第八章--特征地形要素的提取

第八章特征地形要素的提取刘爱利[e-mail]提纲•一、地形形态特征提取的内容及原理•二、地形特征点的提取•三、山脊线、山谷线的提取•四、沟沿线的提取•五、水系的提取•六、流域的提取•七、可视性分析一、地形形态特征提取内容及原理•地形形态特征提取的主要内容•1、解析法–基于地形形态的几何分析法（解析法）–设在坐标系0-xyH中，地形曲面H=f(x,y)为一光滑连续曲面，当任意地形点P为山脊点或山谷点时，该点必为f(x,y)的一个局部极值点。地形特征点的识别可转化为地形曲面局部极值点的识别。地形形态特征提取的原理•2、模拟法–基于地表物质运动的水流模拟方法。–基本思想：在自然表面上，水流沿最陡方向向下流，并不断地向下游汇聚。地形形态特征提取的原理二、地形特征点的提取•1、类型：–山顶点（Peak）–凹陷点（洼地点，Pit）–脊点（Ridge）–谷点（Channel）–鞍点（Pass）–平地点（坡面点，Plane）•2、判断方法：（1）利用x、y方向的凹凸性判断•2、判断方法：（2）利用中心点与邻域点的高程关系判断；若均不成立，则；）同时成立，则））或）若则）当则）当）若（则）当则）当）若（0),(2),(3241;1),(,4;1),(,30))((2;1),(,2;1),(,10))((1,,1,,1,,1,,1,1,,1,,1,,1,jiVRjiVRjiVRZZjiVRZZZZZZjiVRZZjiVRZZZZZZjijijijijijijijijijijijijijijiji，表示其它点，表示鞍点表示脊点表示谷点021,1,-),(jiVRi1i1ij1j1j123478965三、山脊线、山谷线的提取•1、基于图像处理技术原理的算法–移动窗口算法1（Pecuker和Douglas，1975）设计一2×2窗口对DEM进行扫描•第一次扫描，将窗口中具有最低高程值的点进行标记，自始至终未被标记点即为山脊线上的点；•第二次扫描，将窗口中具有最高高程值的点进行标记，自始至终未被标记点即为山谷线上的点。缺点：•提取特征点时必须排除DEM中噪声的影响•将特征点连接成线时的算法设计较困难)1,1(),()1,1(),()1,1(),()1,1(),(),1(),(),1(),()1,(),()1,(),(kjkiHkjkiHkjkiHkjkiHkjkiHkjkiHkjkiHkjkiHjkiHjkiHjkiHjkiHkjiHkjiHkjiHkjiH三、山脊线、山谷线的提取•1、基于图像处理技术原理的算法–移动窗口算法2（陈永良等，2001）设当前格网单元为（i,j），以该单元为中心，建立一个(2m+1)×(2m+1)(m=1,2,…,5)的局部窗口。如果在局部窗口中，当前格网单元的高程值满足如下条件之一者，则可能为山脊点，其中1≦k≦m：)1,1(),()1,1(),()1,1(),()1,1(),(),1(),(),1(),()1,(),()1,(),(kjkiHkjkiHkjkiHkjkiHkjkiHkjkiHkjkiHkjkiHjkiHjkiHjkiHjkiHkjiHkjiHkjiHkjiH四、山脊线、山谷线的提取•1、基于图像处理技术原理的算法–移动窗口算法2（陈永良等，2001）如果在局部窗口中，当前格网单元的高程值满足如下条件之一者，则可能为山谷点，其中1≦k≦m：如果当前格网单元为鞍部点，该点高程同时满足上述两组公式中的任意一个。