山脊線、山谷線、鞍部點(diǎn)的提取

1、實(shí)例與練習(xí)練習(xí)1.利用水文分析方法提取山脊、山谷線1背景：山脊線、山谷線是地形特征線，它們對地形、地貌具有一定的控制作用。它們與山頂點(diǎn)、谷底點(diǎn)以及鞍部點(diǎn)等一起構(gòu)成了地形及其起伏變化的骨架結(jié)構(gòu)。因此在數(shù)字地形分析中，山脊線和山谷線以及地形特征點(diǎn)等的提取和分析是很有必要的。2目的：理解基于DEM結(jié)合水文分析的方法提取出研究區(qū)域的山脊線和山谷線的原理；掌握水流方向、匯流累積量的提取方法以及它們的提取原理；能將水文分析的方法和其它的空間分析方法相結(jié)合以解決應(yīng)用問題。3要求：（1）利用水文分析思想和工具提取研究區(qū)域的山脊線；（2）利用水文分析思想和工具提取研究區(qū)域的山谷線。數(shù)據(jù)：一幅25m分辨率的黃土地

2、貌DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的區(qū)域大概有140km2。數(shù)據(jù)存放于/ChP11/Ex1中，請將其拷貝到E：/ChP11/Ex1。結(jié)果數(shù)據(jù)保存在/ChP11/Ex1/Result中。算法思想：對于水文物理過程研究而言，由于山脊、山谷分別表示分水性與匯水性，山脊線和山谷線的提取實(shí)質(zhì)上也是分水線與匯水線的提取。因此，對于山脊線和山谷線就可以利用水文分析的方法進(jìn)行提取?；贒EM的這種地形表面流水物理模擬分析的原理是：對于山脊線而言，由于它同時(shí)也是分水線，那么對于分水線上的那些柵格，由于分水線的性質(zhì)是水流的起源點(diǎn)，通過地表徑流模擬計(jì)算之后這些柵格的水流方向都應(yīng)該只具有流出方向而不存在流入方向，也就是其柵格的匯流累

3、積量為零。通過對零值的匯流累積值的柵格的提取，就可以得到分水線，也就得到了山脊線；對于山谷線而言，由于其具有匯水的性質(zhì)，那么對于山谷線的提取，可以利用反地形的特點(diǎn)，即是利用一個較大的數(shù)值減去原始的DEM數(shù)據(jù)，而得到了與原始地形完全相反的地形數(shù)據(jù)，也就是原始的DEM中的山脊變成負(fù)地形的山谷，而原始DEM中的山谷在負(fù)地形中就變成了山脊，那么，山谷線的提取就可以在負(fù)地形中利用提取山脊線的方法進(jìn)行提取?；贒EM利用水文分析的方法提取山脊線和山谷的技術(shù)流程如圖1所示。反地形DEM水流方向數(shù)據(jù)鄰域分析W原始DEMrmeandemr匯流累計(jì)量1山谷線1求交負(fù)地形正地形求交無洼地DEM水流方向數(shù)據(jù)匯流累計(jì)量

4、山脊線圖1山脊線和山谷線的提取流程圖第十一章水文分析GIS軟件應(yīng)用實(shí)習(xí)材料 第十一章水文分析GIS軟件應(yīng)用實(shí)習(xí)材料 圖3正地形區(qū)域（圖中深色區(qū)域）圖4負(fù)地形區(qū)域（圖中深色區(qū)域）1）2）3）4）啟動ArcToolbox,展開AnalysisTools工具箱，打開hydrology工具集。在圖層管理器中加載研究區(qū)域的原始DEM數(shù)據(jù)，如圖2所示。占:八、meandem5；陽円orhood圖2研究區(qū)域的DE菜單工具，利用鄰域分?jǐn)?shù)據(jù)st模塊，點(diǎn)擊SpatialAnalyst模塊的飛方法以111Jj口計(jì)算平均spatialanalyst中的.rastercalculator菜單工具，對原始DEM數(shù)據(jù)與鄰域

