基于流域邊界分析的山脊線提取方法研究

黃萌萌，李 燦，郭鳳嬌

（1.重慶市勘察規劃設計有限公司，重慶 401121；2.重慶欣榮土地房屋勘測技術研究所有限責任公司，重慶 401121；3.重慶市巴南區規劃和自然資源局，重慶 401000）

地形中沿山脊走向布設的路線即為山脊線。山脊線與山谷線作為地形骨架線，共同決定著地形的高低起伏。在地形表達中，山脊線和山谷線對其他地理要素起著控制性的作用。因此，山脊線常被作為專題進行研究，山脊線的提取和分級方法則是地形綜合、制圖表達等領域的重要研究內容。目前，根據基礎數據，山脊線的提取方法可分為基于等高線[1]的方法和基于DEM分析的方法。基于DEM分析的方法主要包括地表徑流模型（反地形）[2-3]和基于流域分析[4]的提取方法，前者已有較成熟的算法，并集成于GIS軟件中，可快速自動化提取山脊線，但存在無法精確提取平坦地區山脊線，且出現平行效應的問題；后者是由郭萬欽[4]等提出的一種利用流域邊界和坡向差提取山脊線的方法，能較精準地提取山脊線，有效解決平坦地區的平行效應，但該方法需要設定匯流累積量、坡向差、坡向距離等6個閾值參數，人工干預性較大、自動化程度較低。針對上述問題，本文提出了一種基于流域邊界與河網空間關系分析的山脊線提取方法，可有效避免平坦地區的平行效應問題，解決了閾值參數過多的問題，提高了山脊線提取的自動化效率。

1 研究原理與方法

1.1 流域分割

1.1.1 流域及其組成

流域是指流經其中的水流或其他物質從不同的方向流過公共的出水口，這些水流或其他物質流經的由分水線所包圍而形成的閉合集水區域[5-6]。從尺度上看，不同的水系等級都有自己的流域，流域本身又可按照水系級別細分為多個子流域。相鄰流域之間公用的邊界為分水嶺，也是集水區域的邊界線。水流或其他物質流經出水口的路徑形成河網，從水流方向定向的特點來看，河網的形態為樹結構，樹的根節點是出水口，即為該流域內的最低點[7-9]。流域的組成如圖1所示。

圖1 流域的組成示意圖

1.1.2 流域邊界搜索

流域分割是以出水點（該集水區域內的最低點）為基礎，結合水流方向矩陣，逆流而上搜索該出水點上游所有流經該點的柵格單元，直到該集水區域內所有柵格單元都確定了位置，即搜索到指定出水口點的流域邊界[10]。為了確保山脊線網絡與河網的匹配性，可采用河流鏈接數據（Stream Link）作為出水口數據，其中隱含著每條河網弧段的聯結信息，包括河段的起點和終點，河段的終點即為該匯水區域出水口所在的位置[11-12]。同時，河網提取采用的閾值也決定了該河段所處匯水區域的詳略程度，即提取河網的閾值越大，子流域面積也越大。

如圖2所示，通過D8算法計算無洼地DEM每個柵格單元的水流方向，并計算流入每個柵格單元的匯流總量，獲得匯流累積量矩陣；圖2d為將柵格單元(4,4)指定為出水口點，逆向搜索所有流經該點的柵格單元（圖中的藍色單元），所有藍色單元形成了出水口(4,4)的流域邊界。

1.2 山脊線的提取原理

1.2.1 流域邊界到山脊線的轉換

流域邊界除了分水嶺界線外，還有一部分是位于負地形的邊界線。因此，可利用流域邊界線與山脊線之間的包含關系，剔除位于平坦河谷地帶等負地形的流域邊界，保留的則是需要提取的山脊線網絡。從流域邊界與河網的空間位置關系來看，位于負地形的流域邊界與河網相交，可通過以下思路粗略提取山脊線：首先將柵格的流域邊界轉換為矢量數據，并由面圖層轉換為線圖層；然后合并所有的線要素，并在節點（線與線的交點）處打斷；最后通過河網空間位置查詢，選取位于負地形的流域邊界線要素，刪除該部分要素，形成粗略的山脊線網絡。

1.2.2 山脊線精細化處理

1）閉合環檢查。受DEM分辨率、流域提取算法或其他不明原因的影響，刪除負地形的流域邊界后，山脊線網絡內部尚存在閉合環。為提高山脊線的使用效率，確保山脊線網絡的拓撲正確性，應對網絡內部的閉合環進行破環處理。對刪除位于負地形的邊界后剩下的流域邊界（簡稱圖層L）進行要素轉面操作，可將所有的閉合圖形轉為面要素，未形成閉合圖形的線要素則不能轉面成功，形成面圖層P。面圖層P中的每個面要素則是待處理的環，對每個面要素的RID進行編號，RID是每個環的唯一標識碼。

2）閉合環分析。由于面圖層P與圖層L中的部分要素存在共線的關系，將面圖層P的唯一編號RID通過空間鏈接賦值到圖層L，空間位置關系為：SHARE_A_LINE_SEGMENT_WITH。若鏈接要素中具有與目標要素共線的要素，則匹配這些要素，賦值到圖層L的RID字段，并將空間鏈接成功要素的BZ字段賦值為環要素，其余未鏈接成功的賦值為非環要素，RID為0。圖層L的主要字段如表1所示。

表1 圖層L的主要字段

根據環要素與非環要素的空間位置關系，可將環分為兩種類型：①多要素環，由多條要素組成，每個節點由環與非環要素相連接，如圖3a所示，多邊形（環）ABCDE由邊AB、BC、CD、DE、EA組成，每個 節點均是環與非環要素的交點；②單要素環，由一條邊形成，單環與非環要素只有一個交點，如圖3c所示，多邊形與非環要素相交于V0點，V0既是邊界的起點，也是終點。

