Task5地形特征信息提取(山脊线、山谷线提取)
Task5:地形特征信息提取（山脊线、山谷线提取）
（1）背景
地形特征要素，主要是指对地形对地表的空间分布特征具有控制作用的点、线或面状要素。特征地形要素构成地表地形与起伏变化的基本框架。特征地形要素的提取更多地应用较为复杂的技术方法，如山谷线、山脊线等的提取采用了全局分析法，成为栅格数据地学分析中很具特色的数据处理内容。
自动提取山脊线和山谷线的主要方法都是基于规则格网DEM数据的，算法有多种，其中，平面曲率与坡形组合法方法简便，效果好。该方法基本处理过程为：首先利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上平面曲率的大值为山谷。实际应用中，由于平面曲率的提取比较繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。因此，提取过程中可以SOA代替平面曲率。
（2）目的
通过本实例，使学生掌握山脊线和山谷线这两个基本地形特征信息的理论及其基于DEM的提取方法与原理。同时，熟练掌握利用ArcGIS软件对这两个地形特征信息的提取方法。
（3）数据
某区域栅格DEM。
（4）要求
利用所给区域DEM数据，提取该区域山脊线、山谷线栅格数据层。
（5）补充资料
1、坡度变率：地面坡度变率，是地面坡度在微分空间的变化率，是依据坡度的求算原理，在所提取的坡度值的基础上对地面每一点再求算一次坡度，即坡度之坡度（Slope of Slope，SOS）。坡度是地面高程的变化率的求解，因此，坡度变率表征了地表面高程相对于水平面变化的二阶导数。
2、反地形DEM数据：求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H，通过公式（H-DEM），得到与原来地形相反的DEM数据层，即反地形DEM数据。
3、地面坡向变率：是指在提取坡向基础上，提取坡向的变化率，亦即坡向之坡度（Slope of Aspect，SOA）。它可以很好地反应等高线弯曲程度。
地面坡向变率在所提取的地表坡向矩阵的基础上沿袭坡度的求算原理，提取地表局部微小范围内坡向的最大变化情况。需要注意：SOA在提取过程中在北面坡将会有误差产生。北面坡坡向值范围为0~90度和270~360度，在正北方向附近，如15度和345度两个坡向之间坡向差值只是30度，而计算结果确是330度。所以要将北坡坡向的坡向变率误差进行纠正，其公式为：
SOA=(( [SOA1]+[ SOA2] )-Abs( [SOA1]-[ SOA2] ))/2
其中：SOA1为原始DEM数据层坡向变率，SOA2为反地形DEM数据层坡向变率。
原始dem
1.相对路径
2.加载数据
3.提取原始dem的坡向（利用dem数据--空间分析--表面分析--坡度工具，命名为Aspect）
4.提取原始DEM数据的坡向变率
（利用3中生成的Aspect图层--空间分析--表面分析--坡度工具，命名为SOA1）
5.提取反地形DEM数据（栅格计算器--输入公式H-DEM）
1）找出DEM最大高程值（右键属性---找出数据源中最大值为1153.791870117188）
2）栅格计算器提取反地形DEM数据（输入公式1153.791870117188 - "dem"，命名为INdem）
6.提取反地形DEM数据的坡向值
7.计算反地形DEM数据的坡向变率
8.计算进行误差纠正的地面坡向变率（栅格计算器--输入公式(("SOA1" + "SOA2") -
Abs("SOA1" - "SOA2")) / 2）
9.邻域分析（原始dem--邻域分析--焦点统计focal statistics（统计原始dem的平均值）---设置统计类型为平均值mean，邻域类型为矩形(也可为圆形)，邻域大小为3*3（我发现邻域
越大越模糊）(11*11)，则可得到一个邻域为3*3(11*11)的矩形的平均数据层，命名为mean
10.计算正负地形分布区域（空间分析--地图代数--栅格计算器---输入公式为"dem" - "mean"，命名为Dvalue(差值)）
11.利用栅格计算器提取山脊线（公式为"SOA" > 70 & "Dvalue" > 0这是错的！！要加括号！！("SOA" > 70) &( "Dvalue" > 0)）和山谷线（("SOA" > 70) & ("Dvalue" < 0)）
12.利用ArcScan自动矢量化得到山脊线山谷线的矢量图层
1）在ArcCatalog中新建（方法有两种：右击文件夹--new--shapefile！或者是右击geodatabase--new--feature class（新建要素类））山脊线图层（名称为shanjiline，类型为线）
方法1：new--shapefile
方法2：new--feature class（但是这种方法下的线图层，在自动矢量化山脊线后无法读到这个图层，所有还是选择方法1---这是因为栅格图层和矢量图层不能放在同一个geodatabase里面么？？？？？？？）
2）打开开始编辑
3）勾选扩展工具中的自动矢量化工具ArcScan
4)在菜单栏空白处右击勾选ArcScan，打开ArcScan工具条--单击自动矢量化下的生成要素打开生成要素对话框即可生成自动矢量化后的矢量山脊线
ArcGIS方法利用到路面提取道路中心线的方法