5、分析目R邑9,?ft-步L隔即上J:朮機(jī)口叩瞬日：咒凸.*04色；之后的數(shù)據(jù)meandem做減法運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果重分為兩級，分級界線為0，那6操作步驟（1）正負(fù)地形的提取么大于0的區(qū)域在原始DEM上就是正地形區(qū)域，小于0的區(qū)域在原始DEM上就是負(fù)地形區(qū)域。對上一步得到的二值化數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次重分類，一次將正地形區(qū)域?qū)傩灾蒂x值為1，負(fù)地形區(qū)域?qū)傩再x值為0，命名為zhengdixing；另一次將正地形區(qū)域?qū)傩灾蒂x值為0,負(fù)地形區(qū)域?qū)傩再x值為1,命名為fudixing。分別如圖3、圖4所示。山脊線的提?。涸贏rcMap中加載研究區(qū)域的原始DEM數(shù)據(jù)，如圖2所示。洼地填充：雙擊hydrology工具集中

6、的fill工具，進(jìn)行原始DEM的洼地點(diǎn)填充。在Inputsurfaceraster文本框中選擇原始DEM數(shù)據(jù)dem,將輸出數(shù)據(jù)命名為filldem，因?yàn)檫x擇的是將所有洼地全部填充，所有在填充容限Zlimit為默認(rèn)值。基于無洼地的水流方向的計(jì)算：雙擊hydrology工具集中的flowdirection工具，在Inputsurfaceraster文本框中選擇填充過的無洼地DEM數(shù)據(jù)filldem，將輸出的水流方向數(shù)據(jù)命名為flowdirfill。匯流累積量的計(jì)算：雙擊hydrology工具集中的flowaccumulation工具。選擇flowdirfill作為輸入的水流方向數(shù)據(jù)；輸出數(shù)據(jù)命名為

7、flowacc1。匯流累積量零值的提?。杭虞dSpatialAnalyst模塊，點(diǎn)擊SpatialAnalyst模塊的下拉箭頭，然后單擊rastercalculator菜單，打開柵格計(jì)算對話框，在文本框中填寫匯流累積量零值的提取公式：facc0=(flowacc=0)，然后點(diǎn)擊evaluate進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為所有的匯流累積量為0的柵格。在ArcMap中打開faccO,發(fā)現(xiàn)所提取出的柵格很亂，有很多的地方并不是山脊線的位置，因此應(yīng)對這個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理過程可以利用鄰域分析的方法，對提取出的匯流累積量等于零值的數(shù)據(jù)進(jìn)行3X3鄰域分析進(jìn)行光滑處理，處理后的數(shù)據(jù)命名為neiborfaccO。單擊s

8、patialanalyst模塊中的surferanalyst中的countline和hillshade菜單命令，分別生成原始DEM的等值線圖ctour和暈渲圖hillshade。打開neiborfaccO數(shù)據(jù)的屬性信息，進(jìn)行重新分類，將分類級別設(shè)置為兩類，不斷的調(diào)整分界數(shù)據(jù)大小，并以由DEM生成的等值線圖和暈渲圖為輔助判斷數(shù)據(jù)。在neiborfaccO中，屬性值越接近于1的柵格越有可能是山脊線的位置，這里確定的分界閾值為O.5541。將進(jìn)行過二值化的neiborfacc0進(jìn)行重分類為reneibor，將屬性值接近1的那一類的屬性值賦值為1，其余的賦值為O。將重分類過后的neiborfacc0數(shù)

9、據(jù)與正地形數(shù)據(jù)zhengdixing利用spatialanalyst菜單下的rastercalculator進(jìn)行相乘運(yùn)算，這樣就消除了那些存在在負(fù)地形區(qū)域中的錯誤的山脊線。然后將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行重分類，所有屬性不為1的柵格屬性值賦為NODATA。就得到了山脊線，如圖5所示。山谷線的提取在ArcMap中加載原始DEM數(shù)據(jù)，如圖2所示。加載SpatialAnalyst模塊，點(diǎn)擊SpatialAnalyst模塊的下拉箭頭，點(diǎn)擊optionsrastercalculator菜單工具，打開柵格計(jì)算對話框；在文本框中填寫反地形的計(jì)算公式：fandem=Abs(dem-2000)，點(diǎn)擊evaluate進(jìn)行計(jì)算。

