一種自動提取dem中的山林線和山林線的方法

一種自動提取dem中的山林線和山林線的方法

0特征信息提取方法在地理學(xué)領(lǐng)域，從dem數(shù)字高度數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)或數(shù)字圖像中提取區(qū)域特征信息是一項非常重要的研究工作。在過去的文獻中，國內(nèi)外科學(xué)家提出了許多方法來提取適合不同研究目的的特征信息。例如，在文獻中，提供了一種提取衛(wèi)星圖像中線性特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。在文獻中，提供了提取遙感圖像中線性陰影的段跟蹤和旋轉(zhuǎn)變換方法。在文學(xué)中，提供了提取數(shù)字圖像中物體外部輪廓的閾值的方法。文件提供了提取dem自然水系的d8方法。在文獻中，提供了一種提取dem中陰影和山谷線輪廓的特征和多邊形展開的方法。在上述資源提取方法中，文獻中的方法主要是根據(jù)數(shù)字圖像中大象元素的灰淡變化特征來確定碳灰層的突變部位，這些突變部分是不同空間單元之間的邊界。文獻主要是根據(jù)水流沿坡向陡的方向來確定特定流域內(nèi)的自然水系。文學(xué)通常是根據(jù)不同高度點的高度值來確定dem中的局部極值點，并將其連接到山川線和山谷線。雖然文獻和文獻中提供的山脊(谷)線自動提取方法都是可行的,但是這兩種方法的運算量都較大.文獻中的方法所確定的山脊點和山谷點數(shù)目眾多,構(gòu)成了山脊(谷)點的寬帶,從而使后續(xù)的山脊(谷)點之間的連接和山脊(谷)點連接線的篩選算法運算量特別大;文獻中的方法需要對數(shù)字高程數(shù)據(jù)做傅立葉變換,然后,再每隔5°計算一個方向?qū)?shù),其運算量可想而知.本文提出的山脊線和山谷線自動提取方法由于不涉及數(shù)值計算,方法的運算量相對較小,處理速度較快.該方法與文獻方法的不同之處在于山脊(谷)點確定規(guī)則和連接線篩選方法均不相同.1dem中的基本高程從整體上看,在一個流域內(nèi),發(fā)育完好的山脊(谷)線構(gòu)成層次關(guān)系明顯的“樹形結(jié)構(gòu)”.在該結(jié)構(gòu)中,“樹干”對應(yīng)于主干山脊(谷);與“樹干”相連的“干枝”對應(yīng)于低一級的山脊(谷);“干枝”上發(fā)育的“小枝”對應(yīng)于更低一級的山脊(谷);…….山脊(谷)線常常有許多級,除主干山脊(谷)及最低一級的山脊(谷)以外,每一級山脊(谷)均附著在它上一級山脊(谷)上,同時,又是它下一級山脊(谷)的依附對象.在DEM中,一個山脊(谷)點是沿某一方向高程數(shù)據(jù)變化的局部極大(極小)值點.而一條山脊(谷)線則可以看成是由一系列離散的山脊(谷)點構(gòu)成的“鏈”.如果沿山脊(谷)線的法線方向,穿過某一山脊(谷)點做一條短剖面,那么,山脊(谷)點的高程值必高(低)于其兩側(cè)相鄰數(shù)據(jù)點的高程值.實際的地形地貌中,常常存在鞍點、洼地和小平原,這些特殊地形的存在需要對DEM做一些預(yù)處理工作.在DEM中,鞍點在一個方向上表現(xiàn)為局部極小值點,而在另一個方向上則表現(xiàn)為局部極大值點.用如下方法可以確定鞍點:當(dāng)某一高程數(shù)據(jù)點沿某一方向是局部極大值點而沿另一方向為局部極小值點時,該點為山脊線上的鞍點.小平原是由DEM中高程相等的數(shù)據(jù)點構(gòu)成的區(qū)域.洼地是以一個局部高程最低點為中心構(gòu)成的DEM中的凹陷區(qū).