A r c G I S方法-利用到路面提取道路中心线的方法利用到路面提取道路中心线的方法在利用GIS制图时，需要经常跟数据打交道。很多初级的制图人员都存在一种惯性思路，以为数据精度越高，出图的效果就越好。这是错误的观点。假如现在需要制作1:1w的地图，但手头上却只有1:500的地形图，数据精度虽然很高，但却无法在小比例尺下显示出来。回到主题上，1:500的数据，大多数道路都是以面状显示。由于其精度高，有些数据甚至是不带线道路图层的，而在1w的地图下，道路以线状表达才是符合要求的。所以，这就需要涉及到地图制图的一个常规工作—地图缩编。本文主要介绍如何从到路面直接提取出道路中心线，从而辅助小比例尺地图的制作。 由于面状数据一般都是不规则的，所以很难从其提取中心线，一般的GIS软件也没提供直接提取的工具。ArcGIS里面虽然也有一些工具可以辅助一下处理，例如在制图工具箱里面有一个提取中心线的工具，但这个工具的作用是通过道路边线（双线）提取中心线。也有人说ArcGIS里面同样是提供面转线工具，先用工具转一道再提取不就行了吗？可是问题来了，面转线工具传出来的数据是封闭线，而不是道路边线，提取中心线工具依然是不可用，除非在每个路面图形打断两端的封闭，不然无法进行提取，恰好打断工作又是非常的巨大。因此，该方法还是不可用。 为了解决这个问题，那就是ArcScan扩展模块。提到ArcScan扩展，很多专业人员第一时间反应是这只是个栅格矢量化工具，跟当前讨论的中心线提取似乎没有任何关系。只要深入了解ArcScan扩展的具体细节，我们不难发现其自动矢量化里面可以提取面要素和中心线，利用这一特性，我们就可以曲线去完成该任务了。 先来说说总体思路：将路面（矢量面数据）转化为栅格数据，因为ArcScan只能对栅格数据进行处理，由于是从矢量转为栅格而非扫描，栅格质量一般会非常好；通过二值化栅格
山脊线山谷线提取实验报告
山脊线山谷线提取实验报告 实验内容描述： 山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线（骨架线），因此它对于地形地貌研究具有重要意义；另一方面，对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别代表示分水性与汇水性，山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。 本次实验通过某区域栅格DEM掌握山脊线和山谷线这两个基本地形特征信息的理论及其基于DEM的提取方法与原理；同时，熟练掌握利用ArcGIS软件对这两个地形特征信息的提取方法。 实验原理： 1.本实验基于规则格网DEM数据使用平面曲率与坡形组合法提取山脊线和山谷线，首先利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上平面曲率的大值为山谷。实际应用中，由于平面曲率的提取比较繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。因此，提取过程中可以SOA代替平面曲率。 2.主要用到以下理论知识： 1）坡向变率：是指在提取坡向基础上，提取坡向的变化率，亦即坡向之坡度（Slope of Aspect，SOA）。它可以很好地反应等高线弯曲程度； 2）反地形DEM数据：求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H，通过公式（H-DEM），得到与原来地形相反的DEM数据层，即反地形DEM数据； 3）地面坡向变率SOA：地面坡向变率在所提取的地表坡向矩阵的基础上沿袭坡度的求算原理，提取地表局部微小范围内坡向的最大变化情况。但是SOA在提取过程中在北面坡将会有误差产生，所以要将北坡坡向的坡向变率误差进行纠正，其公式为： SOA=(( [SOA1]+[ SOA2] )-Abs( [SOA1]-[ SOA2] ))/2 其中：SOA1为原始DEM数据层坡向变率，SOA2为反地形DEM数据层坡向变率。 4）焦点统计 5）ArcScan自动矢量化 流程图
一种基于脊线跟踪的冠状动脉中心线提取方法
收稿日期:2006-11-26;修订日期:2007-07-06 基金项目:新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET 20420948) 作者简介:高飞(1968-),男,山东昌乐人,副教授,博士,主要研究方向:智能信息处理、图像图形学; 高新波(1972-),男,山东莱芜人,教授,博士,主要研究方向:智能信息处理、图像工程、视频信号处理. 文章编号:1001-9081(2007)S1-0380-02 一种基于脊线跟踪的冠状动脉中心线提取方法 高 飞1 ,高新波 2 (1.深圳大学信息工程学院,广东深圳518060;2.西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安710071)(nels on_gao2010@yahoo .com;nels ongao2010@g mail .com ) 摘 要:冠脉血管中心线的提取是血管造影图像定量分析中的关键步骤。基于脊线跟踪法,提出了一种血管中心线自动提取方法。通过交互式地指定一个起始点和一个终止点,该算法能够自动获取两点间的血管中心线。实验结果表明了该方法的鲁棒性和可重复性。 关键词:中心线提取;定量冠脉分析;脊线跟踪中图分类号:TP391.41 文献标识码:A 0 引言 冠脉血管造影是临床诊断的重要手段。