基于DEM的喀斯特地貌山頂點(diǎn)的提取

王前

（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100）

引言

山頂點(diǎn)是局部范圍內(nèi)的最高點(diǎn)，即海拔高程的極大值點(diǎn)。它是地形分析過程中十分重要的特征點(diǎn)，是地形及其起伏變化的骨架結(jié)構(gòu)的必要組成部分，在進(jìn)行地形數(shù)字化過程中，山頂點(diǎn)也是必要的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，是地形圖描述的重點(diǎn)。目前，已經(jīng)提出了很多關(guān)于提取山頂點(diǎn)的方法，但是專門針對喀斯特地貌的山頂點(diǎn)提取方法較少，本文通過探討已有的山頂點(diǎn)提取方法，對其進(jìn)行改進(jìn)，從而提出了基于喀斯特地貌的山頂點(diǎn)提取模型，可以得到較為真實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)際山頂點(diǎn)，為喀斯特地貌的深入研究提供了基礎(chǔ)。

一、研究基礎(chǔ)

（一）研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)域選擇了具有典型喀斯特地貌特征的桂林市陽朔縣，位于廣西壯族自治區(qū)的東北部，桂林市區(qū)南面，地理坐標(biāo)為110°13′～110°40′E，24°28′～25°4′N，該地經(jīng)過了地表水和地下水長期的溶解侵蝕，形成了發(fā)育完美的喀斯特地貌[1]。該地區(qū)喀斯特發(fā)育演化歷史悠久且過程復(fù)雜漫長，主要以峰林喀斯特系列為主，峰林喀斯特組合形態(tài)比較齊全，而峰叢喀斯特組合形態(tài)僅表現(xiàn)為峰叢洼地[2]。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文選擇的實(shí)驗(yàn)樣區(qū)為桂林市陽朔縣，采用了空間分辨率為30m的DEM數(shù)據(jù)，DEM即為數(shù)字高程模型，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對地形曲面的數(shù)字化模擬[3]，實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)均下載自地理空間數(shù)據(jù)云，在該實(shí)驗(yàn)樣區(qū)中，最高海拔為1674m。

二、山頂點(diǎn)的提取原理與步驟

（一）山頂點(diǎn)提取的原理

根據(jù)山頂點(diǎn)的地形特征來看，山頂點(diǎn)一定是局部區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中并沒有完全符合地貌學(xué)中關(guān)于山的定義，所以局部區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)并不全是山頂點(diǎn)[4]，即山頂點(diǎn)一定是局部區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)，但局部區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)并不都是山頂點(diǎn)。因此，在提取山頂點(diǎn)的過程中首先要提取出局部區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)，然后再剔除偽山頂點(diǎn)，即可得到實(shí)際山頂點(diǎn)。

首先要提取出區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)。由于使用的DEM數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上就是柵格數(shù)據(jù)，因此要提取出局部范圍內(nèi)的最高點(diǎn)，可以對局部范圍內(nèi)的格網(wǎng)屬性信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，提取出最大值所在的位置，該方法可以通過鄰域分析實(shí)現(xiàn)。

提取出局部區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)后，再對其進(jìn)行篩選。山頂點(diǎn)一定是局部區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)，那么山頂點(diǎn)一定在獨(dú)立自封閉高程帶內(nèi)，即那些等高線的最內(nèi)圈[5]。為了判斷提取出的潛在山頂點(diǎn)是否在獨(dú)立自封閉高程帶內(nèi)，需要將生成的等高線圖轉(zhuǎn)化為面狀的高程分帶圖，然后利用拓?fù)潢P(guān)系提取出等高線的最內(nèi)圈，將等高線的最內(nèi)圈與潛在山頂點(diǎn)求交，即可得到實(shí)際的山頂點(diǎn)。

（二）山頂點(diǎn)提取的具體步驟

本文的實(shí)驗(yàn)均以ArcGIS為操作平臺，基于山頂點(diǎn)提取的原理，其大致的提取步驟如下：

1.DEM數(shù)據(jù)的預(yù)處理

首先需要將下載的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、裁剪等操作，然后再提取出有效的數(shù)據(jù)區(qū)域，以便后續(xù)的操作。

2.提取局部區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)

通過鄰域分析計(jì)算出局部區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)，對于分析窗口的選擇，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行多次嘗試，本文采用了不同大小的分析窗口進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)，并通過驗(yàn)證，得到11*11的分析窗口提取出的山頂點(diǎn)更加真實(shí)可靠，通過鄰域計(jì)算得出最大值，再用柵格計(jì)算器將窗口分析計(jì)算出的最大值與原始DEM相減，計(jì)算的差值為零的格網(wǎng)就是潛在的山頂點(diǎn)所在的格網(wǎng)。最后通過重分類將山頂點(diǎn)所在的格網(wǎng)提取出來。

3.提取潛在山頂點(diǎn)

由于在鄰域分析中，可能存在最高點(diǎn)連片出現(xiàn)的情況，因此需要剝皮處理，即將這些點(diǎn)先轉(zhuǎn)換為面狀圖層，在將這些要素轉(zhuǎn)換為矢量點(diǎn)，只留下中心點(diǎn)作為潛在的山頂點(diǎn)。

4.提取面狀高程帶

首先基于DEM數(shù)據(jù)提取出等高距為10m的等高線，然后利用數(shù)據(jù)管理工具箱中的要素轉(zhuǎn)面工具，將提取的等高線轉(zhuǎn)換成面狀高程帶。

5.提取等高線的最內(nèi)圈

對于已有的面狀高程帶，需要利用拓?fù)潢P(guān)系才能提取出等高線的最內(nèi)圈。在面狀高程帶數(shù)據(jù)的屬性表中添加一個新的字段，用于判斷是否為帶洞面狀對象，并提取出等高線的最內(nèi)圈。

6.提取實(shí)際山頂點(diǎn)

通過使用相交工具，對潛在山頂點(diǎn)圖層和等高線的最內(nèi)圈圖層進(jìn)行交集運(yùn)算，可得相交的點(diǎn)即為實(shí)際山頂點(diǎn)，不相交的點(diǎn)即為偽山頂點(diǎn)，最后提取出實(shí)際山頂點(diǎn)。

三、提取結(jié)果分析

通過使用該方法，對實(shí)驗(yàn)樣區(qū)中的山頂點(diǎn)進(jìn)行了提取，并與人工標(biāo)定的山頂點(diǎn)進(jìn)行對比，得出該方法提取的山頂點(diǎn)準(zhǔn)確率較高，對偽山頂點(diǎn)的鑒別能力較強(qiáng)。因此，該方法相對于一般的山頂點(diǎn)提取方法有著更高的可行性和準(zhǔn)確性。但是在山頂點(diǎn)的提取過程中仍然存在一些不確定性因素，主要有分析窗口的選擇，繪制等高線時等高距的設(shè)置，以及DEM分辨率的大小等，這些因素都對山頂點(diǎn)的提取結(jié)果存在著影響。

四、結(jié)論與展望

本文詳細(xì)分析了山頂點(diǎn)的地形特征，在已有的提取方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)，提出了針對喀斯特地貌的山頂點(diǎn)提取方法，并以桂林市陽朔縣為研究區(qū)域，對該方法進(jìn)行驗(yàn)證，準(zhǔn)確率較高。該提取山頂點(diǎn)的方法豐富了DEM數(shù)字地形分析的內(nèi)容，完善了基于喀斯特地形的地貌信息提取原理與方法，并為山頂點(diǎn)的提取提供了新的思路，具有一定的科學(xué)意義。