基于DEM自動提取山脊線、山谷線方法研究

栗丹

摘要：從數字高程模型中自動提取山脊線和山谷線的技術在測繪、工程設計等方面有著重要的意義。傳統依靠二維等高線形態分析方法提取的山脊線和山谷線很難得到理想效果。本文設計出了一種基于水文地貌關系正確的DEM中自動提取山脊線和山谷線方法，同時采用單流向（D8）算法和多流向（Dinf）算法分別對提取山脊線和山谷線結果進行對比分析，得出采用多流向算法提取山脊線和山谷線時，結果與實際地形相符。

關鍵詞：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地形、地貌具有一定的控制作用[1] -[3]。它們與山頂點、谷底點以及鞍部點等一起構成了地形及其起伏變化的骨架結構。由于山脊線具有分水性，山谷線具有匯水性特征使得它們在工程應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 數據中自動提取山脊線和山谷線， 用于區域地形的水分析[5] 。因此在數字地形分析中，山脊線和山谷線的提取和分析是具有很大應用價值的[7]。所以在本實驗中，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，是本文研究的一個重點，也是在以往實驗基礎上的一個創新，通過實驗使我們在以后能夠利用水文分析的方法與其它空間分析方法相結合以解決實際應用問題。

二、研究方法

1.山脊線和山谷線提取技術路線

提取山脊線和山谷線可以利用水文分析的方法進行，對分水線和匯水線進行提取是在實際操作中的步驟。水流的起源點的定義是分水線的性質。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，利用反地形的特點，即利用一個較大的數值減去原始的DEM數據，得到與原始地形完全相反的地形數據，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現山谷線的提取。

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，對實驗數據進行地形特征線提取，利用vb語言獨立開發一個實現單流向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；匯流累積矩陣的計算。

（1）山脊線提取

利用前面單流向和多流向算法原理，結合正地形提取山脊線。對比分析基于單流向（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，通過多次反復實驗，確定實驗樣區特定閾值為0.333340—0.44445之間，從而提取給定區域地形結構線，山谷線提取結果如圖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比圖

（2）山谷線提取

對于山谷線的提取，首先要得到反地形DEM。即利用一個較大的數值減去原始的DEM數據與原始地形完全相反的地形數據，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現山谷線的提取，最后再利用我們前面提取的負地形進行糾正，山谷線提取結果如圖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比圖

三、結論與分析

山脊線和山谷線的提取需利用水文分析方法進行，其實在實際操作中是對分水線和匯水線進行提取。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）分水線皆為閉合區域（匯水區域）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）在進行流水數字模擬分析時所采用的DEM格網大小，對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。

參考文獻

[1]周啟鳴，劉學軍. 數字地形分析[M]. 科學出版社.2006.5

[2]李志林，朱慶.數字高程模型（第二版） [M]. 武漢：武漢大學出版社， 2003.

[3]劉澤慧，黃培之.DEM數據輔助的山脊線和山谷線提取方法的研究[J].測繪科學， 2013， 28（4）：33-35.

[4]靳海亮， 高井祥， 康建榮.基于矢量等高線數據提取山脊線山谷線的研究[J].測繪通報，2005， 10：54-56.

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