对冠脉血管进行 定量分析具有重要的实际意义。与传统定性诊断方法相比,它克服了医生判断的主观随意性,提供了更为客观准确的诊断依据。血管轮廓线和中心线的自动提取是血管定量分析的前提。在血管造影图像中,血管的提取可以采用基于区域或边缘的图像分割技术。文献[1]中指出血管的剖面灰度分布呈近似高斯型,因此利用二维高斯模板来提取血管,但该方法比较耗时。文献[2]中利用一维旋转高斯模板代替了二维高斯模板,降低了算法的复杂度。不过,从精确分析的角度看,在血管分析中准确提取血管边缘是更好的选择。在现有的许多血管轮廓提取算法中,血管中心线的检测是最为关键和困难的一步。最简单的方法是手工描绘[3],但该方法费时费力且可重复性差,所以逐渐为人机交互的半自动方法所取代。在这些交互式方法中,操作者只需指明待分析血管段的起始点和结束点,就可以自动获得两点间的中心线[4,6]。不过,现有的中心线提取算法大都基于动态规划方法的,搜索时间较长,难以满足临床上实时性的要求。因此急需研究实时性能好的血管中心线提取算法。 既然血管剖面呈近似高斯分布,那么可以将血管的中心线看作脊线。中心线提取问题就转化为脊线的检测。受文献[5]中指纹特征点提取的脊线跟踪法的启发,本文提出了一种基于脊线跟踪的血管中心线提取方法,在实际应用中也取得了比较好的效果。需要指出的是,这里所说的中心线并不是严格的血管的对称轴线,只要求它位于血管内部且与血管走向一致即可,文献[4]中对此有详细说明。 1 血管中心线提取算法 1.1 图像预处理 血管造影图像质量因拍摄条件的不同而参差不齐,一般都有较强的噪声干扰。既然本文方法主要依据的是血管的脊线特征,因此,首先需要降低噪声对脊线特征的破坏。这里采用二维高斯模板来平滑噪声,模板大小一般应大于所选血管段的最大直径。图1显示了滤波的效果:图1(a )是沿血管一个剖面(垂直中心线方向)的灰度分布曲线,可以看到它近似 的反高斯形状;图1(b )是相应位置的梯度强度;图1(c )(d )为对应的平滑处理结果,可以看到,虽然处理后目标与背景的对比度降低了,但目标灰度和梯度的真实结构得到了加强,这有利于后面准确的计算局部脊线方向 。 图1 预处理结果显示 1.2 中心线跟踪 跟踪过程可以分为两步:局部脊线方向计算和中心线上点的更新。局部脊线方向计算方法将在1.3节中详述,这里假设已经得到了这个方向。为了叙述方便,以下将正在处理的点称为当前点。如图2所示,P k -1是当前点,在P k -1处计算 得局部脊线方向为θk -1,由P k -1沿θk -1前进d 个像素到达P ′k ,通过点的更新操作更新到P k ,此时P k 成为当前点。重复以上过程直到停止条件满足。在P ′k 点的更新操作中利用了匹配滤波方法:在P ′k 点得到局部脊线的估计方向θ′k ,以P ′k 为中心,在θ′k +π 2 的方向上获得剖面灰度分布曲线g ′(i )(i =1,…,2l +1)。设f (k )(k =-m ,…,m )为一维高斯 滤波模板,长度为2m +1,满足 ∑k f (k ) =1。通过下式来得到 更新的灰度分布g (i )(i =1,…,2l +1): ∑m v =-m f (v ) g ′ (i +v ),i =m +1,…,2l -m g ′(i ), 其他 (1) 取g (i )的局部极小值点作为更新点P k (如图2所示)。其中,参数l 、m 、d 可以经验地选择,l 应至少大于最大血管直 第27卷2007年6月 计算机应用 Computer App licati ons Vol .27June 2007
山脊线、山谷线和鞍部点的提取知识讲解
山脊线、山谷线和鞍部点的提取
山脊线、山谷线和鞍部点的提取 一．实习背景 山脊线、山谷线是地形特征线，它们对地形、地貌具有一定的控制作用。它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线以及地形特征点等的提取和分析是很有必要的。 相邻两山头之间呈马鞍形的低凹部分称为鞍部，鞍部是两个山脊和两个山谷会合的地方。鞍部点是重要的地形控制点，它和山顶点、山谷点以及山脊线、山谷线等构成的地形特征点线，具有对地形具有很强的控制作用。因此，对这些地形特征点、线的分析研究在数字地形分析中具有很重要的意义。同时，由于鞍部点的特殊地貌形态，使得鞍部点的提取方法较山顶点和山谷的提取更难，目前没有什么有效的方法来提取鞍部点，利用水文分析的方法可以来提取一些鞍部点，但是它还是具有一定局限性。 二．实习目的 （1）熟练掌握基于DEM利用ArcGIS进行提取相关地形特征的方法与原理； （2）深入认识山脊线、山谷线和鞍部点3个基本地形特征；三．实习内容 １.提取ｄｅｍ数据的ＳＯＡ ２基于地形表面的几何形态分析方法提取山脊线山谷线 3.基于DEM水文分析方法提取山脊线山谷线
4.鞍部点的提取 四．实习数据 DEM 五．实习工具 Surface Analyst，model工具 六．实习步骤 1.提取DEM的SOA数据 A．求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H；通过Spatial Analysis 下的栅格计算器 Calculator，公式为（H－DEM），得到与原来地形相反的 DEM数据层，即反地形DEM数据； B．基于反地形 DEM数据求算坡向值； C．利用 SOA 方法求算反地形的坡向变率，记为 SOA2，由原始DEM数据求算出的坡向变率值为 SOA1； D.在 Spatial Analysis下使用栅格计算器 Calculator，公式为 SOA ＝（（[SOA1]+[SOA2]）-Abs（[SOA1]-[SOA2]））/ 2，即可求出没有误差的 DEM 的坡向变率， 2.利用基于地形表面的几何形态分析方法提取山脊线山谷线 （1）山脊线的提取
