基于DEM自動(dòng)提取山脊線、山谷線方法研究

栗丹

摘要：從數(shù)字高程模型中自動(dòng)提取山脊線和山谷線的技術(shù)在測(cè)繪、工程設(shè)計(jì)等方面有著重要的意義。傳統(tǒng)依靠二維等高線形態(tài)分析方法提取的山脊線和山谷線很難得到理想效果。本文設(shè)計(jì)出了一種基于水文地貌關(guān)系正確的DEM中自動(dòng)提取山脊線和山谷線方法，同時(shí)采用單流向（D8）算法和多流向（Dinf）算法分別對(duì)提取山脊線和山谷線結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出采用多流向算法提取山脊線和山谷線時(shí)，結(jié)果與實(shí)際地形相符。

關(guān)鍵詞：山脊線；算法；地形分析

一、引言

山脊線、山谷線作為地形特征線對(duì)地形、地貌具有一定的控制作用[1] -[3]。它們與山頂點(diǎn)、谷底點(diǎn)以及鞍部點(diǎn)等一起構(gòu)成了地形及其起伏變化的骨架結(jié)構(gòu)。由于山脊線具有分水性，山谷線具有匯水性特征使得它們?cè)诠こ虘?yīng)用方面具有特殊的意義[4]。研究人員借助地形表面流水模擬的方法從DEM 數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取山脊線和山谷線， 用于區(qū)域地形的水分析[5] 。因此在數(shù)字地形分析中，山脊線和山谷線的提取和分析是具有很大應(yīng)用價(jià)值的[7]。所以在本實(shí)驗(yàn)中，基于水文分析方法在DEM中采用不同算法提取出山脊線和山谷線，是本文研究的一個(gè)重點(diǎn)，也是在以往實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一個(gè)創(chuàng)新，通過實(shí)驗(yàn)使我們?cè)谝院竽軌蚶盟姆治龅姆椒ㄅc其它空間分析方法相結(jié)合以解決實(shí)際應(yīng)用問題。

二、研究方法

1.山脊線和山谷線提取技術(shù)路線

提取山脊線和山谷線可以利用水文分析的方法進(jìn)行，對(duì)分水線和匯水線進(jìn)行提取是在實(shí)際操作中的步驟。水流的起源點(diǎn)的定義是分水線的性質(zhì)。通過提取零值的匯流累積值的柵格，分水線就可以得到。匯水線由于具有匯水作用而具有較大的上游匯水面積，在提取山谷線時(shí)，利用反地形的特點(diǎn)，即利用一個(gè)較大的數(shù)值減去原始的DEM數(shù)據(jù)，得到與原始地形完全相反的地形數(shù)據(jù)，使得原始的DEM中的山脊變成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就變成了山脊，再利用山脊線的提取方法就可以實(shí)現(xiàn)山谷線的提取。

2.山脊線和山谷線提取方法

利用山脊線和山谷線的提取流程，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行地形特征線提取，利用vb語言獨(dú)立開發(fā)一個(gè)實(shí)現(xiàn)單流向D8算法和多流向Dinf算法工作界面，其主要步驟包括：無洼地DEM 的生成；水流方向的確定；匯流累積矩陣的計(jì)算。

（1）山脊線提取

利用前面單流向和多流向算法原理，結(jié)合正地形提取山脊線。對(duì)比分析基于單流向（D8）算法和多流向（Dinf）算法提取山脊線不同之處。主要利用了山脊線的分水作用而使其匯水面積比較小，在分別提取單流向和多流向匯水面積下，通過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)樣區(qū)特定閾值為0.333340—0.44445之間，從而提取給定區(qū)域地形結(jié)構(gòu)線，山谷線提取結(jié)果如圖1。

（a） 基于D8算法提取的山脊線 （b） 基于Dinf算法提取的山脊線

圖1 基于D8算法和Dinf算法提取的山脊線對(duì)比圖

（2）山谷線提取

對(duì)于山谷線的提取，首先要得到反地形DEM。即利用一個(gè)較大的數(shù)值減去原始的DEM數(shù)據(jù)與原始地形完全相反的地形數(shù)據(jù)，使得原始的DEM中的山脊變成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就變成了山脊，再利用山脊線的提取方法就可以實(shí)現(xiàn)山谷線的提取，最后再利用我們前面提取的負(fù)地形進(jìn)行糾正，山谷線提取結(jié)果如圖2。

（a） 基于D8算法提取的山谷線 （b） 基于Dinf算法提取的山谷線

圖2 基于D8算法和Dinf算法提取的山谷線對(duì)比圖

三、結(jié)論與分析

山脊線和山谷線的提取需利用水文分析方法進(jìn)行，其實(shí)在實(shí)際操作中是對(duì)分水線和匯水線進(jìn)行提取。含有山脊線和山谷線的信息是在提取出的分水線和匯水線中，但又有著不同之處它與山脊線和山谷線：（1）分水線皆為閉合區(qū)域（匯水區(qū)域）的邊界線，山谷線的兩端與等高線不符合，這是由于分水線和匯水線與山脊線和山谷線的概念不同所引起的。（2）在進(jìn)行流水?dāng)?shù)字模擬分析時(shí)所采用的DEM格網(wǎng)大小，對(duì)所提取出分水線和匯水線與等高線的彎曲形狀符合程度存在一定影響。

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