CN104331870B - 一种适于规则网格dem的结构化多尺度重构方法 - Google Patents

Abstract

一种适于规则网格DEM的结构化多尺度重构方法，包括如下步骤：步骤1，谷地汇水区域的提取及结构化组织；步骤2，谷地选取与汇水区域的合并；步骤3，基于合并后的汇水区域进行约束内插生成新的、删除次要谷地后的DEM。其优点是：通过实验对比，传统重采样及滤波综合方法无论谷地和山脊大小同等程度地削减正向、负向地貌，没有顾及地理特征的保持；而采用本发明方法综合后，图中表示次要谷地的等高线弯曲呈现成组删除的效果，表示主要谷地源头的等高线弯曲保持较好，与专家手工综合的效果接近。

Description

一种适于规则网格DEM的结构化多尺度重构方法

技术领域

本发明涉及地形综合方法，具体的说是一种利用汇水区联系谷地实体和网格点的纽带实现DEM(数字高程模型，英文全称为Digital Elevation Model，以下简称DEM)综合方法。

背景技术

传统的地图综合是将大比例尺地图缩编为小比例尺地图的过程，是地图学的核心问题。DEM综合，即由较高分辨率的DEM数据派生出较低分辨率的DEM数据，是多尺度地形表达、分析与应用的关键技术，其综合过程需满足地形综合的基本约束，即删除次要地形结构特征、保留主体地形结构特征，DEM综合是一种面向地理特征的、结构化的空间信息抽象过程，而非简单的数据压缩，传统的基于重采样的分辨率变更方法难以满足高质量DEM生产与应用的要求。

传统的地形综合方法不同程度地关注了地形结构特征在综合过程中的控制作用，但缺乏可操作性的模型与算法将抽象的地理概念(如山脊、谷地等)与具体的DEM数据网格点或等高线弯曲关联起来并进行一致化的综合化简。

目前地形大体可归为三类，即①基于光滑滤波器的全局滤波法，全局滤波法通过消除原始数据中的高频部分而达到光滑效果，典型的有低通滤波法和小波分析法，该类方法没有针对具体地貌结构形态进行舍弃或简化，适用于比例尺跨度较小的综合任务，而当比例尺变化幅度较大时，综合结果往往偏离真实的地形结构，达不到“保留主要形态舍弃次要起伏”的综合效果。②消除次要数据点的选择性滤波法，如层次法、重要点法、容忍度法以及三维道格拉斯法等，其基本思想都是根据邻域信息定义DEM点位的重要性，保留重要性高的、删除重要性低的，该类方法在简化过程中缺乏全局的地形结构特征控制，综合结果容易出现山峰削平、沟谷抬升的现象，造成整体地貌骨架在一定程度上的失真。③基于地形结构线的结构化综合方法，《地形图成组等高线成组综合的试验》(武汉测绘科技大学学报，1993年，费立图等)提出的成组等高线综合方法等，其基本思想是首先提取隐含在复杂等高线图形或规则格网DEM中的地形结构线，然后基于对地形结构线的取舍完成对成组等高线的化简或规则格网DEM的填充，从而实现地形的综合与化简，这类方法考虑了地形的全局结构，合理使用了地形结构线，在一定程度上避免了地貌形态的扭曲，但地形结构线所关联的等高线弯曲组、规则格网块往往难以自动确立，需要辅以人工识别。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状设计一种适于规则网格DEM的结构化多尺度重构方法，提出一种结构化的、基于汇水区合并的全自动DEM综合方法，该方法利用汇水区将基本地形特征与DEM网格关联起来，使用汇水网络进行全局的地形结构控制，基于水文分析从语义层次评价汇水区的地理重要性，以制图综合的基本原则确定汇水区的取舍，通过汇水区的合并实现DEM的简化。

一种适于规则网格DEM的结构化多尺度重构方法，包括如下步骤：

步骤1，谷地汇水区域的提取及结构化组织；

步骤2，谷地选取与汇水区域的合并；

步骤2.1，对谷底线网络中各谷底分支以水文意义上的重要性进行编码，并生成多叉树结构；

步骤2.2，利用法则确定选取数量模型，M1为资料图比例尺分母，M₂为综合图比例尺分母，N₁、N₂分别为综合前和综合后的谷地的个数；确定删除谷地的数量N₁-N₂，设编码数量为1的值，设为N₃；

步骤2.3，根据f_i＝a_i×l_i，计算谷底线树结构中各节点的f值，根据f值的大小进行删除操作；式中a_i为谷地的汇水区域面积，l_i为相应谷地线的长度，i为谷地分支编号；

