CN114463564B - 一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，包括基于DEM数据计算正地形，确定最大正地形分析窗口；基于不同邻域下的正地形分布图，计算正地形隶属度；根据最大正地形分析窗口和正地形隶属度，提取正地形轮廓；在正地形轮廓的基础上，通过形态学分析得到模拟山脊线，并计算其长度；根据模拟山脊线确定最佳汇流阈值；基于所述最佳汇流阈值，通过径流模拟法提取山脊线。本发明的目的在于提供一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，以解决现有技术中因缺乏明确的阈值选择说明而导致提取的山脊线可比性差的问题，实现改善提取山脊线的可比性，提高山脊线提取精准度的目的。

Description

一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法

技术领域

本发明涉及数字地形分析领域，具体涉及一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法。

背景技术

山脊线，作为典型的地形结构线之一，是一种明确的、客观的地形特征对象，对于地质工作而言具有明显的指导作用。传统的地形结构线提取主要通过等高线与地形断面极值判断法、骨架化方法及径流模拟方法。其中利用径流模拟方法提取山脊线在现有技术中得到大量应用。

但是，在现有的采用径流模拟方法对山脊线的提取过程中，缺乏明确的阈值选择说明，在此过程中阈值的不确定性使得提取的山脊线的可比性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，以解决现有技术中因缺乏明确的阈值选择说明而导致提取的山脊线可比性差的问题，实现改善提取山脊线的可比性，提高山脊线提取精准度的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，包括以下步骤：

步骤S1、基于DEM数据计算正地形，确定最大正地形分析窗口；

步骤S2、基于不同邻域下的正地形分布图，计算正地形隶属度；

步骤S3、根据最大正地形分析窗口和正地形隶属度，提取正地形轮廓；

步骤S4、在正地形轮廓的基础上，通过形态学分析得到模拟山脊线，并计算其长度；

步骤S5、根据模拟山脊线确定最佳汇流阈值；

步骤S6、基于所述最佳汇流阈值，通过径流模拟法提取山脊线。

针对现有技术中提取山脊线可比性差的问题，本发明提出一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，本方法以DEM数据（数字高程模型数据）为基础，首先进行正地形计算；本领域技术人员应当理解，本申请中的正地形是指一定范围内相对高出的部分。本申请在正地形计算完成后，确定最大正地形分析窗口，本案发明人在大量研究过程中发现，对于正地形分析过程中，局部邻域的大小对是否为正地形起到至关重要的作用，若分析窗口大小选取不合适，则会导致后续正地形轮廓提取的较大误差，严重制约了山脊线提取的准确性。为此本申请首先提出了确定正地形最大分析窗口的思路，以此实现明确领域分析范围、划分地貌层次的效果。之后，本申请进行正地形隶属度计算，并将计算结果与最大正地形分析窗口结合，提取出正地形轮廓，然后在正地形轮廓的基础上，通过现有的形态学分析技术得到模拟山脊线，并计算其长度，最后根据模拟山脊线确定最佳汇流阈值，并以最佳汇流阈值为基准，通过已较为成熟的径流模拟法提取出山脊线。

可以看出，本方法以DEM数据作为输入数据，利用正地形隶属度和形态学分析提取模拟山脊线，通过模拟山脊线长度约束的形式确定径流模拟方法的汇流阈值，最终得到山脊线，本方法克服了传统方法阈值的不确定性使得提取的地形结构线的可比性差的问题，解决了传统径流模拟方法提取山脊线时汇流阈值确定困难的问题，可为数字地形领域内的特征要素提取、地形制图等提供参考，对地形分析技术提供了不同的发展思路与方向。

进一步的，基于DEM数据计算正地形的方法包括：计算栅格中每个像元的宏观陂形因子P，若P＞0，则为正地形像元；

式中：H _i,j 为窗口中心栅格的高程值，

是窗口中有效栅格的高程值之和，n是窗口中有效栅格的个数。

本领域技术人员应当理解，DEM数据包括若干栅格，每个栅格中均有若干像元，本分方案以像元为单位进行正地形计算。

进一步的，确定最大正地形分析窗口的方法包括：

步骤S101、定义k _i 为正地形提取窗口的大小，初始化k _i= k ₀ ；

步骤S102、以k _i 为窗口大小，获取正地形栅格；

步骤S103、令k=k _i ，判断正地形面积是否达到稳定：

若是，以当前k为最大正地形分析窗口；

若否，令k _i =k+2，回到步骤S102。

步骤S103中，若满足下式，则认为正地形面积达到稳定：

式中：A _k 为k×k分析窗口下的正地形面积之和，A为实验区的面积，A _k+1为(k+1)×(k+1)分析窗口下的正地形面积之和。

本方案提出的最大正地形分析窗口的确定方法，是基于DEM的多重邻域分析入手，可确定正地形的面积随不同邻域大小分析窗口变化的规律，在邻域分析的基础上，采用上述不等式为正地形达到稳定的判据，则可认为在这一地貌层次下的邻域分析范围可取为，即k为正地形最大分析窗口、邻域分析范围最大不超过k×k，从而达到明确邻域分析范围、划分地貌层次的目的。