数字地面模型地形指标和地形特征信息的提取
地理教学实验中心 专业实训实习报告 备注：根据实际要求可加附页。电子文本与此等效。
1.坡度和坡向的提取 1）坡向的提取：打开ArcGis里面的ArcToolbox，在工具箱中选择3D分析—栅格表面—双击坡向—输入栅格dem2-输出栅格aspect2 图1.1.1 图1.1.2 2）坡度的提取：同上打开坡度对话框输入栅格dem2—输出slope2 图1.2.1
图1.2.3 2.坡度变率的提取 1）对生成的坡度再求坡度，打开坡度对话框—输入上一步生成的坡度slpoe2-输出sos2 图2.1.1 图2.1.2
3.坡向变率的提取 1）先求反地形--Spatial Analyst工具—地图代数--栅格计算器—输入公式为2375-dem2输出fan-保存OK。 2）将反地形加载到窗口中求反地形的坡向，命名为aspect2 fan 3）求原地形的坡向的坡度soa1，求反地形坡向的坡度命名为soa2 4）打开栅格计算器—输入公式为soa =soa （soa1+soa2-Abs（soa1-soa2））/2。输出结果为soa即为坡向变率. 4.地形起伏度的提取 1）提取最大值：将dem2加载到ArcMap中，启动ArcToolbox—Spatial Analyst工具—邻域分析—焦点统计-输入dem2-输出max，采用矩形窗口大小为11*11，打开统计类型，选中最大值—OK，生成的新的dem与原始dem最小海拔不同，发生了变化， 图4.1.1 2）最小值：邻域分析—矩形邻域大小为为11*11，选中最小值，点击确定生成最小值 3）地图代数--栅格计算器—最大值dem- 最小值dem—选择存储位置，命名为地形起伏度—OK，地形起伏度提取完成。 5.地面粗糙度的提取 1）求取坡度,启动栅格计算器最小值为1，最大值为2.4739
山谷线、山脊线提取
自动提取山脊线和山谷线 arcmap 自动提取山脊线和山谷线的方法1 平面曲率与坡形组合法 基于规则格网DEM是最主要的自动提取山脊线和山谷线的方法，从算法设计原理上来分，大致可以分为以下五种： 1) 基于图像处理技术的原理； 2) 基于地形表面几何形态分析的原理； 3) 基于地形表面流水物理模拟分析原理； 4) 基于地形表面几何形态分析和流水物理模拟分析相结合的原理； 5) 平面曲率与坡形组合法。 平面曲率与坡形组合法提取的山脊、山谷的宽度可由选取平面曲率的大小来调节，方法简便，效果好。该方法基本处理过程为：首先利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上平面曲率的大值为山谷。实际应用中，由于平面曲率的提取比较繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。因此，下面的提取过程以SOA代替平面曲率。 具体提取过程为： 1）激活DEM 数据，在Spatial Analysis 下使用surface 菜单下的Derive Aspect 命令，提取DEM 坡向层面，记为A； 2）激活A 层面，在Spatial Analysis 下使用surface 菜单下的Derive Slope 命令，提取A 层面的坡度信息，记为SOA1； 3）求取原始DEM 数据层的最大高程值，记为H；通过Spatial Analysis 下的栅格计算器Calculator，公式为（H－DEM），得到与原来地形相反的DEM 数据层，即反地形DEM 数据； 4）基于反地形DEM 数据求算坡向值； 5）利用SOA 方法求算反地形的坡向变率，记为SOA2； 6）在Spatial Analysis 下使用栅格计算器Calculator，公式为SOA ＝（（[SOA1]+[SOA2]）-Abs （[SOA1]-[SOA2]））/ 2，即可求出没有误差的DEM 的坡向变率SOA； 7）激活原始DEM 数据，在Spatial Analysis 下使用栅格邻域计算工具Neighborhood Statistics；设置Statistic type 为平均值，邻域的类型为矩形（也可以为圆），邻域的大小为275×275 MAP，则可得到一个邻域为275×275 MAP的矩形的平均值层面，记为B； 8）在Spatial Analysis 下使用栅格计算器Calculator，公式为C ＝[DEM]-[B]，即可求出正负地形分布区域， 9）在Spatial Analysis下使用栅格计算器Calculator，公式为D ＝[C] >0 & SOA > 70，即可求出山脊线； 10）同理，在栅格计算器Calculator 中，修改公式为D ＝[C] < 0 & SOA > 70，即可求出山谷线
山脊线山谷线提取实验报告