(,)(,1)(,)(,1)(,)(1,)(,)(1,)(,)(1,1)(,)(1,1)(,)(1,1)(,)(1,1)HijkHijkHijkHijkHikjHikjHikjHikjHikjkHikjkHikjkHikjkHikjkHikjkHikjkHikjk(,)(,1)(,)(,1)(,)(1,)(,)(1,)(,)(1,1)(,)(1,1)(,)(1,1)(,)(1,1)HijkHijkHijkHijkHikjHikjHikjHikjHikjkHikjkHikjkHikjkHikjkHikjkHikjkHikjk•2、基于地形表面几何形态分析原理的算法•断面极值法基本思想：地形断面曲线上的高程极大值点即分水点，而高程极小值点即汇水点。按纵、横两个方向内插曲面的纵、横剖面线，逐剖面线计算极大值点和极小值点，即得到潜在的地形特征点。缺陷：未顾及每条地形特征线自身的变化规律，在全区域采用相同的阈值，因而造成地形结构线的漏判和误判。所确定地形特征线具有一定近似性，与实际地形特征线存在差异。•3、基于地形表面流水物理模拟分析原理的算法方法：汇水量——汇水线（山谷线）——分水线（山脊线）缺陷：汇水线误判：高处汇水量少的点被排除；低处汇水量大的点被误认为是地形特征点。分水线闭合与实际不符•4、平面曲率与坡位组合法四、沟沿线的提取四、沟沿线的提取提取沟沿线五、水系的提取•1、相关概念–河流stream–水系streamnetworks–水流网络：水流到达集水出口所流经的网络结构。五、水系的提取•2、基于地表径流漫流模型的水系提取算法洼地处理平地处理水道起始位置的确定水流方向及水流累积量的确定五、水系的提取•2、基于地表径流漫流模型的水系提取算法（1）洼地处理1）处理方法：平滑处理填平处理2）洼地识别：根据水流方向确定凹陷型洼地、阻挡型洼地（Garbrecht）单格网洼地、独立洼地、复合洼地（李志林）凹陷型洼地的填充阻挡型洼地的填充垫高降低洼地：区域地形的积水区域，洼地底点的高程通常小于其相邻点高程（李志林，1999）。3）洼地填平方法•单格网洼地–指DEM中的某一点的八邻域点的高程都大于该点的高程，并且该点的八邻域点至少有一个是该洼地的边缘点。–处理方法：直接赋予其邻域格网中的最小高程值或邻域格网高程的平均值。3）洼地填平方法•独立洼地–指洼地区域内只有一个谷底点，且该点的八邻域中没有一个是该洼地区域的边缘点。–处理方法：•以谷底点为起点，按流水的反方向找出独立洼地区域的边界线。•在边界线找出其高程最小的点•将独立洼地区域内的高程值低于该点高程值的所有点的高程用该点的高程代替。3）洼地填平方法•复合洼地–洼地区域中有多个谷底点，并且各谷底点所构成的洼地区域相互邻接。–处理方法：以各个谷底点为起点，按水流反方向找出各个谷底点所在洼地的边缘、洼地相互关联关系，各洼地集水出水口位置对于出水口位于与非洼地区域关联边上的洼地区域，找出出水口高程最小（h1）的洼地（1），并将（1）区域内高程低于h1的点用h1代替。若与洼地（1）相邻的洼地区域（2）的集水出口，位于洼地（1）、（2）的相邻边缘，且其高程h2小于h1时，令h2=h1。其他洼地依次处理（2）平地处理•处理方法：–Martz和Garbrecht（1992）高程增量叠加算法–增加栅格高程采样精度的十分之一、千分之一或万分之一。（3）水流方向•指水流离开此网格时的指向。（3）水流方向•水流方向矩阵的计算D8算法1）将格网的八个邻域格网编码2）对未赋方向值的格网，计算中心栅格与邻域格网之间的距离权落差。若最大落差值0，则赋以负值，表示方向未定。若最大落差值0或=0，且最大值只有一个，则作为中心格网方向值。若最大落差值0，且有一个以上最大值，则在逻辑上以查表方式确定水流方向。若最大落差=0，且有一个以上0值，则0值所对应方向值相加。dhPi（3）水流方向•多流向法Quinn等（1991）：按坡度和流向宽度关系分配流量。