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12 KiB
Python
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12 KiB
Python
#!/usr/bin/env python3
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# -*- coding: utf-8 -*-
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"""
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||
DEM地形处理工具 - 计算坡度、坡向和太阳入射角余弦
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||
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||
该工具从DEM文件中提取坐标信息，根据给定时间计算太阳位置，
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并生成坡度、坡向和cosine_i的多波段ENVI文件。
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作者: BRDF_GUI Team
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版本: 2.0.0
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"""
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import xdem
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import rasterio
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import numpy as np
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import pandas as pd
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import argparse
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import sys
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from datetime import datetime
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from pathlib import Path
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import pvlib.solarposition as solarposition
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from rasterio.crs import CRS
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import pyproj
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def calc_cosine_i(solar_zn, solar_az, aspect, slope):
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"""
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计算入射角余弦（cosine i）。
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入射角余弦定义为地表法线与太阳天顶方向之间夹角的余弦值。
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所有角度输入必须为弧度。
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Args:
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solar_az (numpy.ndarray): 太阳方位角（弧度）
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solar_zn (numpy.ndarray): 太阳天顶角（弧度）
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aspect (numpy.ndarray): 地面坡向（弧度）
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slope (numpy.ndarray): 地面坡度（弧度）
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Returns:
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numpy.ndarray: 入射角余弦图像
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"""
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relative_az = aspect - solar_az
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cosine_i = (np.cos(solar_zn) * np.cos(slope) +
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np.sin(solar_zn) * np.sin(slope) * np.cos(relative_az))
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||
return cosine_i
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||
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||
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def get_dem_center_coords(dem):
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"""
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获取DEM图像中心点的经纬度坐标。
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Args:
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dem: xdem.DEM对象
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Returns:
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tuple: (纬度, 经度) - 单位：度
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"""
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# 获取DEM的范围边界
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bounds = dem.bounds # (left, bottom, right, top)
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center_x = (bounds.left + bounds.right) / 2
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center_y = (bounds.bottom + bounds.top) / 2
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||
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||
# 如果DEM是投影坐标系，需要转换为WGS84经纬度
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if dem.crs is not None and not dem.crs.is_geographic:
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# 创建从投影坐标系到WGS84的转换
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transformer = pyproj.Transformer.from_crs(dem.crs, CRS.from_epsg(4326), always_xy=True)
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lon, lat = transformer.transform(center_x, center_y)
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else:
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# 已经是地理坐标系（经纬度）
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lon, lat = center_x, center_y
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return lat, lon
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def parse_datetime(datetime_str):
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"""
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解析日期时间字符串。
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支持的格式：
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- YYYY-MM-DD HH:MM:SS
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- YYYY-MM-DDTHH:MM:SS
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- YYYYMMDD_HHMMSS
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Args:
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datetime_str (str): 日期时间字符串
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||
Returns:
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datetime: datetime对象（UTC时间）
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"""
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formats = [
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"%Y-%m-%d %H:%M:%S",
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||
"%Y-%m-%dT%H:%M:%S",
|
||
"%Y%m%d_%H%M%S",
|
||
"%Y-%m-%d",
|
||
]
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||
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||
for fmt in formats:
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try:
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dt = datetime.strptime(datetime_str, fmt)
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||
# 如果只输入了日期，默认时间为正午12:00
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if fmt == "%Y-%m-%d":
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||
dt = dt.replace(hour=12, minute=0, second=0)
|
||
return dt
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||
except ValueError:
|
||
continue
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||
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||
raise ValueError(f"无法解析日期时间: {datetime_str}. 支持的格式: YYYY-MM-DD HH:MM:SS, YYYY-MM-DDTHH:MM:SS, YYYYMMDD_HHMMSS")
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||
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||
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def get_user_input_datetime():
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||
"""
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||
交互式获取用户输入的日期和时间。
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||
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||
Returns:
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datetime: datetime对象（UTC时间）
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||
"""
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||
print("请输入观测日期和时间（UTC时间）：")
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||
try:
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year = int(input(" 年份 (YYYY): "))
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||
month = int(input(" 月份 (MM): "))
|
||
day = int(input(" 日期 (DD): "))
|
||
hour = int(input(" 小时 (HH, 24小时制): "))
|
||
minute = int(input(" 分钟 (MM): "))
|
||
second = int(input(" 秒 (SS): "))
|
||
|
||
dt = datetime(year, month, day, hour, minute, second)
|
||
print(f"\n使用的时间: {dt.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')} UTC")
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||
return dt
|
||
except ValueError as e:
|
||
print(f"输入错误: {e}")
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||
print("将使用默认时间 2024-06-15 10:00:00 UTC")