山脊线山谷线提取实验报告 实验容描述： 山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线（骨架线），因此它对于地形地貌研究具有重要意义；另一方面，对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别代表示分水性与汇水性，山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。 本次实验通过某区域栅格DEM掌握山脊线和山谷线这两个基本地形特征信息的理论及其基于DEM的提取方法与原理；同时，熟练掌握利用ArcGIS软件对这两个地形特征信息的提取方法。 实验原理： 1.本实验基于规则格网DEM数据使用平面曲率与坡形组合法提取山脊线和山谷线，首先利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上平面曲率的大值为山谷。实际应用中，由于平面曲率的提取比较繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。因此，提取过程中可以SOA代替平面曲率。 2.主要用到以下理论知识： 1）坡向变率：是指在提取坡向基础上，提取坡向的变化率，亦即坡向之坡度（Slope of Aspect，SOA）。它可以很好地反应等高线弯曲程度； 2）反地形DEM数据：求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H，通过公式（H-DEM），得到与原来地形相反的DEM数据层，即反地形DEM数据； 3）地面坡向变率SOA：地面坡向变率在所提取的地表坡向矩阵的基础上沿袭坡度的求算原理，提取地表局部微小围坡向的最大变化情况。但是SOA在提取过程中在北面坡将会有误差产生，所以要将北坡坡向的坡向变率误差进行纠正，其公式为： SOA=(( [SOA1]+[ SOA2] )-Abs( [SOA1]-[ SOA2] ))/2 其中：SOA1为原始DEM数据层坡向变率，SOA2为反地形DEM数据层坡向变率。 4）焦点统计 5）ArcScan自动矢量化 流程图
冠状动脉中心线提取
冠状动脉中心线提取 2018.12.5 1简介 1.1步骤和实现方式 本次任务是从冠状动脉增强图像提取血管中心线。步骤和实现方式大致如下： ?图像二值化：读入.mha格式CT图像，阈值处理； ?空洞填充 ?图像细化：类似腐蚀，取最大内切球心的集合 ?端点分叉点检测：考虑26邻域内像素个数，卷积实现 ?断裂分支重连：寻找连接点，条件判断，Dijkstra最小代价连接 ?构建中心线：在分叉点集基础上追踪，数组存储在Cell中 1.2运行说明 coronary_refine.m是主要的运行函数。其他函数和脚本：branchReconnect输入细化后的图像和权重（原始CT volume的像素值为可能性），其中调用了三维的Dijkstra函数；directConnect脚本很简短地实现在三维图像中两点连直线，但因为用了最短路径所以没有采用；其余函数都是由比较冗长的小功能封装成的。两张图片运行时间小于一分钟。 2实现方法 2.1阈值 为了不让阈值化后丢失的成分过多，对后续分支重连的步骤造成困难，这里选择了较小的阈值0.1*原图最大值(2^16)。这也导致最后结果中分支会显得比0.5的阈值下丰富很多，但算法能够原图(mha)保证最终中心线和真实血管走向的一致性。 2.2空洞填充 一开始使用的是imfill函数，通过查看源代码可见这个函数调用了imcomplement和imreconstruct对二值图像进行填充。imfill对三维图像的处理速度较慢，最终使用形态学库函数bwmorph3中的fill功能进行处理。
图1:Skeleton of a rectangle defined in terms of bi-tangent circles. 2.3图像细化 程序中调用了bwskel来实现。Thinning在文献中有两种最为常见的方法，一种被称为“Onion peeling”1，顾名思义用不断的腐蚀操作来一层一层地剥开血管，难点是设置一定的条件来保证原有拓扑结构。这个方法也是bwskel的参考文献中使用的方法。2还有一种细化方法也和腐蚀有些类似，基本思路是求连通域内部的内切圆心（三维为球心）集合，如图一。 2.4基于卷积的端点分叉点检测 虽然形态学库函数中同样有branch和endpoint的功能，但这两个功能的feature都导致它们并不适合直接使用。比如bwmorph3中branch会返回所有分叉点以及分叉点各自的相邻点。面对如此古怪的feature，不如构造简单的卷积核来求端点分叉点。 ?分叉点检测 首先考虑3*3*3全1的卷积核。在二值、细化图像非分叉部分，其响应应该为3。如果将响应大于3的视为分叉，其结果中会有很多处于真正的分叉点附近、实际却为原图空白部分的点被误判成分叉。原因就是分叉附近往往点较为密集，空白点的26邻域内也容易出现多个1，导致超出阈值。解决方法很简单，要让卷积能区分出原中心线上的点和空白格，只要在kernel的中心加大权重，这样空白格的响应和值为1的点差距会变得很大，从而被排除在外。代码如下（因为convolution包含padding，最终结果还需删除padding部分）： 1A Sequential3D Thinning Algorithm and Its Medical Applications 2Ta-Chih Lee,Rangasami L.Kashyap and Chong-Nam Chu Building skeleton models via3-D medial surface/axis thinning algorithms. Computer Vision,Graphics,and Image Processing,56(6):462-478,1994.