在小平原和洼地中,存在山脊(谷)線的延伸部分.由于DEM的分辨率不夠,高程數(shù)據(jù)無法反映出小平原和洼地內(nèi)的地形起伏,在這種情況下,可以用洼地填充算法和平地起伏算法來改造DEM數(shù)據(jù),改造后的DEM數(shù)據(jù)即可反映出小平原和洼地內(nèi)的地形起伏.2算法的原理以下均假設(shè)DEM數(shù)據(jù)已經(jīng)進行了洼地填充和平地起伏處理.2.1dem中的兩種高值區(qū)式(1)～(8)中,(i,j)表示DEM中的數(shù)據(jù)點,i,j分別表示數(shù)據(jù)點的行列坐標(biāo),z(i,j)表示高程,1≤l≤k.如果DEM中的數(shù)據(jù)點(i,j)是山脊點,則該點必是沿某一方向高程變化的局部極大值點.以該點為中心,建立一個(2k+1)×(2k+1)(k=1,2,…,5)的模板,那么,模板中各數(shù)據(jù)點的高程值必滿足式(1)～(4)之中的一個.如果數(shù)據(jù)點(i,j)是山谷點,則該點必是沿某一方向高程變化的局部極小值點.在以該點為中心的(2k+1)×(2k+1)(k=1,2,…,5)模板中,各數(shù)據(jù)點的高程值必滿足式(5)～(8)之中的一個.如果數(shù)據(jù)點(i,j)是鞍點,那么該點是沿某一方向高程變化的局部極大值點,而沿與該方向近于垂直的方向,該點又是高程變化的局部極小值點.因此,在以該點為中心的(2k+1)×(2k+1)(k=1,2,…,5)模板中,各數(shù)據(jù)點既滿足式(1)～(4)之中的一個又滿足式(5)～(8)之中的一個.在山脊(谷)線提取算法中,鞍點屬于特殊的山脊點.對于DEM中的每一個數(shù)據(jù)點,都用式(1)～(8)來檢查其高程值.如果數(shù)據(jù)點的高程值滿足式(1)～(4)之中的一個,該點即為可能的山脊點;如果數(shù)據(jù)點的高程值不滿足式(1)～(4),卻滿足式(5)～(8)之中的一個,則該點即為可能的山谷點.2.2中心柵格以0.用上述方法確定的山脊(谷)點中,有些點為孤立的山脊(谷)點,這些點應(yīng)該剔除;有些點在局部位置上構(gòu)成了山脊(谷)點的寬帶,這些寬帶部位應(yīng)做細化處理.用改進后的Hilditch細線化算法處理山脊(谷)點,既可以剔除孤立的山脊(谷)點,又可以將山脊(谷)點的寬帶部位細線化.改進后的Hilditch細線化算法的原理如下:約定山脊(谷)點的柵格值為1,非山脊(谷)點的柵格值為0.算法中使用如下A～G共7個函數(shù)和如圖1所示的3×3模板.E(9)=E(1)F=∑i=N1{E(i)-E(i)×E(i+1)×E(i+2)},N1={1,3,5,7}G(k)=F*,k=0～8.F*是A(k)=0時的F.使用上述7個函數(shù)細線化處理過程如下:(1)將模板沿掃描線方向移動,當(dāng)下列5個條件全部滿足時,中心柵格值置為-1,否則不作任何改變.條件1A(0)=1(中心柵格為山脊(谷)點)條件2∑i=N2B(2i?1)≥1,N2={1,2,3,4}(中心柵格位于山脊(谷)點寬帶邊緣)條件3∑i=N2|A(2i?1)|≥2(不消除端點)條件4F=1(保留連接性)條件5A(i)≠-1,或G(i)=1,i∈N3,N3={1,2,…,8}(線寬為2的部分只消除一側(cè))此步處理針對全部柵格逐個進行.(2)在第1步處理結(jié)束后,將已賦-1的柵格值全部置為0,再次執(zhí)行第1步.如此反復(fù)直至第1步處理的結(jié)果不再有-1的柵格出現(xiàn),處理結(jié)束.