圖3 多要素環和單要素環破環前后示意圖

3）破環方法。通過對圖層L的RID字段進行頻數分析，可識別位于同一環的各線要素，RID相同的要素為同一環的邊界，RID的頻數可區分環的類型，即

為保持破環后，山脊線網絡整體的連通性、完整性和拓撲正確性，可分別對單要素環和多要素環進行以下處理：①針對多要素環由多條線要素構成的幾何特征，可對位于邊界上的各線要素進行對比分析，選取長度最長的要素（DE），并刪除；②針對單要素環由一條線要素組成的幾何特征，線要素的起點和終點重合，可從起點開始，計算每個節點至起點的歐氏距離，標記距離最長的節點P，刪除該節點的下一個節點至終點的所有節點，點P為終點。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗數據

實驗區位于108.051°～109.493 E、35.635°～ 37.206 N之間，海拔高度為780～1 800 m。實驗數據來源于ASTER GDEM 30 m分辨率的DEM數據。本文提出的數據處理方法基于ArcGIS DeskTop10.2提供的工具箱以及ArcGIS Engine10.2，采用C#語言在Microsoft Visual Studio 2012開發平臺下實現。

2.2 實驗結果對比分析

2.2.1 河網的提取

首先計算實驗區的水流方向，利用ArcGIS Toolbox里的水文分析工具，雙擊Flow Direction工具，選擇實驗區域的DEM數據，生成水流方向圖層FlowDir；然后采用Sink工具對FlowDir進行洼地檢測，若存在洼地，則利用Fill工具對原始DEM進行填洼處理，若無洼地，則采用Flow Accumulation計算匯流累積量數據，生成FlowAcc數據。本文通過不斷試驗和利用現有地形圖等其他數據輔助檢驗的方法來確定能滿足研究需要且符合研究區域地形地貌條件的合適的閾值。為滿足不同尺度的河網和山脊線數據要求，選取了3組閾值（閾值T分別設置為500、200、100）進行實驗，結果如圖4所示。通過Raster Calculator工具，將匯流累計量大于等于閾值的屬性值設定為1，這些柵格就是河網的潛在位置；將小于閾值的屬性值設定為No Data，形成StreamNet柵格數據。采用Stream to Feature完成對河網的柵矢轉換，形成Stream矢量圖層。

圖4 不同閾值的河網提取結果

2.2.2 流域邊界的提取

首先雙擊Hydrology工具集中的Stream Link工具，在Input Stream Raster文本框中選擇StreamNet，在Input Flow Direction Raster文本框中選擇fdirfill，輸出數據為Stream Link；然后雙擊Watershed工具，打開集水區域（貢獻區域）計算的對話框，分別在水流方向數據和出水口數據的輸入文本框中選擇fdirfill和Stream Link數據，輸出數據為Watershed，并利用Raster to Polygon工具將Watershed轉換為矢量圖層。由圖5可知，流域的邊界能很好地概括山脊線的走向，并與相同閾值的河網數據形成良好的銜接關系。

圖5 基于不同閾值河網提取的流域邊界

2.2.3 流域邊界與河網空間分析

首先選擇閾值相匹配的河網S t r e a m圖層和Watershed圖層；然后通過Feature to Polyline將Watershed轉換為線圖層；最后將目標圖層設置為Watershed，源要素設置為Stream，空間位置關系選擇與源要素相交，通過空間位置查詢選取Watershed中位于負地形的流域邊界，并將其刪除，剩下的流域邊界則是粗略的山脊線Ridge_R。受DEM分辨率、流域邊界提取算法等因素的影響，提取的山脊線內部存在部分小環，如圖6所示。

圖6 山脊線內部存在的閉合環

為了獲取科學合理、實用性強的山脊線，需對粗略提取的山脊線網絡進行精細化處理。首先采用Feature to Polygon工具將Ridge_R圖層轉為面圖層，確定Ridge_R內部的閉合環，并對所有環要素的RID字段編碼，可直接賦值為要素的FID+1；然后利用空間鏈接將RID鏈接回圖層Ridge_R，通過頻數分析確定閉合環的類型，并利用前文敘述的環處理思路，通過代碼對山脊線內部環進行破環處理。由圖7可知，與傳統的基于反地形D8算法的提取方法相比，本文方法的實驗結果能有效地與地形相吻合，且在山頂平坦位置或洼地位置避免了因填洼出現的平行效應；同時，在參數設置和自動化提取方面，較參考文獻[4]也有一定的簡化。

圖7 D8算法與本文方法提取山脊線的對比圖

本文利用基于流域邊界分析的山脊線提取方法，采用3組閾值分析了提取的山脊線與相同密度的山谷線的銜接情況，如圖8所示，可以看出，山脊線與相同密度的山谷線的銜接較好，能構建出不同層次的地形網絡骨架，為有效劃分地形層次結構提供了實踐基礎。

圖8 本文算法提取的山脊線與相同閾值的山谷線銜接情況

3 結 語

針對山脊線提取存在的平行效應、自動化程度較低的問題，本文提出了基于流域邊界分析的山脊線提取方法。該方法能夠得到連續的山脊線，且與DEM可見的山脊線走向保持一致，避免了脊線段斷續和平坦地段出現平行效應等問題；同閾值山脊線與河網能相互有效銜接，形成可概括地形的骨架線網絡；不同匯流閾值的河網可獲得不同面積大小的流域邊界，從而形成詳略程度不一的山脊線網絡，為地形綜合研究提供了新的思路。目前還沒有科學有效的山脊線提取評價機制，山脊線的提取還應配合行之有效的分級方法，才能更好地為地形綜合和水文分析提供理論基礎。今后筆者將針對山脊線的分級做進一步研究。