|
||
return datetime(2024, 6, 15, 10, 0, 0)
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||
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||
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||
def calc_solar_angles(lat, lon, dt):
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||
"""
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||
使用pvlib计算太阳天顶角和方位角。
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Args:
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lat (float): 纬度（度）
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||
lon (float): 经度（度）
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||
dt (datetime): datetime对象（UTC时间）
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||
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||
Returns:
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||
tuple: (太阳天顶角, 太阳方位角) - 单位：度
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||
天顶角: 0=天顶, 90=地平线
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||
方位角: 从北顺时针，0=北，90=东，180=南，270=西
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||
"""
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||
# 创建时间索引
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times = pd.DatetimeIndex([dt])
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||
# 使用pvlib计算太阳位置
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solpos = solarposition.get_solarposition(times, lat, lon)
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solar_zn_deg = solpos['zenith'].values[0] # 天顶角
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||
solar_az_deg = solpos['azimuth'].values[0] # 方位角
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return solar_zn_deg, solar_az_deg
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||
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||
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||
def write_envi_output(output_path, data, transform, crs, metadata=None):
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||
"""
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||
将数据写入ENVI格式文件。
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||
|
||
Args:
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||
output_path (str): 输出文件路径
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||
data (numpy.ndarray): 数据数组 (bands, rows, cols)
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||
transform: 地理变换参数
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||
crs: 坐标参考系
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||
metadata (dict, optional): 额外的元数据
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||
"""
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||
with rasterio.open(
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||
output_path,
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'w',
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driver='ENVI',
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||
height=data.shape[1],
|
||
width=data.shape[2],
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||
count=data.shape[0],
|
||
dtype=data.dtype,
|
||
crs=crs,
|
||
transform=transform,
|
||
nodata=0.0,
|
||
) as dst:
|
||
dst.write(data)
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||
|
||
# 写入ENVI头文件元数据
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if metadata:
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dst.update_tags(**metadata)
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||
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||
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||
def process_dem(dem_path, output_path, datetime_input=None, interactive=False):
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||
"""
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||
主处理函数：读取DEM，计算坡度坡向，计算太阳角度，输出结果。
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||
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||
Args:
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dem_path (str): DEM输入文件路径
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||
output_path (str): 输出文件路径
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||
datetime_input (str, optional): 日期时间字符串，如果为None则使用交互模式
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||
interactive (bool): 是否使用交互式时间输入
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||
|
||
Returns:
|
||
dict: 处理结果信息
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||
"""
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# ========== 1. 读取 DEM ==========
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print(f"读取DEM文件: {dem_path}")
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dem = xdem.DEM(dem_path)
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||
# ========== 2. 计算坡度、坡向 ==========
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||
print("计算坡度和坡向...")
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slope = xdem.terrain.slope(dem, method='ZevenbergThorne')
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aspect = xdem.terrain.aspect(dem)
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||
# ========== 3. 获取空间参考信息 ==========
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transform = dem.transform
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crs = dem.crs
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# ========== 4. 转换为 numpy 数组 ==========
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slope_data = slope.data
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aspect_data = aspect.data
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||
# ========== 5. 获取DEM中心点坐标并计算太阳角度 ==========
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print("\n获取DEM坐标信息...")
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latitude, longitude = get_dem_center_coords(dem)
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print(f" 中心点纬度: {latitude:.6f}°")
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||
print(f" 中心点经度: {longitude:.6f}°")
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print(f" 坐标系: WGS84")
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||
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||
# 获取观测时间
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if datetime_input:
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observation_time = parse_datetime(datetime_input)
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||
print(f"\n使用命令行提供的时间: {observation_time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')} UTC")
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||
elif interactive or not sys.stdin.isatty():
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||
observation_time = get_user_input_datetime()
|
||
else:
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||
# 默认时间（如果非交互式且未提供时间）
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||
observation_time = datetime(2024, 6, 15, 10, 0, 0)
|
||
print(f"\n使用默认时间: {observation_time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')} UTC")
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||
|
||
# 计算太阳角度
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||
print("\n计算太阳位置...")
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||
solar_zn_deg, solar_az_deg = calc_solar_angles(latitude, longitude, observation_time)
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||
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||
print(f" 太阳天顶角: {solar_zn_deg:.2f}°")
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||
print(f" 太阳高度角: {90 - solar_zn_deg:.2f}°")
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||
print(f" 太阳方位角: {solar_az_deg:.2f}°")
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||
|
||
# 转换为弧度
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||
solar_zn_rad = np.deg2rad(solar_zn_deg)
|
||
solar_az_rad = np.deg2rad(solar_az_deg)
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||
|
||
# 坡度和坡向也转换为弧度
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||
slope_rad = np.deg2rad(slope_data)
|
||
aspect_rad = np.deg2rad(aspect_data)
|
||
|
||
# ========== 6. 计算 cosine_i ==========
|
||
print("\n计算入射角余弦 (cosine_i)...")