步骤3，基于合并后的汇水区域进行约束内插生成新的、删除次要谷地后的DEM；合并后汇水区域多边形边界和删除次要谷地后的谷底线构成了DEM重构时两种重要的约束性元素，提取汇水区域多边形边界和谷底线所穿越的DEM网格点作为新的内插数据源，采用DEM内插方法实现指定尺度下DEM的综合重构；

为保留主要谷地源头，须对提取的谷底线进行延伸，延伸谷底线步骤如下，

步骤3.1，首先基于D8方向构建流向矩阵和汇水量矩阵，并按一定汇水量阈值提取谷底线；

步骤3.2，对于所有一级谷底线，追踪出其上游谷地源头点：首先基于流向矩阵找出所有流向当前谷底点的网格点为候选上游点；然后基于汇水量矩阵找出候选点中汇水量最大者为当前点的唯一上游点，若不只一个最大者则取流向最接近的为上游点；

步骤3.3，递归此过程直到候选点个数为0为止，则谷底线延伸完毕。

所述步骤2.3中删除操作遵循4个删除规则：①如果a只有一个兄弟节点b，且b为叶子节点，则将b的长度以及a和b的汇水面积一起并入父亲节点c中，然后删除之；②如果a只有一个兄弟节点b，且b不为叶子节点，则删除b并将b的孩子节点d和e作为其父亲节点c的孩子节点；③如果a有两个及以上的兄弟节点b1、b2等，且所有兄弟节点皆为叶子节点，则删除a并将其汇水面积并入其汇水量最大的兄弟节点，其它节点保持不变；④如果a有两个及以上的兄弟节点b1、b2等，且至少有一个兄弟节点不为叶子节点，则只删除a并将其汇水面积并入非叶子节点的兄弟节点中。

删除操作按如下步骤进行：

步骤2.3.1，删除节点6，满足删除规则中的第三条，故节点6的汇水面积并入其叶子兄弟7中；

步骤2.3.2，删除节点3，满足删除规则中的第一条，节点2、3、10合并为一个节点，合并过程中节点2和3的汇水面积被并入其父亲节点10中，并且节点2的长度也被并入节点10中，节点10的Strahler级别由2降为1；

步骤2.3.3，删除节点8，满足删除规则中的第二条，节点8、12、13合并为一个节点，合并过程中节点8和12的汇水面积被并入其父亲节点13中，节点12的长度被并入13中，并且12的孩子节点5和7提升为其父亲节点13的孩子节点，节点13的Strahler级别仍然为2；

步骤2.3.4，删除节点9，满足删除规则中的第四条，节点9的汇水面积并入其非叶子节点兄弟13中。

本发明一种适于规则网格DEM的结构化多尺度重构方法的优点是：

通过实验对比，传统重采样和滤波综合方法无论谷地和山脊大小同等程度地削减正向、负向地貌，没有顾及地理特征的保持；而采用本发明方法综合后，图中表示次要谷地的等高线弯曲呈现成组删除的效果，表示主要谷地源头的等高线弯曲保持较好，与专家手工综合的效果接近；

本发明提出一种基于谷地删除与汇水区合并的结构化DEM综合方法，使用汇水区作为联系谷地概念与DEM网格点的纽带，在谷底线网络的基础上从全局的角度控制谷地取舍，在谷地汇水区合并的基础上进行DEM重构与内插。实验结果表明，本发明方法在删除次要谷地特征的同时，较好地保持了主要谷地特征，DEM综合结果符合传统制图综合及空间认知一般规律。

附图说明

图1a为基于Strahler编码的示意图。

图1b为多叉树组织结构图。

图2a为待删除谷底线示意图。

图2b为谷底线6被删除示意图。

图2c为谷底线3被删除示意图。

图2d为谷底线8被删除示意图。

图2e为谷底线9被删除示意图。

图3a为本发明原始1:1万DEM的实验数据图。

图3b为原始1:1万DEM获取的汇水区域多边形效果图。

图3c为原始1:1万DEM汇水区多边形边界图。

图3d为原始1:1万DEM延伸后谷底线和汇水区边界图。

图4a为1:2.5万综合后的DEM晕渲图。

图4b为1:2.5万DEM合并后的汇水区域多边形效果图。

图4c为1:2.5万DEM次要谷地删除后的谷底线网络。

图4d为原始1:1万等高线。

图4e为采用本发明方法综合DEM后派生出的1:2.5万等高线。

图4f为基于最邻近重采样方法综合DEM后派生出的1:2.5万等高线，等高距10米。

图5a为1:5万综合后的DEM晕渲图。

图5b为1:5万DEM合并后的汇水区域多边形效果图。

图5c为1:5万DEM次要谷地删除后的谷底线网络。

图5d为原始1:1万等高线。

图5e为采用本发明方法综合DEM后派生出的1:5万等高线。

图5f为基于最邻近重采样方法综合DEM后派生出的1:5万等高线，等高距10米。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明。

