基于DEM自动提取山脊线、山谷线方法研究

栗丹

摘要：从数字高程模型中自动提取山脊线和山谷线的技术在测绘、工程设计等方面有着重要的意义。传统依靠二维等高线形态分析方法提取的山脊线和山谷线很难得到理想效果。本文设计出了一种基于水文地貌关系正确的DEM中自动提取山脊线和山谷线方法，同时采用单流向（D8）算法和多流向（Dinf）算法分别对提取山脊线和山谷线结果进行对比分析，得出采用多流向算法提取山脊线和山谷线时，结果与实际地形相符。

关键词：山脊线；算法；地形分析

一、引言

山脊线、山谷线作为地形特征线对地形、地貌具有一定的控制作用[1] -[3]。它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。由于山脊线具有分水性，山谷线具有汇水性特征使得它们在工程应用方面具有特殊的意义[4]。研究人员借助地形表面流水模拟的方法从DEM 数据中自动提取山脊线和山谷线， 用于区域地形的水分析[5] 。因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线的提取和分析是具有很大应用价值的[7]。所以在本实验中，基于水文分析方法在DEM中采用不同算法提取出山脊线和山谷线，是本文研究的一个重点，也是在以往实验基础上的一个创新，通过实验使我们在以后能够利用水文分析的方法与其它空间分析方法相结合以解决实际应用问题。

二、研究方法

1.山脊线和山谷线提取技术路线

提取山脊线和山谷线可以利用水文分析的方法进行，对分水线和汇水线进行提取是在实际操作中的步骤。水流的起源点的定义是分水线的性质。通过提取零值的汇流累积值的栅格，分水线就可以得到。汇水线由于具有汇水作用而具有较大的上游汇水面积，在提取山谷线时，利用反地形的特点，即利用一个较大的数值减去原始的DEM数据，得到与原始地形完全相反的地形数据，使得原始的DEM中的山脊变成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就变成了山脊，再利用山脊线的提取方法就可以实现山谷线的提取。

2.山脊线和山谷线提取方法

利用山脊线和山谷线的提取流程，对实验数据进行地形特征线提取，利用vb语言独立开发一个实现单流向D8算法和多流向Dinf算法工作界面，其主要步骤包括：无洼地DEM 的生成；水流方向的确定；汇流累积矩阵的计算。

（1）山脊线提取

利用前面单流向和多流向算法原理，结合正地形提取山脊线。对比分析基于单流向（D8）算法和多流向（Dinf）算法提取山脊线不同之处。主要利用了山脊线的分水作用而使其汇水面积比较小，在分别提取单流向和多流向汇水面积下，通过多次反复实验，确定实验样区特定阈值为0.333340—0.44445之间，从而提取给定区域地形结构线，山谷线提取结果如图1。

（a） 基于D8算法提取的山脊线 （b） 基于Dinf算法提取的山脊线

图1 基于D8算法和Dinf算法提取的山脊线对比图

（2）山谷线提取

对于山谷线的提取，首先要得到反地形DEM。即利用一个较大的数值减去原始的DEM数据与原始地形完全相反的地形数据，使得原始的DEM中的山脊变成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就变成了山脊，再利用山脊线的提取方法就可以实现山谷线的提取，最后再利用我们前面提取的负地形进行纠正，山谷线提取结果如图2。

（a） 基于D8算法提取的山谷线 （b） 基于Dinf算法提取的山谷线

图2 基于D8算法和Dinf算法提取的山谷线对比图

三、结论与分析

山脊线和山谷线的提取需利用水文分析方法进行，其实在实际操作中是对分水线和汇水线进行提取。含有山脊线和山谷线的信息是在提取出的分水线和汇水线中，但又有着不同之处它与山脊线和山谷线：（1）分水线皆为闭合区域（汇水区域）的边界线，山谷线的两端与等高线不符合，这是由于分水线和汇水线与山脊线和山谷线的概念不同所引起的。（2）在进行流水数字模拟分析时所采用的DEM格网大小，对所提取出分水线和汇水线与等高线的弯曲形状符合程度存在一定影响。

参考文献

[1]周启鸣，刘学军. 数字地形分析[M]. 科学出版社.2006.5

[2]李志林，朱庆.数字高程模型（第二版） [M]. 武汉：武汉大学出版社， 2003.

[3]刘泽慧，黄培之.DEM数据辅助的山脊线和山谷线提取方法的研究[J].测绘科学， 2013， 28（4）：33-35.

[4]靳海亮， 高井祥， 康建荣.基于矢量等高线数据提取山脊线山谷线的研究[J].测绘通报，2005， 10：54-56.

[5]陈向东.利用数字化等高线数据自动生成地形结构线[J] .测绘科技动态， 1991 ，（5）：6-12.

[6]陈永良，刘大有.一种新的山脊线和山谷线自动提取方法[J].中国图象图形学报，2001，6（12）：1230-1233.

[7]余生辰， 刘大有，刘洪. 山脊线和山谷线的计算机自动检测[J] .中国图象图形学报，1999，4（8）： 693～ 696.endprint