山脊线和山谷线自动提取的一种新方法VIP免费

第31卷第1期2006年1月测绘科学ScienceofSurveyingandMappingVol131No11Jan收稿日期:2005O01O11基金项目:国家自然科学基金资助项目(40472131)山脊线和山谷线自动提取的一种新方法张渭军①②,孔金玲①,王文科②,翁晓鹏②(①长安大学地球科学与国土资源学院,西安710054;②长安大学环境科学与工程学院,西安710054)【摘要】针对当前山脊线和山谷线的提取都是从其几何特征或物理特征的单一方面进行研究和设计,不能够利用隐含在数字化资料中的山脊线和山谷线的有效信息的弊端;本文利用几何分析方法DouglasOPeuker提取山脊线和山谷线的特征点,并结合提取区域内地形概略的分水线和汇水线,用概略的分水线和汇水线对特征点进行识别、归类、顺序提取各条山脊线和山谷线,把山脊线的几何特性与物理特性结合起来,克服了各自的弊端。实践表明提取的山脊线和山谷线与实际基本符合。【关键词】DouglasOPeuker;山脊线;山谷线;数字化;特征点【中图分类号】P282【文献标识码】A【文章编号】1009O2307(2006)01O0033O021引言山脊线和山谷线不仅构成了地形起伏变化的分界线,而且由于山脊线具有分水性,山谷线具有合水性[1],因此它们在水文地质工程应用方面有着特殊的意义。通过等高线图来自动提取山脊线和山谷线是地理信息系统、水文地质学中一个重要的问题。目前对于山脊线和山谷线的提取都是从其几何特征或物理特征的单一方面进行研究和设计[2],该方法不能够准确地提取隐含在数字化资料中的山脊线和山谷线的有效信息,本文将几何特征和物理特征结合起来并用于算法设计,通过数据挖掘以最大限度地发现隐含的、先前不知道的、潜在山脊线和山谷线中有用的信息,并提取较精确的山脊线和山谷线信息。先用DouglasOPeuker方法从数字化等高线数据中提取山脊线和山谷线的特征点;再用本文的方法提取区域内地形概略的分水线和汇水线;最后用概略分水线和汇水线对已得到的山脊线和山谷线特征点进行识别、归类、顺序提取各条山脊线和山谷线。2山脊线山谷线提取算法概述已有的山脊线和山谷线提取从其设计原理上可分为两类:基于地形表面几何形态分析的算法和基于地形表面流水分析的算法。前者以等高线曲率最大判别法为代表,后者代表算法有三维地形表面流水数字模拟法[3]。等高线曲率最大判别法是先从已有的数据资料中提取一些山脊线和山谷线的候选点,然后再根据一定的规则对已得到的候选点进行筛选、排序得到所需的山脊线和山谷线,由于地形噪音的存在以及在判定山脊线和山谷线候选点时采用同一阈值,因而不能顾及区域地形变化的特殊规律,再一个当阈值选取过大时,会遗漏山脊线和山谷线上的一些点,反之会增加一些不必要的点,对后续的识别和归类带来极大的困难。三维地形表面流水数字模拟法是以山脊线和山谷线的物理特性为依据,通过分析和模拟地形表面的流水状况以得到分水线和合水线,该算法存在原理性问题,即分水线与合水线与山脊线和山谷线之间的差异对山脊线和山谷线的影响。这些都影响所得到山脊线和山谷线的质量。针对上述缺点,本文的算法设计先用DouglasOPeuker方法从数字化等高线数据中提取山脊线和山谷线的特征点;再用本文的方法提取区域内地形概略的分水线和汇水线;最后用概略分水线和汇水线对已得到的山脊线和山谷线特征点进行识别、归类、顺序提取各条山脊线和山谷线。3山脊线和山谷线特征点的提取理论上讲特征点的提取在DEM上十分简单[4]、方便,它们都是在数字化时就已输入的特征点,但怎样才能被计算机识别,因为山脊线和山谷线上的点在等高线上的特征为其局部曲率最大点,亦为等高线弯曲变化的特征点。目前在进行曲线综合时常用的方法有:步行法、分形法以及DouglasOPeuker综合曲线[3]。步行法不能保持曲线弯曲的特征,它是按事先确定的步长在曲线上获取一系列点,并把这些点按顺序放在数组中,依次连接这些点,由于步长的取值不可能恰好在弯曲的特征点上,如果步长太大一些特征点会丢失,有可能把凹凸互换,是原来本来凹下去的曲线向上凸起,但若步长太小,加大了内存开销,并且也达不到综合曲线的目的。分形方法它应用于刻画图形的某些特征而不是全部本质特征,它的基本出发点是认为形态具有某种意义的局部与整体的自相似性,并不...