一種自動(dòng)提取dem中的山林線和山林線的方法

一種自動(dòng)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(xiàng)非常重要的研究工作。在過(guò)去的文獻(xiàn)中，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家提出了許多方法來(lái)提取適合不同研究目的的特征信息。例如，在文獻(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(lái)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(xiàn)主要是根據(jù)水流沿坡向陡的方向來(lái)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(diǎn)的高度值來(lái)確定dem中的局部極值點(diǎn)，并將其連接到山川線和山谷線。雖然文獻(xiàn)和文獻(xiàn)中提供的山脊(谷)線自動(dòng)提取方法都是可行的,但是這兩種方法的運(yùn)算量都較大.文獻(xiàn)中的方法所確定的山脊點(diǎn)和山谷點(diǎn)數(shù)目眾多,構(gòu)成了山脊(谷)點(diǎn)的寬帶,從而使后續(xù)的山脊(谷)點(diǎn)之間的連接和山脊(谷)點(diǎn)連接線的篩選算法運(yùn)算量特別大;文獻(xiàn)中的方法需要對(duì)數(shù)字高程數(shù)據(jù)做傅立葉變換,然后,再每隔5°計(jì)算一個(gè)方向?qū)?shù),其運(yùn)算量可想而知.本文提出的山脊線和山谷線自動(dòng)提取方法由于不涉及數(shù)值計(jì)算,方法的運(yùn)算量相對(duì)較小,處理速度較快.該方法與文獻(xiàn)方法的不同之處在于山脊(谷)點(diǎn)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(gè)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(duì)應(yīng)于主干山脊(谷);與“樹干”相連的“干枝”對(duì)應(yīng)于低一級(jí)的山脊(谷);“干枝”上發(fā)育的“小枝”對(duì)應(yīng)于更低一級(jí)的山脊(谷);…….山脊(谷)線常常有許多級(jí),除主干山脊(谷)及最低一級(jí)的山脊(谷)以外,每一級(jí)山脊(谷)均附著在它上一級(jí)山脊(谷)上,同時(shí),又是它下一級(jí)山脊(谷)的依附對(duì)象.在DEM中,一個(gè)山脊(谷)點(diǎn)是沿某一方向高程數(shù)據(jù)變化的局部極大(極小)值點(diǎn).而一條山脊(谷)線則可以看成是由一系列離散的山脊(谷)點(diǎn)構(gòu)成的“鏈”.如果沿山脊(谷)線的法線方向,穿過(guò)某一山脊(谷)點(diǎn)做一條短剖面,那么,山脊(谷)點(diǎn)的高程值必高(低)于其兩側(cè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程值.實(shí)際的地形地貌中,常常存在鞍點(diǎn)、洼地和小平原,這些特殊地形的存在需要對(duì)DEM做一些預(yù)處理工作.在DEM中,鞍點(diǎn)在一個(gè)方向上表現(xiàn)為局部極小值點(diǎn),而在另一個(gè)方向上則表現(xiàn)為局部極大值點(diǎn).用如下方法可以確定鞍點(diǎn):當(dāng)某一高程數(shù)據(jù)點(diǎn)沿某一方向是局部極大值點(diǎn)而沿另一方向?yàn)榫植繕O小值點(diǎn)時(shí),該點(diǎn)為山脊線上的鞍點(diǎn).小平原是由DEM中高程相等的數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的區(qū)域.洼地是以一個(gè)局部高程最低點(diǎn)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(wú)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(lái)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(jìn)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(diǎn),i,j分別表示數(shù)據(jù)點(diǎn)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(diǎn)(i,j)是山脊點(diǎn),則該點(diǎn)必是沿某一方向高程變化的局部極大值點(diǎn).以該點(diǎn)為中心,建立一個(gè)(2k+1)×(2k+1)(k=1,2,…,5)的模板,那么,模板中各數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程值必滿足式(1)～(4)之中的一個(gè).如果數(shù)據(jù)點(diǎn)(i,j)是山谷點(diǎn),則該點(diǎn)必是沿某一方向高程變化的局部極小值點(diǎn).在以該點(diǎn)為中心的(2k+1)×(2k+1)(k=1,2,…,5)模板中,各數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程值必滿足式(5)～(8)之中的一個(gè).如果數(shù)據(jù)點(diǎn)(i,j)是鞍點(diǎn),那么該點(diǎn)是沿某一方向高程變化的局部極大值點(diǎn),而沿與該方向近于垂直的方向,該點(diǎn)又是高程變化的局部極小值點(diǎn).因此,在以該點(diǎn)為中心的(2k+1)×(2k+1)(k=1,2,…,5)模板中,各數(shù)據(jù)點(diǎn)既滿足式(1)～(4)之中的一個(gè)又滿足式(5)～(8)之中的一個(gè).在山脊(谷)線提取算法中,鞍點(diǎn)屬于特殊的山脊點(diǎn).對(duì)于DEM中的每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),都用式(1)～(8)來(lái)檢查其高程值.