(3)刪除孤立點將模板沿掃描線方向移動,當(dāng)滿足下列條件時,中心柵格值置為0.條件1A(0)=1(中心柵格為山脊(谷)點)條件2∑i=18C(i)=0(中心柵格為孤立的山脊(谷)點)此步處理針對全部柵格逐個進行.2.3兩種典型案例將篩選后兩兩相鄰的山脊(谷)點連接起來,即形成了山脊(谷)線的雛形.在山脊(谷)線雛形中,兩條或多條山脊(谷)線交匯部位可能會出現(xiàn)封閉的三角形,用以下處理過程可以將山脊(谷)線雛形中的封閉三角形斷開:(1)沿掃描線方向移動一個3×3模板,檢查模板中是否存在兩兩相鄰的3個山脊(谷)點,如果存在,就將高程較低(高)的2個山脊(谷)點之間的連接線從山脊(谷)線雛形中剔除.這一處理過程針對每一個山脊(谷)點逐個進行.(2)山脊(谷)線“雛形”中存在許多“短枝”,它們并不是真正的山脊(谷)線,而是一些隨機干擾.將這些“短枝”從“雛形”中刪除,剩下的連接線即為真正的山脊(谷)線.這些“短枝”的特點是,“短枝”的一端與其他連接線之間沒有連接關(guān)系,而另一端則與2個或2個以上的連接線之間存在連接關(guān)系.根據(jù)這一特點,即可以刪除山脊(谷)線“雛形”中長度為一個柵格大小的“短枝”.經(jīng)以上兩步的處理,即可得到最終的山脊(谷)線.3dem中自動提取的兩種方法用真實的DEM數(shù)據(jù)對本文所述方法的有效性進行試驗驗證.實驗所用的DEM數(shù)據(jù)為48×52的點陣式數(shù)字高程數(shù)據(jù),采自我國新疆北部某地的1∶20萬地形圖.在地形圖上數(shù)據(jù)網(wǎng)格大小為1.5mm×1.5mm,對應(yīng)的實際范圍是0.3km×0.3km的小方格.在DEM中,缺失的高程數(shù)據(jù)用1.70141×1038填充(此數(shù)字無量綱,只作為網(wǎng)格點的數(shù)據(jù)缺失標(biāo)志,用此標(biāo)志可使高程數(shù)據(jù)與Surfer的輸入數(shù)據(jù)具有相同的格式,便于用Surfer繪制高程等值線圖).圖2(a)為根據(jù)DEM數(shù)據(jù)用Surfer生成的高程等值線圖;圖2(b)為用方向剖面法確定的山脊點和山谷點的位置圖,圖中黑實心圓點代表山脊點,灰空心圓點代表山谷點,符號“+”代表高程數(shù)據(jù)網(wǎng)格點;圖2(c)為山脊線和山谷線的雛形,圖中的實線代表山脊線,虛線代表山谷線;圖2(d)為最終的山脊線和山谷線.對比圖2(a)和圖2(d),可以看出自動提取的山脊線和山谷線與高程等值線所反映出來的地形特征基本吻合.另外,用山東半島的1∶50萬數(shù)字高程數(shù)據(jù)也進行了本文所述方法的試驗研究(結(jié)果略),所提取的山脊(谷)線也基本反映了山東半島的地形基本特征.上述試驗結(jié)果證明了本文所述方法的有效性.從DEM中自動提取山脊(谷)線的基本思路是,先識別可能的山脊(谷)點,再將山脊(谷)點連接起來構(gòu)成山脊(谷)線.各種提取方法均采用這一思路,不同方法的區(qū)別在于實現(xiàn)這一思路的具體方式.文獻提供的方法是:首先,用“ProfileRecognition”算法盡可能多地把高程點標(biāo)示為可能的山脊(谷)點,形成山脊(谷)點的寬帶;然后,將寬帶中的山脊(谷)點連接起來,形成內(nèi)含山脊(谷)線的網(wǎng)狀連接;最后,把網(wǎng)狀連接中的封閉多邊形逐步斷開,余下的連接線就構(gòu)成山脊(谷)線.文獻提供的方法的實質(zhì)是借助于高程數(shù)據(jù)的“頻率域方向?qū)?shù)”特征來識別山脊(谷)點