基于數字高程模型自動提取山脊線的實現方法

李 楓

(廣西壯族自治區林業勘測設計院，廣西 南寧 530011)

1 引言

生態區位是生態系統和自然資源合理管理及持續利用的基礎，它可為生態環境建設和環境管理政策的制定提供科學依據，因此生態區位區劃是事關許多林業重大項目的重要工作。江河源頭及江河兩岸的生態區位是林業生態區位區劃的重點之一，山脊線是其區劃的重要依據，目前山脊線的確定常輔助以地形圖及遙感影像進行目視判讀，但是在山體密集處勾畫山脊線還是有一定的難度。

數字高程模型(以下簡稱DEM)是數字地形模型的一個分支,是一種實體地面模型,常用一組有序數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、流量計算的步驟可以得到準確的山脊線，這對林業工作中江河源頭及江河兩岸的生態區位區劃具有重要的現實意義。

2 實現原理及軟件選擇

2.1 實現原理

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的連線，同時也是水流的起點。ARCGIS軟件的水文分析工具可以通過DEM模擬所在區域的地表徑流，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，就可以得到地面分水線，即山脊線。

2.2 軟件選擇及數據準備

目前在林業系統應用范圍最廣的GIS平臺應為Arcgis軟件，Arcgis的空間數據綜合分析能力是行業里的佼佼者，尤其是在地理信息大數據的處理和存儲方面，并在處理分析規則網格DEM、TIN等柵格數據方面具有強大的空間模型和分析工具，因此本次使用Arcgis10.2對山脊線進行提取。數據使用精度為30M的原始DEM。

3 山脊線提取過程

3.1 數據提取流程圖

首先要對原始DEM進行填洼、計算流向、計算匯流量等過程得到匯流量為0的數據，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據進行相乘運算，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算要用到執行計算柵格數據輸出的焦點統計工具，指定的鄰域范圍內的所有像元值輸入的函數即為各輸出像元的值，運算該函數即可得到統計數據。加載Spatial Analyst模塊，選擇鄰域分析里的焦點統計工具，計算平均值。

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

沒有經過處理的DEM表面往往存在著一些凹陷的區域，這使得流向計算時容易得到不合理的水流方向，因此，在水文分析之前應該使用水文分析的填洼工具對原始DEM數據進行洼地填充，得到無洼DEM。

3.3.2 流向計算

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

3.3.3 匯流量計算

通過流量工具計算輸出的柵格數據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，可用于標識出山脊線。使用水文分析的流量工具，輸入流向數據，計算得到流量數據。

3.3.4 提取山脊線

對流量數據取零、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 結語

由圖2可以看出實驗范圍內的主要山脊線已被提取出來，如果用精度更高的DEM可以提取出更為準確細致的山脊線，作為參考可以大大減少林業工作人員區劃生態區位的工作量。

基于DEM不僅可以提取出山脊線，還可以提取出準確的坡位、坡向等數據，并應用到森林資源調查等工作中，因此充分利用DEM數據，對于林業信息化是有重要意義的。