基于ArcGIS的地性線矢量數(shù)據(jù)提取

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

DEM中蘊(yùn)含著豐富的地形結(jié)構(gòu)和特征信息，是定量描述環(huán)境變遷、水文過程、生物分布等空間變化過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。地形與地貌是最重要的自然地理要素，對地形的科學(xué)表達(dá)與分析是地理學(xué)核心的研究命題之一，也是測繪學(xué)、地圖學(xué)及地貌學(xué)研究的熱點(diǎn)[2]。地形指標(biāo)是最基本的自然地理要素，也是對人類的生產(chǎn)和生活影響最大的自然要素[3]。地性線是地貌形態(tài)的骨架線，主要包括山谷線和山脊線，其在水土流失、土壤侵蝕、礦產(chǎn)探查等方面有極高利用價(jià)值，諸多學(xué)者對地性線提取的方法以及精度分析等方面進(jìn)行過探索和研究。周毅等[4]提出了一種基于正交條帶狀分析窗提取DEM數(shù)據(jù)矢量山谷線的方法，結(jié)合黃土丘陵區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)，得到精度較高的提取結(jié)果；趙鵬等[5]給出一種利用三次曲面擬合的方法對水平曲率求導(dǎo)，再根據(jù)水平曲率及其導(dǎo)數(shù)得到山脊線山谷線的方法；易俐娜等[6]利用地形表面幾何形態(tài)分析和水文分析的方法提取DEM地性線并與遙感影像地性線的提取結(jié)果結(jié)合，得到較為滿意的提取結(jié)果；Kienzle[7]研究了DEM柵格分辨率對一階、二階及復(fù)合地形因子的影響；Erskine[8]探討了DEM高程精度和柵格分辨率對地形屬性的影響，王峰等[9]研究了基于DEM提取的地形因子與水平分辨率的關(guān)系。基于DEM的數(shù)字地形分析理論逐漸完善，技術(shù)方法日趨成熟。

二、DEM地形特征線提取方法

(一)基于地表幾何形態(tài)分析方法

該方法利用山脊和山谷的特殊幾何形態(tài)規(guī)律對其進(jìn)行提取?；诘乇韼缀涡螒B(tài)分析的算法主要有地形斷面極值法和等高線曲率最大判別法[10]。前者對在地形斷面縱橫兩個(gè)方向上進(jìn)行內(nèi)插處理，再逐步找出剖面線上的極大和極小值點(diǎn)，對這些候選點(diǎn)進(jìn)行分析從而提取地性線；后者計(jì)算每一條等高線上各點(diǎn)處的曲率值，找出局部曲率最大值點(diǎn)，再對候選點(diǎn)進(jìn)行分析從而提取地性線。

(二)基于地表流水物理模擬方法

由于山脊線具有分水性，山谷線具有合水性的特點(diǎn)，因此通過地表徑流模擬計(jì)算之后，柵格的匯流累積量為零處即為分水線，也就是山脊線，通過對反地形進(jìn)行同樣方法分析得到的結(jié)果即為匯水線，也就是山谷線。

(三)基于圖像處理技術(shù)方法

規(guī)則格網(wǎng)DEM實(shí)際上是一種柵格形式的數(shù)據(jù)，格網(wǎng)的大小對應(yīng)著圖像像素的大小，而高程值對應(yīng)著灰度值，因此可以利用柵格圖像處理的技術(shù)來提取地形特征信息[11]。目前常用的方法有移動(dòng)窗口法、基于地形梯度方向的方法、方向剖面法等方法。

三、水文分析方法提取地性線

本文以我國陰山山脈的部分區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，以ArcGIS為平臺，通過水文分析方法提取實(shí)驗(yàn)區(qū)的地性線數(shù)據(jù)。

(一)實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

陰山山脈是中國北部東西向山脈和重要地理分界線。橫亙在內(nèi)蒙古自治區(qū)中部及河北省最北部，介于東經(jīng)106°～116°之間，北界大致在北緯42°，屬于溫帶半干旱地區(qū)和干旱地區(qū)，山頂海拔400米～2000米，山地兩坡不對稱，北坡和緩傾向內(nèi)蒙古高原，南坡以1000多米的落差直降到黃河河套平原。山地大部由古老變質(zhì)巖組成，在斷陷盆地中有沉積巖分布。本文提取北緯41.3°～41.4°，東經(jīng)111.7°～111.9°的區(qū)域進(jìn)行地性線提取實(shí)驗(yàn)。