如果數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程值滿足式(1)～(4)之中的一個(gè),該點(diǎn)即為可能的山脊點(diǎn);如果數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程值不滿足式(1)～(4),卻滿足式(5)～(8)之中的一個(gè),則該點(diǎn)即為可能的山谷點(diǎn).2.2中心柵格以0.用上述方法確定的山脊(谷)點(diǎn)中,有些點(diǎn)為孤立的山脊(谷)點(diǎn),這些點(diǎn)應(yīng)該剔除;有些點(diǎn)在局部位置上構(gòu)成了山脊(谷)點(diǎn)的寬帶,這些寬帶部位應(yīng)做細(xì)化處理.用改進(jìn)后的Hilditch細(xì)線化算法處理山脊(谷)點(diǎn),既可以剔除孤立的山脊(谷)點(diǎn),又可以將山脊(谷)點(diǎn)的寬帶部位細(xì)線化.改進(jìn)后的Hilditch細(xì)線化算法的原理如下:約定山脊(谷)點(diǎn)的柵格值為1,非山脊(谷)點(diǎn)的柵格值為0.算法中使用如下A～G共7個(gè)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(shí)的F.使用上述7個(gè)函數(shù)細(xì)線化處理過(guò)程如下:(1)將模板沿掃描線方向移動(dòng),當(dāng)下列5個(gè)條件全部滿足時(shí),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(diǎn))條件2∑i=N2B(2i?1)≥1,N2={1,2,3,4}(中心柵格位于山脊(谷)點(diǎn)寬帶邊緣)條件3∑i=N2|A(2i?1)|≥2(不消除端點(diǎn))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(duì)全部柵格逐個(gè)進(jìn)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(diǎn)將模板沿掃描線方向移動(dòng),當(dāng)滿足下列條件時(shí),中心柵格值置為0.條件1A(0)=1(中心柵格為山脊(谷)點(diǎn))條件2∑i=18C(i)=0(中心柵格為孤立的山脊(谷)點(diǎn))此步處理針對(duì)全部柵格逐個(gè)進(jìn)行.2.3兩種典型案例將篩選后兩兩相鄰的山脊(谷)點(diǎn)連接起來(lái),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(huì)出現(xiàn)封閉的三角形,用以下處理過(guò)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(dòng)一個(gè)3×3模板,檢查模板中是否存在兩兩相鄰的3個(gè)山脊(谷)點(diǎn),如果存在,就將高程較低(高)的2個(gè)山脊(谷)點(diǎn)之間的連接線從山脊(谷)線雛形中剔除.這一處理過(guò)程針對(duì)每一個(gè)山脊(谷)點(diǎn)逐個(gè)進(jìn)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(jī)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(diǎn)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(gè)或2個(gè)以上的連接線之間存在連接關(guān)系.根據(jù)這一特點(diǎn),即可以刪除山脊(谷)線“雛形”中長(zhǎng)度為一個(gè)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(dòng)提取的兩種方法用真實(shí)的DEM數(shù)據(jù)對(duì)本文所述方法的有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)所用的DEM數(shù)據(jù)為48×52的點(diǎn)陣式數(shù)字高程數(shù)據(jù),采自我國(guó)新疆北部某地的1∶20萬(wàn)地形圖.在地形圖上數(shù)據(jù)網(wǎng)格大小為1.5mm×1.5mm,對(duì)應(yīng)的實(shí)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(wú)量綱,只作為網(wǎng)格點(diǎn)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(diǎn)和山谷點(diǎn)的位置圖,圖中黑實(shí)心圓點(diǎn)代表山脊點(diǎn),灰空心圓點(diǎn)代表山谷點(diǎn),符號(hào)“+”代表高程數(shù)據(jù)網(wǎng)格點(diǎn);圖2(c)為山脊線和山谷線的雛形,圖中的實(shí)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(duì)比圖2(a)和圖2(d),可以看出自動(dòng)提取的山脊線和山谷線與高程等值線所反映出來(lái)的地形特征基本吻合.另外,用山東半島的1∶50萬(wàn)數(shù)字高程數(shù)據(jù)也進(jìn)行了本文所述方法的試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果證明了本文所述方法的有效性.從DEM中自動(dòng)提取山脊(谷)線的基本思路是,先識(shí)別可能的山脊(谷)點(diǎn),再將山脊(谷)點(diǎn)連接起來(lái)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(shí)現(xiàn)這一思路的具體方式.文獻(xiàn)提供的方法是:首先,用“ProfileRecognition”算法盡可能多地把高程點(diǎn)標(biāo)示為可能的山脊(谷)點(diǎn),形成山脊(谷)點(diǎn)的寬帶;然后,將寬帶中的山脊(谷)點(diǎn)連接起來(lái),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(xiàn)提供的方法的實(shí)質(zhì)是借助于高程數(shù)據(jù)的“頻率域方向?qū)?shù)”特征來(lái)識(shí)別山脊(谷)點(diǎn)