Li：对角线方向格网间距；其他方向1/2倍格网间距Freeman（1991）坡度指数的流量分配公式：niiiiiiLLF1tantan4/2nipipiiF1)(tan)(tan（4）水流累积量矩阵计算（5）水道起始位置的确定•O’Callaghan和Mark（1984）最小水道给养面积阈值（形成永久性水道所必需的集水面积）前提：相对均一的下垫面。六、流域的提取•1、相关概念流域watershed（或集水流域、流域盆地、集水盆地）：分水线所包围的区域称为一条河流或水系的流域。或水流及其他物质流向出口的过程中所流经的区域。子流域（sub-watershed）：指较大的集水流域结构中的一部分。将一个流域划分成子流域的过程称为流域分割（watershedpartition）。分水岭（分水线）：两个相邻集水区之间的最高点连接成的不规则曲线。流域出水口（集水出口outlet）：水流离开集水流域的点。六、流域的提取流域沟谷级别是对一个线性的河流网络进行分级别的数字标识，是流域网络、流域地形自动分割的基础。四、水系的提取流域描述参数1）流域整体参数流域面积：流域分水线所包围的区域面积。反映了作用于它们的动力特征的差别，较大的侵蚀作用，一般具有较大规模的侵蚀沟形态，较小的侵蚀作用，只能产生较小的侵蚀沟。河流水量的大小直接和流域面积大小有关，除干燥地区以外，一般是流域面积越大，河流水量越大。流域长度：主河道从流域出口到分水线的距离。是水流时间计算的主要参数之一。流域形状：圆度率或延长率流域描述参数流域形状：圆度率或延长率•一般来讲，低级流域的形状比高级流域的要圆一些。外围边界的锯齿形也越轻微。•圆形或卵形流域，降水最容易向干流集中，从而引起巨大的洪峰。•狭长形流域，洪水宣泄比较均匀，因而洪峰不集中2）流域局部参数河网密度：流域中干支流总长度/流域面积是地表径流大小的标志之一。圆面积与流域具有同样周长的流域面积圆度率的最大长度平行于主水道线的流域圆的直径与流域具有同样面积的延长率•2、水流网络计算流域边界生成沟谷点识别沟谷段编码（1）流域边界生成•从给定的流域出口点（若没有给定，则确定为DEM的最低点）出发，扫描整个水流方向矩阵，如果格网点的水流流向出口点，则再标注之，经过第一次循环，可找出流向出口的所有格网；•从已标注的格网点出发，再次扫描水流方向矩阵，标注出流向已标注的格网，如此循环直到没有流入标注的格网为止。（2）沟谷点识别在所标识的流域范围内，确定位于沟谷线的格网点。阈值大小的确定（是确定沟谷点和非沟谷点的界限）沟谷点的确定沟谷源点的确定（即外部汇流源点）特征：该点为沟谷点且没有其他标识为沟谷点的水流向该格网。流域边界生成沟谷点识别沟谷段编码•2、水流网络计算（3）沟谷段编码即给各个沟谷段分配一个级别码。从沟谷源点出发，按水流方向向下游追踪，每前进一步检查当前格网是否还有其他沟谷向该格网流入，如没有，该格网编码为1，继续按水流方向前进，直到某一格网还有其他格网的水流入停止，该段沟谷段即为1级沟谷（外部沟谷段），停止的格网（多个沟谷交汇处）赋予2。检查完所有的汇流源点，外部汇流段的编码即告完成。六、流域的提取•3、流域地形分割算法设计水流网络结点编号格网单元分配（1）水流网络结点编号给水流网络中的每个结点一个唯一的识别符，一般采用自然数顺序。流域节点：包括沟谷源点、汇合点。•原理：从流域出口点出发，按照逆流方向左侧优先的顺序逆流追踪，在沟谷源点改变追踪方向，直到遇到没有进行编码的汇合点位置。重复直至回到出口点。•4、流域地形分割算法设计（2）格网单元分配以沟谷段为依据，把流向该沟谷段的所有上游格网标识出来，实现子流域划分。1）外部汇流区确定从外部汇流源点出发，逐个扫描水流方向矩阵若有格网单元流入当前单元，则标识为外部汇流区重复以上步骤2