(二)水文分析方法提取山脊線

1.正負(fù)地形提取。首先使用“焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)”工具，利用鄰域分析方法以11×11的窗口計(jì)算均值，而后利用“柵格計(jì)算器”工具，以原始DEM數(shù)據(jù)減去鄰域分析之后的DEM數(shù)據(jù)，最后使用“重分類”工具對做減法運(yùn)算后的結(jié)果進(jìn)行重分類，將大于0的區(qū)域賦值為1，其他區(qū)域賦值為0，得到正地形，相反將小于0的區(qū)域賦值為0，其余區(qū)域賦值為1得到負(fù)地形數(shù)據(jù)。

2.匯流量累積量提取。首先利用“填洼”工具使用默認(rèn)Z值進(jìn)行洼地填充，以消除錯(cuò)誤的流向數(shù)據(jù)，然后基于無洼地使用“流向”工具計(jì)算水流方向，所得結(jié)果為傳統(tǒng)的D8(八方向法)單流向法結(jié)果，最后使用“流量”工具計(jì)算匯流累積量，并將匯流累積量為零值的區(qū)域進(jìn)行提取，并使用“焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)”工具對其進(jìn)行均值鄰域分析。

3.設(shè)定閾值提取山脊線。通過“等值線”及“山體陰影”工具生成原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的等值線圖和暈渲圖，打開鄰域分析后的匯流量為0的數(shù)據(jù)，在其“符號系統(tǒng)”選項(xiàng)卡中進(jìn)行重新分類，并以暈渲圖和等值線圖作為輔助判斷，以尋找最佳分類閾值，屬性值越接近于1的柵格越有可能是山脊線的位置，本實(shí)驗(yàn)中選取0.55為最佳閾值。選定閾值后使用“重分類”工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，最后利用“柵格計(jì)算器”將重分類后的山脊線數(shù)據(jù)與正地形數(shù)據(jù)相乘，消除存在于負(fù)地形區(qū)域中的錯(cuò)誤山脊線。山脊線提取結(jié)果如圖1所示。

四、將提取結(jié)果轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)

由于矢量數(shù)據(jù)相較柵格數(shù)據(jù)而言更便于進(jìn)行空間分析和屬性的添加、編輯和管理，繼而將提取結(jié)果繼而轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)格式。

ArcScan是ArcGIS Desktop的擴(kuò)展模塊，是柵格數(shù)據(jù)矢量化的一套工具集，ArcScan使用時(shí)該擴(kuò)展模塊必須被激活，編輯器必須啟動(dòng)，柵格數(shù)據(jù)要進(jìn)行二值化處理，ArcMap中至少要添加一個(gè)柵格數(shù)據(jù)層和一個(gè)對應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)層。

開始編輯后選擇山脊線矢量數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，利用“畫筆”以及“橡皮”工具連接或擦除破碎區(qū)域，同時(shí)可打開預(yù)覽選項(xiàng)查看矢量化結(jié)果，完成柵格清理后點(diǎn)擊“矢量化”下拉菜單中的“生成要素”選項(xiàng)，即可獲得山脊線矢量數(shù)據(jù)，生成的矢量山脊線結(jié)果如圖2所示。

五、總結(jié)與展望

1.由于提取的柵格地性線數(shù)據(jù)的線寬并非只有一個(gè)像素，不能利用柵格轉(zhuǎn)線的方式獲取矢量數(shù)據(jù)，因此利用ArcScan模塊對山脊線進(jìn)行矢量化，得到更為符合地面實(shí)際情況的矢量數(shù)據(jù)，證明了當(dāng)數(shù)據(jù)范圍不大時(shí)，利用ArcScan模塊獲取矢量山脊線數(shù)據(jù)是一個(gè)可行的方法。

2.為進(jìn)一步提高線性體提取的質(zhì)量和自動(dòng)化程度，需對進(jìn)行進(jìn)一步研究。矢量化過程為半自動(dòng)矢量化，當(dāng)數(shù)據(jù)范圍較大時(shí)工作量也較大，因此提出自動(dòng)追蹤柵格的方法必然是更好的方案，如首先進(jìn)行矢量化，提取此時(shí)矢量化的中間結(jié)果，第二步計(jì)算每條地性線的長度，并以長度為依據(jù)設(shè)置山脊線等級，越長的地性線等級越高，第三步計(jì)算每條山脊線的方向，并設(shè)定連接閾值，若地性線延長閾值距離后連接到更高等級的地性線，則將該地性線連接至高等級的地性線，第四步，設(shè)置最短地性線閾值，對第三步的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，將小于閾值長度的地性線刪除，得到最終矢量化結(jié)果。

3.目前對于柵格數(shù)據(jù)提取地性線的精度缺乏客觀、可執(zhí)行度高的方法，缺少精度評價(jià)的完整體系，依然是需要研究的方向。