基于數(shù)字高程模型自動提取山脊線的實(shí)現(xiàn)方法

李 楓

(廣西壯族自治區(qū)林業(yè)勘測設(shè)計(jì)院，廣西 南寧 530011)

1 引言

生態(tài)區(qū)位是生態(tài)系統(tǒng)和自然資源合理管理及持續(xù)利用的基礎(chǔ)，它可為生態(tài)環(huán)境建設(shè)和環(huán)境管理政策的制定提供科學(xué)依據(jù)，因此生態(tài)區(qū)位區(qū)劃是事關(guān)許多林業(yè)重大項(xiàng)目的重要工作。江河源頭及江河兩岸的生態(tài)區(qū)位是林業(yè)生態(tài)區(qū)位區(qū)劃的重點(diǎn)之一，山脊線是其區(qū)劃的重要依據(jù)，目前山脊線的確定常輔助以地形圖及遙感影像進(jìn)行目視判讀，但是在山體密集處勾畫山脊線還是有一定的難度。

數(shù)字高程模型(以下簡稱DEM)是數(shù)字地形模型的一個分支,是一種實(shí)體地面模型,常用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程，其他各種地形特征值均可由此派生。通過對DEM的鄰域分析、流量計(jì)算的步驟可以得到準(zhǔn)確的山脊線，這對林業(yè)工作中江河源頭及江河兩岸的生態(tài)區(qū)位區(qū)劃具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 實(shí)現(xiàn)原理及軟件選擇

2.1 實(shí)現(xiàn)原理

山脊線在水文分析中等同地面分水線，地面分水線是分水嶺高程最高點(diǎn)的連線，同時(shí)也是水流的起點(diǎn)。ARCGIS軟件的水文分析工具可以通過DEM模擬所在區(qū)域的地表徑流，并得到每個柵格像元的匯流累積量。提取零值，即提取出沒有流入方向而只有流出方向的最高點(diǎn)，就可以得到地面分水線，即山脊線。

2.2 軟件選擇及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

目前在林業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用范圍最廣的GIS平臺應(yīng)為Arcgis軟件，Arcgis的空間數(shù)據(jù)綜合分析能力是行業(yè)里的佼佼者，尤其是在地理信息大數(shù)據(jù)的處理和存儲方面，并在處理分析規(guī)則網(wǎng)格DEM、TIN等柵格數(shù)據(jù)方面具有強(qiáng)大的空間模型和分析工具，因此本次使用Arcgis10.2對山脊線進(jìn)行提取。數(shù)據(jù)使用精度為30M的原始DEM。

3 山脊線提取過程

3.1 數(shù)據(jù)提取流程圖

首先要對原始DEM進(jìn)行填洼、計(jì)算流向、計(jì)算匯流量等過程得到匯流量為0的數(shù)據(jù)，其次對原始DEM求均值在與原始DEM相減并重分類得到正地形，最后將兩步得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘運(yùn)算，即得到山脊線，流程如圖1所示。

圖1 提取流程

3.2 正地形的提取

3.2.1 鄰域分析

提取正地形的鄰域運(yùn)算要用到執(zhí)行計(jì)算柵格數(shù)據(jù)輸出的焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具，指定的鄰域范圍內(nèi)的所有像元值輸入的函數(shù)即為各輸出像元的值，運(yùn)算該函數(shù)即可得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。加載Spatial Analyst模塊，選擇鄰域分析里的焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具，計(jì)算平均值。

3.2.2 提取正地形

對原始DEM與求均值后的DEM做減法，并對結(jié)果重新分類得到正地形。

3.3 山脊線的提取

3.3.1 填洼

沒有經(jīng)過處理的DEM表面往往存在著一些凹陷的區(qū)域，這使得流向計(jì)算時(shí)容易得到不合理的水流方向，因此，在水文分析之前應(yīng)該使用水文分析的填洼工具對原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無洼DEM。

3.3.2 流向計(jì)算

通過計(jì)算可以得到DEM中各個像元數(shù)據(jù)最陡或最大的下降方向，使用水文分析的流向工具可以計(jì)算出最陡下降方向，并將輸出像元在表示這個方向的值進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。輸入填洼后的DEM，計(jì)算得到流向數(shù)據(jù)。

3.3.3 匯流量計(jì)算

通過流量工具計(jì)算輸出的柵格數(shù)據(jù)每個像元都有一個累積值，這個值是其上面每個下坡像元的累積權(quán)重，山谷與河道的累積值最高，相反累積值為0 的像元即為局部最高點(diǎn)，可用于標(biāo)識出山脊線。使用水文分析的流量工具，輸入流向數(shù)據(jù)，計(jì)算得到流量數(shù)據(jù)。

3.3.4 提取山脊線

對流量數(shù)據(jù)取零、平滑、重分類并與正地形相乘得到山脊線，如圖2。

圖2 山脊線疊加地形圖效果

4 結(jié)語

由圖2可以看出實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的主要山脊線已被提取出來，如果用精度更高的DEM可以提取出更為準(zhǔn)確細(xì)致的山脊線，作為參考可以大大減少林業(yè)工作人員區(qū)劃生態(tài)區(qū)位的工作量。

基于DEM不僅可以提取出山脊線，還可以提取出準(zhǔn)確的坡位、坡向等數(shù)據(jù)，并應(yīng)用到森林資源調(diào)查等工作中，因此充分利用DEM數(shù)據(jù)，對于林業(yè)信息化是有重要意義的。