10、計(jì)算結(jié)果與原始DEM地形完全相反的反地形數(shù)據(jù)，如圖6所示。反地形計(jì)算完畢之后，山谷線的提取就和山脊線的提取步驟一樣的，直到最終利用重分類的方法將重新分級的鄰域分析后的結(jié)果二值化為止。在這里，是不需要D注臼西i-歩卩融麗-”：史起口境：+k庁弾自by0MAndiydlook-母Andyafroot電鼻Twfc*帶C-ftwertfiiiTgdi-0LflwwiflerocfA|&afc4MwioQefTKfitTeobGAdhgTwfG圖5計(jì)算出的圖中深色區(qū)域?yàn)樯郊?闿GnjstaiiUjLd屛Tuijt-UherVjefefanartiTi學(xué)妝冏An曲d1To（，-典弊KSttpMMta.Wi

11、Mfcridgw時(shí)aofqa曲両而z厘機(jī)口*?倒耳n:-kOMlNir：|lwla:l憑巴Ih0L呻整-fedfondem:北luw:477Jt耳AfCToolMXTlAnjMTTffllk1AamTmUlbQCapfidhrfMfe-QlCowwsKm16qbAC-vwwTfiKitQiewudrigTtXfc+*dt!OLomt肇eftfetKipqTods圖6計(jì)算出的研洼地填充的。對反地形DEM進(jìn)行為flowdirfan，匯流累對flowaccOfan進(jìn)行均值3X3鄰域芬析后的結(jié)改為兩級，分級閾值為0.65677。積數(shù)據(jù)為fiowacC2，零據(jù)為nbf5Cc0fan,:流9771.3*.

12、関斗厲咤曲楓申Diiilfcy|W舸TM丨乩Ixii時(shí)4）將重分類過后的數(shù)據(jù)與負(fù)地形數(shù)據(jù)fudixing利用spatialanalyst菜單下的rastercalculator進(jìn)行相乘運(yùn)算，這樣就消除了那些存在在負(fù)地形區(qū)域中的錯誤的山脊線。然后將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行重分類，所有屬性不為1的柵格屬性值賦為NODATA。就得到了山谷線，如圖7所示。練習(xí)2.目I+SJurJELVIi+Rhlihade0JOAjWrt14-毎l(fā)oot4CflrtTad?$aftw如$Qlook母DdtaMaMqenwrtTLomtRfar(nigd(-ArulrtTek不知MMriMTT黃土地貌鞍部I勺提取處II詐.M牡鮎7

13、驚.&HHfti背景：相鄰兩山頭之間呈馬鞍形的低凹部分稱為鞍部，鞍部是兩個山脊和兩個山谷會合的地方。鞍部點(diǎn)是重要的地形控制點(diǎn)，它和山頂點(diǎn)、山谷點(diǎn)以及山脊線、山谷線等構(gòu)成的地形特征點(diǎn)線，具有對地形具有很強(qiáng)的控制作用。因此，對這些地形特征點(diǎn)、線的分析研究在數(shù)字地形分析中具有很重要的意義。同時(shí)，由于鞍部點(diǎn)的特殊地貌形態(tài)，使得鞍部點(diǎn)的提取方法較山頂點(diǎn)和山谷的提取更難，目前沒有什么有效的方法來提取鞍部點(diǎn)，利用水文分析的方法可以來提取一些鞍部點(diǎn)，但是它還是具有一定局限性。目的：結(jié)合水文分析的思想來提取研究區(qū)域內(nèi)的地形鞍部點(diǎn)；開拓思維，拓展水文分析工具的應(yīng)用，學(xué)會利用水文地質(zhì)分析的思想來解決一些地形、地貌等