分别用1:1万，1:2.5万，1:5万作为实验数据，实验数据如图3a所示，为国家测绘部门标准化生产的1:1万规则网格DEM，数据分辨率为5米，数据规模为410行×346列，实验区最大高程为1503米，最低高程为1163米，平均海拔1340米，该区域地势东西高中部低，有典型的谷地发育。实验过程相关算法(如汇水区域提取、谷底线提取、汇水区域合并、谷底线选取、DEM重构等)基于VS2010集成开发环境，采用C#语言编程实现。

从DEM提取谷底线的有效汇水量阈值范围依据《DEM提取谷地线的有效汇水量阈值范围》(武汉大学学报2012年10月，第37卷第10期，李精忠等)的方法确定，经反复实验发现采用汇水量阈值600提取的谷底线和汇水区与原始DEM及对应等高线贴合度较好，在此条件下共提取谷底线116条，汇水区多边形116个，图3b为提取的汇水区域多边形效果图，图3c为汇水区多边形边界(图中黑色虚线)、谷底线(图中粗实线)以及对应等高线的叠加效果图可见提取的汇水区完全覆盖地形中的谷地单元。

本发明的步骤如下：

步骤1，谷地汇水区域的提取及结构化组织

步骤1.1，将洼地填平，并确定原本存在及洼地填平过程中生成的平地的水流方向，然后根据这些修正的水流方向及水流路径得到汇水区域。

步骤1.2，利用上述3中的基于种子的堆栈方法进行识别汇水区域，在这里把出水口作为种子点，把高于该格网的高程值入栈，并在矩阵中做标识。

步骤1.3，根据得到的汇水区域，将汇水区域的边缘线跟踪出来，得到汇水区域并且用边界矩阵存储所有汇水区域的边缘线格网。

步骤1.4，在汇水区域的基础上提取汇水子区域。

在以上提取汇水区域中，只是识别出了某个汇水区域，便于进一步操作，步骤1.3中，汇水区域边缘线的追踪算法步骤如下：

步骤A1,先定义数据结构对汇水区域进行结构化存储，分别定义最小外接矩形，汇水区域出水口，汇水区域边缘线和汇水区域所包含的河流。

步骤A2,汇水区域最小外接矩形可以在汇水区域检测的过程中直接确定，利用该矩形确定汇水区域顶部的最左侧边缘点，利用该点将汇水区域边缘线追踪出来。

步骤A3,从第一个边缘点开始，从初始方向开始1沿顺时针方向开始扫描直到遇到一个新的汇水区域边缘点。将边缘点入栈并加入边缘线，修改搜索方向(当前搜索方向的反方向)。

步骤A4,当堆栈非空时，从堆栈中弹出一个格网点，从搜索方向顺时针旋转90度的方向开始，继续用同样的方法搜索下一个边缘点。搜索到一个新的边缘点，入栈并加入边缘线；如果该点以存在与边缘线中且不是最初的边缘点，入栈但不加入边缘线；如果是最初的边缘点，停止跟踪。

步骤A5,重复A4，直到返回最初的边缘点。

在上述步骤1.4，在汇水区域的基础上提取汇水子区域的步骤如下：

步骤B1,设定一个面积阈值，只提取汇水面积小于阈值的子区域会被提取。较小的阈值每一个之流的汇水区域都会被提取，阈值越大，提取的较少。

步骤B2,汇水边缘以树状结构存储，而每一段汇水边缘线的上游指针都是按从主流到直流的顺序指向，通过递归的方法提取汇水区域。首先提取上游，然后根据汇水阈值是够满足要求提取上游汇水子区域。按照此方法提取这以河段的汇水子区域。

步骤B3,将两河段的汇聚点加入主流的汇水区域中。在提取主流汇水区域时,以汇聚点到主流第二点的方向为起点,分别沿顺时针、逆时针旋转,将遇到另一条汇水线前且指向汇聚点的格网点也

加入主流的汇水区域中。指向汇聚点的其他格网点加入支流的汇水区域中。

步骤B4,最后将汇水区域(或汇水子区域)边界线矢量化。

提取地形结构线的步骤1.11，填平原始DEM中的洼地生成无洼地高程矩阵；

步骤1.12，在无洼地高程矩阵基础上计算水流方向矩阵；

步骤1.13，在水流方向矩阵基础上计算水流累积矩阵；

步骤1.14，根据上述的三个矩阵，预先设定一个水流累积阈值，将水流累积矩阵中高于该阈值的格网点连接起来并进行矢量化即可得到山谷线(汇水线)。

上述1.11和1.12基于上述步骤即可完成，在步骤1.13中，水流累积矩阵的确定是按照自然水流从高到低的规律，根据水流方向矩阵计算每点所累积流过的水流量，便可得到该区域的水流累积矩阵。

