样本点的函数，该函数的横坐标为相对位置p，纵坐标为第三参数P，通过该函数，可以得到研究区中任一点的第三参数P。
将研究区中各样本点的厚度值T、第一参数C、第二参数S和第三参数P输入预构建的机器学习模型进行训练，训练后的模型，即可用于预测整个研究区的厚度值。将待估算点位的三个参数C、S、P输入训练好的模型，即可预测出对应的厚度T。三个参数C、S、P的计算方法为：将待评估点的剖面曲率c利用第一参数C计算方法计算得出，将待评估点所属子区域利用第二参数S计算方法计算出，将待评估点的相对位置p利用第三参数P计算方法计算出。
本发明实施例的方案还可扩展到其他地质地貌中进行使用，只需要对应于所研究区域的地貌特点，对参数进行适应性调整即可。
实施例二
本实施例公开了一种基于地貌参数的土层厚度估算方法，应用于三峡库区堆积层地貌，方法涉及三个参数，分别为第一参数C、第二参数S和第三参数P。研究区中样本点厚度值T与三个参数C、S、P存在非线性函数关系(T＝f(C,S,P))，本实施例通过随机森林机器学习模型对样本点进行训练建模，再用训练好的模型预测整个研究区的厚度值。三个参数的计算方法如下：
1、第一参数C的计算方法
第一参数C代表的是剖面曲率c对土层厚度的贡献度。首先，通过野外调查及地质认识，确定研究区内剖面曲率与土层厚度的关系(正相关、负相关或其他简单的多段线性关系)。以三峡库区堆积层地貌为例，其斜坡剖面曲率c与土层厚度T呈负相关关系，通过GIS提取研究区内所有栅格点的剖面曲率，90％的剖面曲率c都在(-x，x)之间，则：剖面曲率大于x的点，其参数C为0；剖面曲率小于-x的点，其第一参数C为1；其余点的第一参数C值为(x-c)/2x。
2、第二参数S的计算方法
第二参数S代表的是坡度s对土层厚度的贡献度。根据自然规律可以近似判定：当坡度大于临界坡度θ时，认为表面物质腐蚀和滑移较为彻底，仅留下基岩面；当坡度小于内摩擦角时，认为坡度对土层厚度的影响忽略不计。临界坡度θ和内摩擦角取决于研究区内岩土体参数特征。本实施例将研究区划分为几个子区域，同子区域内第二参数S为定值。第二参数S的取值与坡度s、临界坡度θ和内摩擦角三者相关，公式如下：
3、第三参数P的计算方法
第三参数P用来表示斜坡剖面上该点位的相对位置p与土层厚度的关系。在某斜坡上，坡顶相对位置p为0，坡底相对位置p为1，任意处的相对位置p值为该处至顶点的水平距离与斜坡水平长度的比值。建立二维坐标图，横坐标为相对位置p，纵坐标为样本点厚度归一化后的厚度值，将样本点全部点投于该图中。用一条折线或简单函数曲线(即可用函数表示出)，使其恰好能覆盖图中所有的样本点，如图1所示，该折线/曲线的横坐标为相对位置p，纵坐标为第三参数P(例如下图所示)。通过该折线/曲线函数(P＝f(p))，可得到研究区任意位置处的第三参数P值。
实施例三
本实施例公开了一种基于地貌参数的土层厚度估算系统，包括第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和机器学习模型。
第一计算单元，该第一单元配置有地理信息系统和第一配置模块，所述第一计算单元通过所述地理信息系统获取研究区内所有栅格点的剖面曲率c；所述第一配置模块用于配置所述占比；所述第一计算单元根据所述第一配置单元配置的所述占比，计算出x和-x，构建出第一参数C的计算公式：
将待评估点的剖面曲率c输入第一计算单元，即可得到对应的第一参数C。
第二计算单元，该第二计算单元配置有区域划分模块和第二配置模块，所述区域划分模块将研究区划分为若干子区域，所述第二配置模块用于配置各子区域的坡度s、临界坡度θ和内摩擦角所述第二计算单元配置各子区域的第二参数S：
通过待评估点所属子区域，通过第二计算单元所计算的各子区域的第二参数S，即可匹配出待评估点的第二参数S。
第三计算单元，该第三计算单元配置有坐标投影模块和函数拟合模块，所述坐标投影模块用于将样本点厚度值作为纵坐标，样本点的相对位置p作为横坐标投影到坐标系上；所述函数拟合模块用于拟合出恰好能够覆盖坐标中所有样本点的函数，该函数的横坐标为相对位置p，纵坐标为第三参数P。对于函数拟合模块，通常来讲，其拟合出的函数只要能够用函数进行表述，并且符合覆盖样本点的要求，则拟合结果所计算出的第三参数P相差不会太大，对于最终的训练结果影响不大，不会出现跳变等情况，符合自然规律。
将待评估点的相对位置p对应到第三计算单元拟合出的函数上，即可得到对应的第三参数P。
机器学习模型，该机器学习模型为预构建的学习模型(如随机森林机器学习模型或其他机器学习模型，本发明对学习模型不进行限制)，机器学习模型用于对各样本点的厚度值T、第一参数C、第二参数S和第三参数P进行学习，构建出预测模型。所属领域技术人员应道知道，对于训练后的模型，第一参数C、第二参数S和第三参数P作为输入，厚度值T作为输出。
本实施例还公开了一种利用土层厚度估算装置实现基于地貌参数的土层厚度的估算方法，包括：
将待估算点位的剖面曲率c输入第一计算单元得到第一参数C，将待估算点位所属的子区域输入第二计算单元得到第二参数S，将待估算点位相对位置p输入第三计算单元得到第三参数P，将第一参数C、第二参数S和第三参数P输入训练好的模型，即可预测出对应的厚度T。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
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