14、方面的問題。要求：結(jié)合水文地質(zhì)分析的方法和空間分析的方法提取研究區(qū)域的地形鞍部點(diǎn)數(shù)據(jù)：一幅25m分辨率的黃土地貌DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的區(qū)域大概有59km2。數(shù)據(jù)存放于/ChP11/Ex2中，請將其拷貝到E：/ChP11/Ex2。結(jié)果保存在/ChP11/Ex2/Result中。5算法思想：由于鞍部是兩個山脊和兩個山谷會合的地方，那么對于鞍部點(diǎn)的提取，就可以采用分別提取山脊線和山谷線，然后再計(jì)算出山脊線與山谷線的交點(diǎn)，所求出的交點(diǎn)便是鞍部點(diǎn)的位置。鞍部點(diǎn)的提取流程如圖8所示。圖8鞍部點(diǎn)的提取流程圖山脊1DEMIC求交鞍部點(diǎn)16操作步驟：（1）正地形、等高線和暈渲圖的提取同山脊線與山谷線的提取中一樣，由

15、于鞍部點(diǎn)的整體位置是處于山脊上的，需要提取出正地形以舍棄那些在負(fù)地形上的錯誤的提取結(jié)果。正地形的提取過程與11.6.1完全相同。提取過程分別是：利用11XII窗口進(jìn)行提取平均值的鄰域分析，結(jié)果為meandem；原始DEM與meandem相減并以0為界進(jìn)行重分類，大于0的屬性重新賦值為1,小于0的賦值為0,結(jié)果命名為zhengdixing。利用spatialanalyst菜單下的surfaceanalysis菜單中的contour和hillshade工具分別提取研究區(qū)域的等高距為40m的等高線數(shù)據(jù)ctour和研究區(qū)域的暈渲圖hillshade。（2）山脊的提取山脊的提取與練習(xí)1中山脊的提取過程是

16、完全相同的，分別是進(jìn)行洼地填充、然后在無洼地的DEM上提取水流方向、基于水流方向計(jì)算匯流累積量數(shù)據(jù)、提取匯流累積量數(shù)據(jù)等于零的柵格。提取過程產(chǎn)生的各個數(shù)據(jù)分別為：filldem、flowdir、flowacc以及flowacc0。（3）山谷的提取山谷的提取也與練習(xí)1中山谷的提取過程是完全相同的，分別是基于原始DEM計(jì)算出反地形DEM數(shù)據(jù)（計(jì)算中是利用原始DEM減去常數(shù)3000）、基于反地形DEM數(shù)據(jù)提取水流方向數(shù)據(jù)、基于水流方向數(shù)據(jù)進(jìn)行匯流累積量數(shù)據(jù)、提取匯流累積量數(shù)據(jù)等于零的柵格。提取過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分別為：fandem、flowfdirfan、flowaccfan以及fanfacc0。（4

17、）鞍部點(diǎn)的提取1）將提取出的山脊線數(shù)據(jù)flowaccO和山谷線數(shù)據(jù)fanfaccO利用spatialanalyst菜單下的rastercalculator的工具進(jìn)行相乘運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果命名為anbuqu。2）將上一步中提取出的數(shù)據(jù)anbuqu和正地形數(shù)據(jù)zhengdixing利用spatialanalyst菜單下的rastercalculator的工具進(jìn)行相乘運(yùn)算，就得到了鞍部點(diǎn)的柵格形式數(shù)據(jù)，命名為rasteranbu。3）將柵格數(shù)據(jù)rasteranbu進(jìn)行重分類，所有0值和NODATA數(shù)據(jù)賦為NODATA數(shù)據(jù)，屬性為1的值保持不變，重分類之后數(shù)據(jù)為rasteranbu2。4）將柵格數(shù)據(jù)ras