|
||
cosine_i = calc_cosine_i(solar_zn_rad, solar_az_rad, aspect_rad, slope_rad)
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||
|
||
# ========== 7. 处理无效值（NaN） ==========
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||
slope_data = np.nan_to_num(slope_data, nan=0.0)
|
||
aspect_data = np.nan_to_num(aspect_data, nan=0.0)
|
||
cosine_i = np.nan_to_num(cosine_i, nan=0.0)
|
||
|
||
# ========== 8. 堆叠为多波段数组 ==========
|
||
stacked = np.stack([slope_data, aspect_data, cosine_i], axis=0)
|
||
|
||
# ========== 9. 准备元数据 ==========
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||
metadata = {
|
||
'description': 'Slope, Aspect, and Cosine_i derived from DEM',
|
||
'band_names': 'slope(deg),aspect(deg),cosine_i',
|
||
'solar_zenith_angle': str(solar_zn_deg),
|
||
'solar_azimuth_angle': str(solar_az_deg),
|
||
'solar_elevation_angle': str(90 - solar_zn_deg),
|
||
'observation_time_utc': observation_time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S'),
|
||
'dem_center_lat': str(latitude),
|
||
'dem_center_lon': str(longitude),
|
||
}
|
||
|
||
# ========== 10. 输出 ENVI 格式文件 ==========
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||
print(f"\n保存结果到: {output_path}")
|
||
write_envi_output(output_path, stacked, transform, crs, metadata)
|
||
|
||
print("\n处理完成!")
|
||
print(f" 输出文件: {output_path}")
|
||
print(f" 波段顺序: 1-坡度(°), 2-坡向(°), 3-cosine_i")
|
||
|
||
return {
|
||
'output_path': output_path,
|
||
'solar_zenith': solar_zn_deg,
|
||
'solar_azimuth': solar_az_deg,
|
||
'center_lat': latitude,
|
||
'center_lon': longitude,
|
||
'observation_time': observation_time,
|
||
}
|
||
|
||
|
||
def main():
|
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"""主函数 - 命令行入口"""
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||
parser = argparse.ArgumentParser(
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||
description='DEM地形处理工具 - 计算坡度、坡向和太阳入射角余弦',
|
||
formatter_class=argparse.RawDescriptionHelpFormatter,
|
||
epilog='''
|
||
使用示例:
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||
# 基本用法（交互式输入时间）
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||
python slope_aspectV2.py -i dem.tif -o output.dat
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||
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||
# 通过命令行指定时间
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||
python slope_aspectV2.py -i dem.tif -o output.dat -t "2024-06-15 10:30:00"
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||
|
||
# 仅指定日期（默认使用正午12:00）
|
||
python slope_aspectV2.py -i dem.tif -o output.dat -t "2024-06-15"
|
||
|
||
# 显示详细处理信息
|
||
python slope_aspectV2.py -i dem.tif -o output.dat -t "2024-06-15 10:30:00" -v
|
||
|
||
支持的日期时间格式:
|
||
- "YYYY-MM-DD HH:MM:SS" (推荐)
|
||
- "YYYY-MM-DDTHH:MM:SS" (ISO格式)
|
||
- "YYYYMMDD_HHMMSS"
|
||
- "YYYY-MM-DD" (默认使用12:00:00)
|
||
'''
|
||
)
|
||
|
||
parser.add_argument('-i', '--input', required=True,
|
||
help='输入DEM文件路径 (支持GeoTIFF等格式)')
|
||
|
||
parser.add_argument('-o', '--output', required=True,
|
||
help='输出ENVI文件路径 (.dat)')
|
||
|
||
parser.add_argument('-t', '--time',
|
||
help='观测日期时间 (UTC)，格式: "YYYY-MM-DD HH:MM:SS"。'
|
||
'如果不提供，将进入交互式输入模式')
|
||
|
||
parser.add_argument('--interactive', action='store_true',
|
||
help='强制使用交互式时间输入模式')
|
||
|
||
parser.add_argument('-v', '--verbose', action='store_true',
|
||
help='显示详细处理信息')
|
||
|
||
parser.add_argument('--version', action='version', version='%(prog)s 2.0.0')
|
||
|
||
args = parser.parse_args()
|
||
|
||
# 验证输入文件存在
|
||
if not Path(args.input).exists():
|
||
print(f"错误: 输入文件不存在: {args.input}", file=sys.stderr)
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||
sys.exit(1)
|
||
|
||
# 创建输出目录（如果不存在）
|
||
output_dir = Path(args.output).parent
|
||
if not output_dir.exists():
|
||
output_dir.mkdir(parents=True, exist_ok=True)
|
||
print(f"创建输出目录: {output_dir}")
|
||
|
||
try:
|
||
# 执行处理
|
||
result = process_dem(
|
||
dem_path=args.input,
|
||
output_path=args.output,
|
||
datetime_input=args.time,
|
||
interactive=args.interactive
|
||
)
|
||
|
||
if args.verbose:
|
||
print("\n详细结果:")
|
||
for key, value in result.items():
|
||
print(f" {key}: {value}")
|
||
|
||
sys.exit(0)
|
||
|
||
except Exception as e:
|
||
print(f"\n处理失败: {e}", file=sys.stderr)
|
||
if args.verbose:
|
||
import traceback
|
||
traceback.print_exc()
|
||
sys.exit(1)
|
||
|
||
|
||
if __name__ == '__main__':
|
||
main() |