ArcGIS实验-Ex18-利用水文分析方法提取山脊、山谷线
第十一章水文分析 练习1：利用水文分析方法提取山脊、山谷线 一、背景 山脊线、山谷线是地形特征线，它们对地形、地貌具有一定的控制作用。它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线以及地形特征点等的提取和分析是很有必要的。 二、目的 理解基于DEM结合水文分析的方法提取出研究区域的山脊线和山谷线的原理；掌握水流方向、汇流累积量的提取方法以及它们的提取原理；能将水文分析的方法和其它的空间分析方法相结合以解决应用问题。 三、要求 1、利用水文分析思想和工具提取研究区域的山脊线； 2、利用水文分析思想和工具提取研究区域的山谷线。 四、数据 一幅25m分辨率的黄土地貌DEM数据，数据的区域大概有140 km2。数据存于…/ChP11/Ex1中，请将其拷贝到E：/ChP11/Ex1。结果数据保存在…/ChP11/Ex1/Result中。 五、算法思想 对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别表示分水性与汇水性，山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。因此，对于山脊线和山谷线就可以利用水文分析的方法进行提取。 基于DEM的这种地形表面流水物理模拟分析的原理是：对于山脊线而言，由于它同时也是分水线，那么对于分水线上的那些栅格，由于分水线的性质是水流的起源点，通过地表径流模拟计算之后这些栅格的水流方向都应该只具有流出方向而不存在流入方向，也就是其栅格的汇流累积量为零。通过对零值的汇流累积值的栅格的提取，就可以得到分水线，也就得到了山脊线；对于山谷线而言，由于其具有汇水的性质，那么对于山谷线的提取，可以利用反地形的特点，即是利用一个较大的数值减去原始的DEM数据，而得到了与原始地形完全相反的地形数据，也就是原始的DEM中的山脊变成负地形的山谷，而原始DEM中的山谷在负地形中就变成了山脊，那么，山谷线的提取就可以在负地形中利用提取山脊线的方法进行提取。 六、操作步骤 1、正负地形的提取 (1) 启动ArcToolbox，展开Analysis Tools工具箱，打开hydrology工具集。在图层管理器中加载研究区域的原始DEM数据。 (2) 加载Spatial Analyst模块，点击Spatial Analyst模块的下拉箭头，点击neighborhood statistics菜单工具，利用邻域分析的方法以11×11的窗口计算平均值，如图1。分析结果命名为meandem，如图2所示。
ENVI提取地形特征要素
ENVI 实验六基本地形因子提取 一、实验目的 1熟悉ENVI软件能够从DEM 中提取地形特征。 2掌握DEM提取地形特征的方法。 二、实验要求 完成运用ENVI 进行从DEM 中提取地形特征，包括山顶、山脊、平原、水平面、山沟和凹谷。 三、实验仪器 每人计算机一台。 四、实验内容 1在Toolbox中，启动/Terrain/Topographic Features，在Topographic Feature Input DEM 对话框中，选择DEM.tif 文件，点击OK，打开Topographic Features Parameters 对话框，需要设置一些参数。 （1）坡度容差：1。以度为单位；（2）曲率容差：0.1；（3）地形核大小：7。 2在Select Feature to Classify 列表中选择所有的地形特征。 3选择输出路径及文件名，单击OK 执行地形特征提取。
4通视域分析：使用Viewshed Analysis Workflow 工具，设置点、线、面作为观测源进行可视域分析。 将通视分析结果输出为矢量和图像结果有三种方法： （1）点观测源 a. 在Toolbox 中，启动/Terrain/Viewshed Analysis Workflow，打开文件选择面板 File Selection； b. 分别选择对应的文件DEM File：DEM.tif；Image File：Orthoimagery.tif，单击Next 进入Viewshed Analysis 面板； c.在Viewshed Analysis 面板中，设置以下几个参数： 可视距离Default View Range：1000 可视高度Default View Height：100 d.默认鼠标的状态是绘制“点注记”，在正射影像上绘制几个观测点。如果鼠标当前 状态是其他，可在工具栏中选择对应的工具绘制：，绘制4 个点； e.选择Any Source （四个观测点的并集），勾选Preview预览结果，红色表示可 视区域，黑色表示不可视区域； f.分别选择All Sources（四个观测点的交集），预览结果； g.单击Next进入Viewshed Export面板，可以将通视分析结果输出为矢量和图像结果。
地形特征信息提取