18、teranbu2轉(zhuǎn)成矢量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)anbudian,并配合等高線數(shù)據(jù)和暈渲圖對矢量形式的鞍部點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，剔除那些處于研究區(qū)域邊緣以及內(nèi)部的偽鞍部點(diǎn),并重新設(shè)計(jì)鞍部點(diǎn)的圖例。將偽鞍部點(diǎn)數(shù)據(jù)剔除完畢之后,停止編輯并保存結(jié)果。最后得到的鞍部點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖9所示。皿赴攀Ms耳icTixfci-30血対TuftTbQi峠!rrCWWiiiX*-*IM*軸昨TK-O|叱-疊ji也卻皿蚌喚-ALiwtfP.e?erBnarflTwb-耐?pAdAwhnrtT如EarfulaiftStSKTi5Ii1.it練習(xí)3溝谷網(wǎng)絡(luò)的提取及溝壑密度的計(jì)算!1背景：溝壑密度是描述地面被水道切割破碎程度的一個術(shù)語。溝壑密度越大

19、,地面越破碎。破碎的地面必然起伏不平,多斜坡。這樣一方面使地表物質(zhì)穩(wěn)定性降低,另一方面易形成地表徑流。溝壑密度越大,地面徑流和土壤沖刷越快,溝蝕發(fā)展越快。溝壑密度是地形發(fā)育階段、降水量或地勢高差、土壤滲透能力和地表抗蝕能力的重要特征值。所以,溝壑密度是氣候、地形、巖性、植被等因素綜合影響的反映,對于水土流失監(jiān)測、水土保持規(guī)劃有著重要的意義。因此,溝壑密度的提取具有在地形分析中,特別是在進(jìn)行水土保持和水土流失研究中具有重要的意義。溝壑密度也稱溝谷密度或溝道密度，指單位面積內(nèi)溝壑的總長度。單位一般以km/km2表示，數(shù)學(xué)表達(dá)為：工LD=SA式中：DS指溝壑密度；工L指研究區(qū)域內(nèi)的溝壑總長度（單位：

20、km）,A指特定研究區(qū)域的面積（單位：km2）。2目的：能熟悉掌握水文分析中的溝谷網(wǎng)絡(luò)的提取原理及過程。3要求：（1）利用水文地質(zhì)分析工具提取出研究區(qū)域的溝谷網(wǎng)絡(luò)；（2）計(jì)算出該研究區(qū)域的溝壑密度。數(shù)據(jù)：一幅25m分辨率的黃土地貌DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的區(qū)域大概有59km2。數(shù)據(jù)存放于/ChPll/Ex3中，請將其拷貝到E：/ChPll/Ex3。結(jié)果保存在/ChPll/Ex3/Result文件夾中。操作步驟（l）溝谷網(wǎng)絡(luò)的提?。?）啟動ArcToolbox,展開AnalysisTools工具箱，打開hydrology工具集。在圖層管理器中加載研究區(qū)域的原始DEM數(shù)據(jù)。2）原始DEM數(shù)據(jù)提取水流方向數(shù)

21、據(jù)：雙擊hydrology工具集中的flowdirection工具，選擇原始DEM數(shù)據(jù)作為輸入表面數(shù)據(jù)，將輸出的水流方向數(shù)據(jù)命名為flowdir。點(diǎn)擊OK進(jìn)行水流方向數(shù)據(jù)的計(jì)算。3）洼地的計(jì)算：雙擊hydrology工具集中的sink工具，選擇上一步計(jì)算的水流方向數(shù)據(jù)flowdire作為輸入數(shù)據(jù)，將輸出數(shù)據(jù)命名為sink。4）計(jì)算得到原始DEM上有洼地，需要進(jìn)行洼地填充。雙擊hydrology工具集中的fill工具，進(jìn)行原始DEM的洼地點(diǎn)填充。在Inputsurfaceraster文本框中選擇原始DEM數(shù)據(jù)dem，將輸出數(shù)據(jù)命名為filldem，因?yàn)檫x擇的是將所有洼地全部填充,所有在填充容限Z

