基于规则格网DEM提取山顶点的研究

刘淑琼， 邹时林， 邹胜武， 何亮柱

(1.东华理工大学 测绘工程学院，江西 南昌 330013;2.江西省基础地理信息中心，江西 南昌 330046)

地形表面高低起伏，形态各异，但它实质上是由一系列的点、线、面构成的，这些点、线、面揭示了地貌形态的本质。其中山顶点是构成地形轮廓骨架的关键特征，是影响环境变迁、植被分布、地貌特征等的重要地形特征之一，其空间分布特征是用以描述空间变化过程的重要指标(邬伦等，2001)。数字高程模型(DEM)蕴涵了丰富的地形信息，为准确、快速获取山顶点信息提供了良好的数据。

在格网DEM 中地形点的识别一般在局部3 ×3窗口内，通过计算的地形因子来判断格网点的地形属性(周启鸣等，2006)。提取山顶点就是识别一个区域内可能的高程值极大点(Lee et al.，1992;Wood，1996)。目前有多种方法可进行地形特征点的识别，如邻域比较法，利用分析窗口内的各格网点的高程值进行比较，但由于地形本身的复杂性对含有误差的DEM 会出现误判，产生不属于山顶的噪音点(陈盼盼，2006);断面高程极值法在水平或垂直方向的断面上，通过曲线拟合识别局部区域内的高程值极大点，能够较为方便地从DEM 的数据中提取部分地形特征点，但容易产生关键点位的遗漏(黄培之等，2005);程三友等(2010)通过DEM地貌模拟和空间统计分析等手段，从区域尺度对地貌特征进行分析。本文通过分析山顶点形态特征，利用ArcGIS 软件平台的空间数据分析、邻域分析和窗口计算等功能支撑下，讨论了基于规则格网DEM 的山顶点快速提取方法及各影响因素的关系。

1 山顶点提取基本原理

山顶一般定义为山体的局部最高处。钟业勋等(2002)对山顶点的定义为:设A 为地面，a，b∈A，其高程分别为Ha和Hb。对于A 上任一点i，若满足条件Ha≤Hi≤Hb且b∈IntWi=Bi∩A，Bi为过i 点的平面，Wi为i 点的等高线，则成A 以b 为顶的山坡面。山顶点是指那些在特定邻域分析范围内比周围点都高的特定点。

在基于格网DEM 数据提取山顶时，不同的分析尺度可以获取不同层次的山顶点。在对原始DEM 进行扫描时，首先对分析窗口内各变量赋值，先设定一个邻域分析的范围，提取山顶点区域，再对此区域进行重分类，获得满足设定条件的山顶点，但是提取的结果存在噪音点。在DEM 中，把等高线的间距判定为山顶点的高差阈值，再从原始DEM 中提取相应的等高线，再将等高线图转换为面状图。将提取的面状区域与先前提取的山顶点进行叠置分析，通过交集得到所需要的山顶点图。

2 实验过程及结果分析

2.1 实验样区及数据说明

本研究选用陕西黄土丘陵地区作为实验样区，以1∶1万数字化地形图及由其生成的栅格分辨率为5 m 的DEM 作为基础数据，进行山顶点提取实验。基于本文实验样区选用的邻域分析窗口为3 ×3，11 ×11和31 ×31 以及高差阈值选取10 m 和30 m，并提取该地区光照晕渲图，作为等高线的三维背景。

2.2 基于ARCGIS 的实验基本过程

规则格网数据事实上是一种栅格形式的数据，因此本文选用ArcGis10.0 软件作为数据分析平台。

首先，确定局部范围内的最高区域。通过栅格数据的空间分析中的邻域分析先获得最大数值的栅格矩阵，再利用Spatial Analyst 工具中的栅格计算器，用最大数值的栅格矩阵减去原始DEM，即可获得山顶点区域。

其次，对山顶点区域进行重分类，利用Spatial Analyst 的Reclassify 得到重分类的栅格数据，再利用Covert 工具中的Raster to Freatures 命令，输出地理对象选择Point，把栅格最高点转换为矢量最高点。利用Spatial Analyst 中的表面分析工具提取相应的等值线，再使用Feature To Polygon 工具提取面状高程分布数据。

最后，利用Analysis Tools 中Overlay 的交集操作(Intersect)，将先前提取的矢量数据点与面状高程分布数据相交，输出的结果即为实际的山顶点分布数据。提取流程图如图1 所示。

2.3 实验结果及分析

图2 为高差阈值10 m 的山顶点分布图。可以看出，图2a 中出现山顶点多提现象;图2b 提取的山顶点准确完整，图2c 中出现了山顶点的缺失。

图3 是高差阈值30 m 的山顶点提取分布图。可以看出，图3a，b 中产生山顶点多提现象;图3c提取的山顶点比较完整准确。综合图2 和图3，可以得出山顶点提取受到DEM 分析尺度的影响且邻域分析窗口与高差阈值呈一定相关性。阈值设置的较大，分析窗口过小，容易导致提取的山顶点产生多点现象。相反，会导致山顶点的丢失。根据本文中实验结果，11 ×11 的邻域分析窗口及相应的10 m 高差阈值适合文中实验地形的山顶点提取。

图1 山顶点提取流程图Fig.1 The flow diagram for extracting mountain peaks from DEM

3 结论

本文利用ArcGis10.0 软件平台支持下，通过对实验样区栅格空间数据分析，窗口计算功以及叠置分析快速、完整地提取了规则格网DEM 的山顶点。并对数据源设置不同的邻域窗口与高差阈值。对比结果表明，DEM 邻域分析窗口与高差阈值呈一定相关性，在适中的分析窗口所对应的高差阈值时提取的山顶点准确完整，为规则格网DEM 提取山顶点时受尺度阈值影的响提供了研究基础。

图2 高差阈值10 m 的山顶点分布图Fig.2 The distribution diagram for extracting mountain peaks from the 10 m elevation difference

图3 高差阈值30 m 的山顶点提取分布图Fig.3 The distribution diagram for extracting mountain peaks from the 30 m elevation difference

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