进一步的，正地形隶属度通过如下公式计算：

式中：λ为正地形隶属度；H(i,j) _k 为邻域为时窗口中心栅格对应的的高程值：如果在邻域k时为正地形，则赋值为1，否则为0；min、max 分别为对应分析窗口的最小边长、最大边长。

进一步的，确定最佳汇流阈值的方法包括：

步骤S501、提取不同汇流阈值下的流域边界线；

步骤S502、根据所有的流域边界线得到不同的潜在山脊线；

步骤S503、使用所述模拟山脊线对潜在山脊线的汇流阈值进行约束，得到最佳汇流阈值。

其中流域边界线的提取可通过现有的径流模拟法得到，在此不做赘述。

进一步的，得到不同的潜在山脊线的方法包括：对不同汇流阈值得到的流域边界线做正地形过滤；即仅保留其中正地形，剔除干扰。

进一步的，步骤S503中进行约束时，采用的约束条件为：L=f(T)；其中L为模拟山脊线的长度，f(T)为潜在山脊线的长度。

本方案通过模拟山脊线长度对汇流阈值进行约束，可实现最佳汇流阈值的获取。

进一步的，所述通过径流模拟法提取山脊线的方法包括：采用所述最佳汇流阈值提取流域边界线，并通过正地形过滤的方式去除平台坡脚，得到对应于相应正地形的山脊线。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，以DEM数据作为输入数据，利用正地形隶属度和形态学分析提取模拟山脊线，通过模拟山脊线长度约束的形式确定径流模拟方法的汇流阈值，最终得到山脊线。

2、本发明一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，克服了传统方法阈值的不确定性使得提取的地形结构线的可比性差的问题，解决了传统径流模拟方法提取山脊线时汇流阈值确定困难的问题，可为数字地形领域内的特征要素提取、地形制图等提供参考，对地形分析技术提供了不同的发展思路与方向。

3、本发明一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，创造性地引入多重邻域的思想，通过多重邻域分析，确定正地形的面积随不同邻域分析窗口大小变化的规律，进而确定最大正地形分析窗口，为保证山脊线提取的准确性做出突出贡献。

4、本发明一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，通过形态学细化运算对正地形轮廓进行细化，得到模拟山脊线及其长度，进而通过模拟山脊线长度对汇流阈值进行约束，实现了最佳汇流阈值的获取，填补了现有技术的空白。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的流程示意图；

图2为本发明具体实施例的研究区的DEM示意图；

图3为本发明具体实施例的研究区一体化地形特征点簇和山脊线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，如图1所示，包括：