地形特征提取 1.背景 特征地形要素，主要指对地形在地表的空间分布特征具有控制作用的点、线或面状要素。特征地形要素构成地表与起伏变化的基本框架。与地形指标的提取主要采用小范围的邻域分析不同的是，特征地形要素的提取更多地应用较为复杂的技术方法，如山脊线、山谷线、沟沿线等的提取采用了全局分析法，成为栅格数据地学分析中很具特色的数据处理内容。 特征地形要素从表示的内容上可分为地形特征点和特征线两大类。地形特征点主要包括山顶点、凹陷点、脊点、谷点、鞍点、平地点等。基于DEM提取地形特征点，可利用3*3或更大的栅格窗口，通过中心格网点与8个邻域格网点的高程关系来进行判断获取。 山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线（骨架线），因此它对于地形地貌研究具有重要意义。另一方面，对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别代表示分水性与汇水性，山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。 自动提取山脊线和山谷线的主要方法都是基于规则格网DEM数据的，从算法设计原理上来分，大致可以分为以下五种： （1）基于图像处理技术的方法 （2）基于地形表面几何形态分析的方法 （3）基于地形表面流水物理模拟分析方法 （4）基于地形表面几何形态分析和流水物理模拟分析相结合的方法 （5）平面曲率与坡形组合法 其中，平面曲率与坡形组合法提取的山脊线、山谷的宽度可由选取平面曲率的大小来调节，方法简便，效果好。该方法基本处理过程为：首先利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊线，负地形上平面曲率的大值即为山谷。实际应用中，由于平面曲率的提取比较复杂繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度上可以很好地表示平面曲率，因此，下面的提取过程以SOA代替平面曲率。 2.目的 通过本实例，使读者掌握山脊线和山谷线这两个基本地形特征信息的理论及其基于DEM的提取方法与原理。同时，熟练掌握利用ArcGIS软件对这两个地形特征信息的提取方法。 3.要求: 利用所给区域DEM数据，提取该区域山脊线、山谷线栅格数据层。 具体提取过程： 1）点击DEM数据，使用表面分析中的坡向（Aspect）工具，提取DEM的坡向数据层，命名为A。
arcgis之地形5山脊山谷线提取
致可以分为以下五种： 1) 基于图像处理技术的原理； 2) 基于地形表面几何形态分析的原理； 3) 基于地形表面流水物理模拟分析原理； 4) 基于地形表面几何形态分析和流水物理模拟分析相结合的原理； 5) 平面曲率与坡形组合法。 平面曲率与坡形组合法提取的山脊、山谷的宽度可由选取平面曲率的大小来调节，方 法简便，效果好。该方法基本处理过程为：首先利用 DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上平面曲率的大值为 山谷。实际应用中，由于平面曲率的提取比较繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度 上可以很好地表征平面曲率。因此，下面的提取过程以 SOA代替平面曲率。 具体提取过程为： 1）激活 DEM 数据，在 Spatial Analysis 下使用surface 菜单下的Derive Aspect 命令，提取 DEM 坡向层面，记为 A； 2）激活 A 层面，在 Spatial Analysis 下使用 surface 菜单下的 Derive Slope 命令，提取A 层面的坡度信息，记为 SOA1； 3）求取原始 DEM 数据层的最大高程值，记为 H；通过 Spatial Analysis 下的栅格计 算器Calculator，公式为（H－DEM），得到与原来地形相反的 DEM 数据层，即反地 形 DEM 数据；
4）基于反地形 DEM 数据求算坡向值； 5）利用 SOA 方法求算反地形的坡向变率，记为 SOA2； 6）在Spatial Analysis 下使用栅格计算器 Calculator，公式为SOA ＝ （（[SOA1]+[SOA2]）-Abs（[SOA1]-[SOA2]））/ 2，即可求出没有误差的 DEM 的坡向变率SOA； 7）激活原始 DEM 数据，在 Spatial Analysis 下使用栅格邻域计算工具 Neighborhood Statistics；设置 Statistic type 为平均值，邻域的类型为矩形（也可以为圆），邻域的大小为 275×275 MAP，则可得到一个邻域为 275×275 MAP的矩形的平均值层面，记为 B； 8）在 Spatial Analysis 下使用栅格计算器 Calculator，公式为 C ＝[DEM]-[B]，即可求出正负地形分布区域， 9）在 Spatial Analysis下使用栅格计算器 Calculator，公式为 D ＝[C] >0 & SOA > 70，即可求出山脊线； 10）同理，在栅格计算器 Calculator 中，修改公式为 D ＝[C] < 0 & SOA > 70，即可 求出山谷线。
地形指标提取
地形指标提取 1.背景: 地形指标是最基本的自然地理要素，也是对人类的生产和生活影响最大的自然要素，地形特征广泛应用于诸多研究领域和应用领域。地形指标的提取对水土流失、土地利用、土地资源评价、城市规划等方面的研究起着重要的作用。根据研究区域尺度的不同，地形指标有许多因子。基于ArcGIS的地形指标的提取，大多均是基于DEM数据完成的。 2.目的： 通过本实验，使读者加深对各基本地形指标的概念及其应用意义的理解，熟练掌握使用ArcGIS软件提取这些地形指标的方法和步骤。 3.要求： 利用所提供的DEM数据，提取该区域坡度变率、坡向变率、地形起伏度、地面粗糙度等四个基本地形指标的栅格图层。 4.实验步骤: （1）坡度变率 地面坡度变率，是地面坡度在微分空间的变化率，是依据坡度的求算原则，在所提取的坡度值的基础上对地面每一点再求算一次坡度。即坡度之坡度。坡度是地面高程的变化率的求解，因此，坡度变率表征了地面高程相对于水平面变化的二阶导数。 坡度变率在一定程度上可以很好的反映剖面曲率信息，其提取方法如下： 1）选中DEM图层数据，选择表面分析中的坡度工具，提取坡度，得到坡度数据层，命名为Slope
