基于DEM的喀斯特地貌山頂點的提取

王前

（長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100）

引言

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

一、研究基礎

（一）研究區概況

本文的研究區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的東北部，桂林市區南面，地理坐標為110°13′～110°40′E，24°28′～25°4′N，該地經過了地表水和地下水長期的溶解侵蝕，形成了發育完美的喀斯特地貌[1]。該地區喀斯特發育演化歷史悠久且過程復雜漫長，主要以峰林喀斯特系列為主，峰林喀斯特組合形態比較齊全，而峰叢喀斯特組合形態僅表現為峰叢洼地[2]。

（二）實驗數據

本文選擇的實驗樣區為桂林市陽朔縣，采用了空間分辨率為30m的DEM數據，DEM即為數字高程模型，是通過有限的地形高程數據實現對地形曲面的數字化模擬[3]，實驗所用數據均下載自地理空間數據云，在該實驗樣區中，最高海拔為1674m。

二、山頂點的提取原理與步驟

（一）山頂點提取的原理

根據山頂點的地形特征來看，山頂點一定是局部區域內的最高點，但是在實際應用中并沒有完全符合地貌學中關于山的定義，所以局部區域內的最高點并不全是山頂點[4]，即山頂點一定是局部區域內的最高點，但局部區域內的最高點并不都是山頂點。因此，在提取山頂點的過程中首先要提取出局部區域內的最高點，然后再剔除偽山頂點，即可得到實際山頂點。

首先要提取出區域內的最高點。由于使用的DEM數據實質上就是柵格數據，因此要提取出局部范圍內的最高點，可以對局部范圍內的格網屬性信息進行統計計算，提取出最大值所在的位置，該方法可以通過鄰域分析實現。

提取出局部區域內的最高點后，再對其進行篩選。山頂點一定是局部區域內的最高點，那么山頂點一定在獨立自封閉高程帶內，即那些等高線的最內圈[5]。為了判斷提取出的潛在山頂點是否在獨立自封閉高程帶內，需要將生成的等高線圖轉化為面狀的高程分帶圖，然后利用拓撲關系提取出等高線的最內圈，將等高線的最內圈與潛在山頂點求交，即可得到實際的山頂點。

（二）山頂點提取的具體步驟

本文的實驗均以ArcGIS為操作平臺，基于山頂點提取的原理，其大致的提取步驟如下：

1.DEM數據的預處理

首先需要將下載的DEM數據進行鑲嵌、裁剪等操作，然后再提取出有效的數據區域，以便后續的操作。

2.提取局部區域內的最高點

通過鄰域分析計算出局部區域內的最高點，對于分析窗口的選擇，需要結合實際情況進行多次嘗試，本文采用了不同大小的分析窗口進行提取實驗，并通過驗證，得到11*11的分析窗口提取出的山頂點更加真實可靠，通過鄰域計算得出最大值，再用柵格計算器將窗口分析計算出的最大值與原始DEM相減，計算的差值為零的格網就是潛在的山頂點所在的格網。最后通過重分類將山頂點所在的格網提取出來。

3.提取潛在山頂點

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

4.提取面狀高程帶

首先基于DEM數據提取出等高距為10m的等高線，然后利用數據管理工具箱中的要素轉面工具，將提取的等高線轉換成面狀高程帶。

5.提取等高線的最內圈

對于已有的面狀高程帶，需要利用拓撲關系才能提取出等高線的最內圈。在面狀高程帶數據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圈。

6.提取實際山頂點

通過使用相交工具，對潛在山頂點圖層和等高線的最內圈圖層進行交集運算，可得相交的點即為實際山頂點，不相交的點即為偽山頂點，最后提取出實際山頂點。

三、提取結果分析

通過使用該方法，對實驗樣區中的山頂點進行了提取，并與人工標定的山頂點進行對比，得出該方法提取的山頂點準確率較高，對偽山頂點的鑒別能力較強。因此，該方法相對于一般的山頂點提取方法有著更高的可行性和準確性。但是在山頂點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置，以及DEM分辨率的大小等，這些因素都對山頂點的提取結果存在著影響。

四、結論與展望

本文詳細分析了山頂點的地形特征，在已有的提取方法的基礎上，進行改進，提出了針對喀斯特地貌的山頂點提取方法，并以桂林市陽朔縣為研究區域，對該方法進行驗證，準確率較高。該提取山頂點的方法豐富了DEM數字地形分析的內容，完善了基于喀斯特地形的地貌信息提取原理與方法，并為山頂點的提取提供了新的思路，具有一定的科學意義。