步骤S1、基于DEM数据计算正地形，确定最大正地形分析窗口；

步骤S2、基于不同邻域下的正地形分布图，计算正地形隶属度；

步骤S3、根据最大正地形分析窗口和正地形隶属度，提取正地形轮廓；

步骤S4、在正地形轮廓的基础上，通过形态学分析得到模拟山脊线，并计算其长度；

步骤S5、根据模拟山脊线确定最佳汇流阈值；

步骤S6、基于所述最佳汇流阈值，通过径流模拟法提取山脊线。

优选的，本实施例中确定最大正地形分析窗口的方法包括：

定义k _i 为正地形提取窗口的大小，初始化k _i= k ₀ ；

以k _i 为窗口大小，获取正地形栅格；

令k=k _i ，判断正地形面积是否达到稳定：

若是，以当前k为最大正地形分析窗口；

若否，令k _i =k+2，回到步骤S102。

其中判据为，若满足下式，则认为正地形面积达到稳定：

式中：A _k 为k×k分析窗口下的正地形面积之和，A为实验区的面积，A _k+1为(k+1)×(k+1)分析窗口下的正地形面积之和。

优选的，本实施例确定最佳汇流阈值的方法包括：

提取不同汇流阈值下的流域边界线；

根据所有的流域边界线得到不同的潜在山脊线；

使用所述模拟山脊线对潜在山脊线的汇流阈值进行约束，得到最佳汇流阈值；其中采用的约束条件为：L=f(T)；其中L为模拟山脊线的长度，f(T)为潜在山脊线的长度。

实施例2：

一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，主要流程包括：

（1）正地形计算。

正地形是一定范围内相对高出的部分，可通过宏观陂形因子P加以区

分。当P＞0时为正地形，其计算公式如下：

其中H _i,j 为窗口中心栅格的高程值，

是窗口中有效栅格的高程值之和，n是窗口中有效栅格的个数。

（2）最大正地形分析窗口确定。

在正地形分析过程中，局部邻域的大小对是否为正地形起到至关重要的作用。本实施例基于DEM的多重邻域分析入手，确定正地形的面积随不同邻域大小分析窗口变化的规律，在邻域分析的基础上，定义参数：

其中A _k 为k×k分析窗口下的正地形面积之和，A为该实验区的面积（单位km²），规定满足上式为正地形达到稳定的判据，则可认为在这一地貌层次下的邻域分析范围可取为3×3, 5×5, k×k, k为正地形最大分析窗口，从而达到明确邻域分析范围、划分地貌层次的目的。

（3）正地形隶属度计算。

基于上述多重邻域窗口分析，可得到不同邻域下的正地形分布图。在此基础上，本实施例的正地形隶属度为：

式中，H(i,j) _k 为邻域为k时窗口中心栅格对应的的高程值，如果在邻域k时为正地形，则赋值H(i,j) _k 为1，否则H(i,j) _k 为0；min、max 分别为对应于分析窗口的最小边长、最大边长。

（4）正地形轮廓提取。

对正地形隶属度栅格，根据相应隶属度要求，计算对应的正地形轮廓。

（5）模拟山脊线提取。

在正地形轮廓的基础上，通过形态学细化运算得到模拟山脊线，并计算其长度L。

（6）最佳汇流阈值确定。

基于径流模拟的方法，提取不同汇流阈值下的流域边界线，对每个汇流阈值T得到的流域边界线做正地形过滤，得到不同的潜在山脊线，并分别计算其长度f(T)。使用形态分析提取的模拟山脊线L对径流模拟方法提取潜在山脊线的汇流阈值T进行约束，令L=f(T)即得到最佳汇流阈值T’。

（7）基于径流模拟的山脊线提取。

以上文获取到的T’为汇流阈值，提取流域边界线并通过正地形过滤的方式去除平台坡脚，便得到了对应于相应正地形的山脊线。

可以看出，本实施例在最大正地形分析窗口确定邻域，引入多重邻域的思想，通过多重邻域分析，确定正地形的面积随不同邻域分析窗口大小变化的规律，进而确定最大正地形分析窗口。

本实施例通过形态学细化运算对正地形轮廓进行细化，得到模拟山脊线及其长度，进而通过模拟山脊线长度对汇流阈值进行约束，实现了最佳汇流阈值的获取。

本实施例为解决传统径流模拟方法提取山脊线时汇流阈值确定困难的问题，提出了基于正地形约束，利用正地形隶属度和形态学分析提取模拟山脊线，通过模拟山脊线长度约束的形式确定径流模拟方法的汇流阈值，最终得到山脊线，克服了传统方法阈值的不确定性使得提取的地形结构线的可比性差的问题。

在一个或多个更为优选的实施方式中，前述“通过形态学细化运算得到模拟山脊线”的方法为：调用Esri ArcGIS软件中的Thin工具，以得到的正地形轮廓作为输入数据，该工具的输出结果即为所需的模拟山脊线。

实施例3：

为了验证本申请方法的准确性，本实施例以实施例2中所记载的提取方法为基础，在如图2所示的6个典型样区进行了实验。

图2所示的研究区为位于中国西北内陆腹地的陕西省(105°29′E～111°15′E，31°42′N～39°35′N)，土地面积20.57万km2。陕西省地势的总特点是南北高，中部低。同时，地势由西向东倾斜的特点也很明显。北山和秦岭把陕西分为三大自然区域：北部是陕北高原，包括风沙地貌、黄土高原(含塬、梁、峁、丘陵沟壑等)地貌，降水稀少且分布不均，属生态脆弱区，干旱频次高、土壤侵蚀严重；中部是关中平原，地势西高东低，南北高中部低，是省内城市集聚区，人类活动强烈；南部是秦巴山地，具有“两山夹一川”的地貌结构，存在严重的滑坡、山洪等地质灾害。多样的地貌分异引致的自然灾害与人类扰动的空间异质性，为地形点簇及其地貌分异研究提供了案例基础。