22、limit為默認(rèn)值。5）基于無洼地的水流方向的計(jì)算：同步驟2）中一樣，打開水流方向計(jì)算，選擇的輸入表面數(shù)據(jù)是無洼地DEM數(shù)據(jù)filldem，將輸出的水流方向數(shù)據(jù)命名為flowdirfill。6）匯流累積數(shù)據(jù)的計(jì)算。雙擊hydrology工具集中的flowaccumulation工具。選擇flowdirfill數(shù)據(jù)作為輸入的水流方向數(shù)據(jù)；輸出數(shù)據(jù)命名為flowacc；輸入的權(quán)值數(shù)據(jù)不選擇，利用系統(tǒng)默認(rèn)的等權(quán)且權(quán)值為1的模式。點(diǎn)擊OK進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算出的匯流累積數(shù)據(jù)flowacc。7）柵格河網(wǎng)的生成。在柵格河網(wǎng)的生成中，需要設(shè)置一個匯流累積閾值。雙擊spatialanalysistools工具箱中的

23、mapalgebra工具集中的multioutputmap工具。在對話框的文本框中輸入：E:chpllex3resultstreamnet=con（E:chpllex3resultflowacc100,1），計(jì)算出柵格河網(wǎng)數(shù)據(jù)streamnet。8）柵格河網(wǎng)矢量化。雙擊hydrology工具集中的streamtofeature工具。選擇streamnet作為柵格河網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入，將水流方向數(shù)據(jù)flowdirrfill作為輸入的水流方向數(shù)據(jù)。將輸出的數(shù)據(jù)命名為streaml，也就是矢量形式的溝谷網(wǎng)絡(luò)。9）偽溝谷的刪除。由于基于DEM的河網(wǎng)的提取是采用最大坡降的方法，那么在平地區(qū)域例如谷底等，在這些區(qū)

24、域上的水流方向是隨機(jī)的，那么就很容易生成平行狀的河流等錯誤的形狀，這種平行狀的溝谷被稱為偽溝谷，需要進(jìn)行手工編輯剔除的。偽溝谷的剔除步驟為：A加載模塊，點(diǎn)擊editor模塊的下拉箭頭，點(diǎn)擊startediting菜單工具，在操作目標(biāo)層（target）中選擇（9）中計(jì)算出來的矢量形式的河網(wǎng)數(shù)據(jù)streaml。B點(diǎn)擊編輯工具中的選擇符號，將其激活。在ArcMap地圖顯示窗口中選擇那些溝谷網(wǎng)絡(luò)上的平行狀溝谷，點(diǎn)擊右鍵，從彈出菜單中選擇刪除。研究區(qū)域邊緣的那些很短的溝谷也需進(jìn)行刪除。C.所有的偽溝谷刪除完畢之后，點(diǎn)擊editor下拉菜單中的saveedits,對該層數(shù)2止據(jù)的修改進(jìn)行保存，并點(diǎn)擊sto

25、pedits停止編輯。到此，完成了偽溝谷的刪除。最后的到溝谷數(shù)據(jù)如圖l0所示。perimeter、length、acresandmLumpur-qj-JUAiwrystloot-QCarverwrocfc睜IAM/mngrflmi1TankQiQAridrC.f-iiutLiiNrHeferenarqlooti申2wihnliAivdd：TodfIHTwijL(ax1:30$,114二|:瓷栽4口（2）溝壑密度的計(jì)算；1）加載Xtools擴(kuò)展模塊。點(diǎn)擊選擇calculatearea、hectares菜單工具，彈出如圖11的對話框，在文本框中選擇需要進(jìn)行計(jì)算的矢量數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊OK進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果將在屬性表中新建一個屬性項(xiàng)記錄。2）打開計(jì)算長度之后的矢量溝壑?jǐn)?shù)據(jù)的屬性表，選擇標(biāo)記length的屬性字段，點(diǎn)擊右鍵就彈出了如圖12的對話框，選擇statistics，進(jìn)行該屬性字段下屬性值的統(tǒng)計(jì)分析。第十一章水文分析GIS軟件應(yīng)用實(shí)習(xí)材料 第十一章水文分析GIS軟件應(yīng)用實(shí)習(xí)材料 #圖3正地形區(qū)域（圖