步骤2，谷地选取与汇水区域的合并。

在删除过程中按如下步骤进行：

步骤2.1：删除节点6，满足删除规则中的第三条，故节点6的汇水面积并入其叶子兄弟7中(如图2a所示)；

步骤2.2：删除节点3，满足删除规则中的第一条，节点2、3、10合并为一个节点(如图2b所示)，合并过程中节点2和3的汇水面积被并入其父亲节点10中，并且节点2的长度也被并入节点10中，节点10的Strahler级别由2降为1；

步骤2.3：删除节点8，满足删除规则中的第二条，节点8、12、13合并为一个节点(如图2c所示)，合并过程中节点8和12的汇水面积被并入其父亲节点13中，节点12的长度被并入13中，并且12的孩子节点5和7提升为其父亲节点13的孩子节点，节点13的Strahler级别仍然为2；

步骤2.4：删除节点9，满足删除规则中的第四条(如图2d所示)，节点9的汇水面积并入其非叶子节点兄弟13中。删除合并后的谷底线网络如图2e所示。

步骤3，基于合并后的汇水区域进行约束内插生成新的、删除次要谷地后的DEM。

为保留主要谷地源头，须对提取的谷底线进行延伸，延伸谷底线步骤如下，

步骤3.1，首先基于D8方向构建流向矩阵和汇水量矩阵，并按一定汇水量阈值提取谷底线。

步骤3.2，对于所有一级谷底线，追踪出其上游谷地源头点：首先基于流向矩阵找出所有流向当前谷底点的网格点为候选上游点；然后基于汇水量矩阵找出候选点中汇水量最大者为当前点的唯一上游点，若不只一个最大者则取流向最接近的为上游点。

步骤3.3，递归此过程直到候选点个数为0为止，则谷底线延伸完毕。

合并后汇水区域多边形边界和删除次要谷地后的谷底线构成了DEM重构时两种重要的约束性元素，提取汇水区域多边形边界和谷底线所穿越的DEM网格点作为新的内插数据源，采用传统的DEM内插方法即可实现指定尺度下DEM的综合重构。

Claims (2)

1.一种适于规则网格DEM的结构化多尺度重构方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，谷地汇水区域的提取及结构化组织；

步骤2，谷地选取与汇水区域的合并；

步骤2.1，对谷底线网络中各谷底分支以水文意义上的重要性进行编码，并生成多叉树结构；

步骤2.2，利用法则确定选取数量模型，M₁为资料图比例尺分母，M₂为综合图比例尺分母，N₁、N₂分别为综合前和综合后的谷地的个数；确定删除谷地的数量N₁-N₂，设编码数量为1的值，设为N₃；

步骤2.3，根据f_i＝a_i×l_i，计算谷底线树结构中各节点的f值，根据f值的大小进行删除操作；式中a_i为谷地的汇水区域面积，l_i为相应谷地线的长度，i为谷地分支编号；

步骤3，基于合并后的汇水区域进行约束内插生成新的、删除次要谷地后的DEM；合并后汇水区域多边形边界和删除次要谷地后的谷底线构成了DEM重构时两种重要的约束性元素，提取汇水区域多边形边界和谷底线所穿越的DEM网格点作为新的内插数据源，采用DEM内插方法实现指定尺度下DEM的综合重构；

为保留主要谷地源头，须对提取的谷底线进行延伸，延伸谷底线步骤如下，

步骤3.1，首先基于D8方向构建流向矩阵和汇水量矩阵，并按一定汇水量阈值提取谷底线；

步骤3.2，对于所有一级谷底线，追踪出其上游谷地源头点；首先基于流向矩阵找出所有流向当前谷底点的网格点为候选上游点；然后基于汇水量矩阵找出候选点中汇水量最大者为当前点的唯一上游点，若不只一个最大者则取流向最接近的为上游点；

步骤3.3，递归此过程直到候选点个数为0为止，则谷底线延伸完毕。

2.如权利要求1所述的适于规则网格DEM的结构化多尺度重构方法，其特征在于：所述步骤2.3中删除操作遵循以下4个删除规则，

①如果a只有一个兄弟节点b，且b为叶子节点，则将b的长度以及a和b的汇水面积一起并入父亲节点c中，然后删除之；

②如果a只有一个兄弟节点b，且b不为叶子节点，则删除b并将b的孩子节点d和e作为其父亲节点c的孩子节点；

③如果a有两个及以上的兄弟节点b1、b2等，且所有兄弟节点皆为叶子节点，则删除a并将其汇水面积并入其汇水量最大的兄弟节点，其它节点保持不变；

④如果a有两个及以上的兄弟节点b1、b2等，且至少有一个兄弟节点不为叶子节点，则只删除a并将其汇水面积并入非叶子节点的兄弟节点中。