在实验样区的选择上，考虑到实验样区的代表性、地貌类型的丰富性和现有研究基础等多种因素，本实施例如图2所示，选取汉阴、米脂、宁陕、延川、镇安以及镇巴6个县为典型样区。该6个样区在一定程度上可代表黄土地貌演变的不同时期, 涵盖了陕西省的主要地貌类型, 样区概况如表1所示。

表

实验样区概况

本实施例中的数字高程模型数据（DEM）为SRTM DEM，数据来源为美国国家航空航天局 (NASA) 和美国国家测绘局联合测量了航天飞机雷达地形任务 (SRTM) 数字高程模型 (DEM)，该模型覆盖了几乎 80% 的陆地表面积（从 60 °N 至 60°S）。本实施例使用从美国地质调查局（USGS）下载的SRTM1 V3，数据空间分辨率为1弧秒（在赤道附近约为30m），采用WGS84坐标系和EGM96高程基准，标称平面精度±20米，高程精度±16米，研究区及对应的DEM见图2所示。

本实施例使用如实施例2所记载的方法对6个样区进行实验，所提一体化地形特征点簇和山脊线如图3所示。图3中的（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）分别对应表示汉阴县、米脂县、宁陕县、延川县、镇安县、镇巴县六个典型样区的实验结果。

从图3中可以看出，山顶点多位于坡顶，鞍部点多位于两山顶之间的局部地形最低处，径流节点则多位于沟谷之中，各特征点簇要素位置与地貌学认知基本吻合。同时，各特征点簇不仅内部耦合关系良好，与所提山脊线数据也具有良好的对应关系。

综上，通过本申请的提取方法所提的地形特征点簇符合地貌学传统认知，在精确提取的同时保证了各要素之间的耦合关系，为地形分析和地貌制图做出了突出进步，具有显著进步。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、基于DEM数据计算正地形，确定最大正地形分析窗口；

步骤S2、基于不同邻域下的正地形分布图，计算正地形隶属度；

步骤S3、根据最大正地形分析窗口和正地形隶属度，提取正地形轮廓；

步骤S4、在正地形轮廓的基础上，通过形态学分析得到模拟山脊线，并计算其长度；

步骤S5、根据模拟山脊线确定最佳汇流阈值；

步骤S6、基于所述最佳汇流阈值，通过径流模拟法提取山脊线；

其中，确定最大正地形分析窗口的方法包括：

步骤S101、定义k _i 为正地形提取窗口的大小，初始化k _i =k ₀ ；

步骤S102、以k _i 为窗口大小，获取正地形栅格；

步骤S103、令k=k _i ，判断正地形面积是否达到稳定：

若是，以当前k为最大正地形分析窗口；

若否，令k _i =k+2，回到步骤S102；

步骤S103中，若满足下式，则认为正地形面积达到稳定：

式中：A _k 为k×k分析窗口下的正地形面积之和，A为实验区的面积，A _k+1为(k+1)×(k+1)分析窗口下的正地形面积之和；

正地形隶属度通过如下公式计算：

式中：λ为正地形隶属度；H(i,j) _k 为邻域为k时窗口中心栅格对应的高程值：如果在邻域时为正地形，则赋值为1，否则为0；min, max分别为对应分析窗口的最小边长和最大边长；

其中，确定最佳汇流阈值的方法包括：

步骤S501、提取不同汇流阈值下的流域边界线；

步骤S502、根据所有的流域边界线得到不同的潜在山脊线；

步骤S503、使用所述模拟山脊线对潜在山脊线的汇流阈值进行约束，得到最佳汇流阈值。

2.根据权利要求1所述的一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，其特征在于，基于DEM数据计算正地形的方法包括：计算栅格中每个像元的宏观陂形因子P，若P＞0，则为正地形像元；

式中：H _i,j 为窗口中心栅格的高程值，

是窗口中有效栅格的高程值之和，n是窗口中有效栅格的个数。

3.根据权利要求1所述的一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，其特征在于，得到不同的潜在山脊线的方法包括：对不同汇流阈值得到的流域边界线做正地形过滤。

4.根据权利要求1所述的一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，其特征在于，步骤S503中进行约束时，采用的约束条件为：L=f(T)；其中L为模拟山脊线的长度，f(T)为潜在山脊线的长度。

5.根据权利要求1所述的一种结合形态特征和径流模拟的山脊线提取方法，其特征在于，所述通过径流模拟法提取山脊线的方法包括：采用所述最佳汇流阈值提取流域边界线，并通过正地形过滤的方式去除平台坡脚，得到对应于相应正地形的山脊线。

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