2）选中坡度数据层Slope，对其再用上述的方法提取坡度，得到坡度变率数据，命名为SOS （2）坡向变率 地面坡向变率，是指在提取坡向基础上，提取坡向的变化率，亦即坡向之坡度（SOA），它可以很好的反应等高线弯曲程度。 地面坡向变率在所提取的地表坡向矩阵的基础上沿袭坡度的求算原理，提取地表局部微小范围内的最大变化情况。需要注意：SOA在提取过程中在背面坡将会有误差产生。北面坡坡向值范围为0~90度和270~360度，在正北方向附近，如15度和345度两个坡向之间坡向差只是30度，而计算结果却是330度。所以要将北坡地区的坡向变率误差进行纠正，具体方法如下： 1）求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H，通过SpatialAnalyst下的栅格计算器Raster Calculator公式为H=0-DEM，得到与原来地形相反的DEM数据层，即反地形DEM数据。
利用水文分析方法提取山脊、山谷线 技术文档
利用水文分析方法提取山脊、山谷线 1.背景 作为地形特征线的山脊线、山谷线对地形、地貌具有一定的控制作用。它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。同时由于山脊线具有分水性，山谷线具有合水性特征使得它们在工程应用方面具有特殊的意义。因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线的提取和分析是具有很大应用价值的。 2.目的 了解基于DEM的水文分析方法提取出山脊线和山谷线的原理；掌握水流方向、汇流累积量的提取原理及方法；能够利用水文分析的方法与其它空间分析方法相结合以解决实际应用问题。 3.要求 （1）利用水文分析思想和工具提取研究区域的山脊线； （2）利用水文分析思想和工具提取研究区域的山谷线。 4.数据 一幅25m分辨率的黄土地貌DEM数据，区域面积大约有140 km2。 5.算法思想 山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。因此，可以利用水文分析的方法进行提取。 对于山脊线而言，由于它同时也是分水线，而分水线的性质即为水流的起源点。所以，通过地表径流模拟计算之后，这些栅格的水流方向都应该只具有流出方向而不存在流入方向，也就是其栅格的汇流累积量为零。通过对零值的汇流累积值的栅格的提取，就可以得到分水线，即山脊线；对于山谷线而言，可以利用反地形的特点，即利用一个较大的数值减去原始的DEM数据，得到与原始地形完全相反的地形数据，使得原始的DEM中的山脊变成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就变成了山脊，再利用山脊线的提取方法就可以实现山谷线的提取。但是这种方法会出现提取出的山脊和山谷位置有些偏差，可以利用正、负地形来加以纠正。 基于DEM利用水文分析的方法提取山脊线和山谷的技术流程如图1所示。 图1 山脊线和山谷线的提取流程图
1：10000矢量核心地形要素数据(DLG)生产技术规定
1:10000基础地理信息更新与建库技术设计暂行规定 1:10000矢量核心地形要素生产技术规定Technical specifications for producing 1:10000 digital line graphics (DLG) of fundamental topographic features ( 征求意见稿) 国家测绘局 二○○一年一月
目次 前言 ........................................................................................................................................ I 1范围 (1) 2引用标准 (1) 3术语 (1) 4基本要求及技术指标 (2) 5作业方法与工艺流程 (3) 6数据采集技术要求 (7) 7操作规程 (10) 8质量控制 (14) 9数据更新 (15) 10文件命名和数据组织形式 (16) 11产品归档 (17)
前言 本规程是应1:10000数字化测绘和基础地理信息数据库中对1:10000核心地形要素生产技术规定的需要，根据目前技术水平制定的。 本规程由国家测绘局提出并归口。 本规程起草单位：陕西测绘局 山西省测绘局 本规程主要起草人：曹建成李建平
1:10000基础地理信息更新与建库技术设计暂行规定 1:10000矢量核心地形要素生产技术规定 Technical specifications for producing 1:10000 digital line graphics (DLG) of fundamental topographic features 1 范围 本规程规定了1:10000核心地形要素生产的技术要求、质量控制、工艺流程。适用于1:10000矢量核心地形要素的采集、更新与建库。其它专题矢量要素及相关复合产品的制作也可参照其执行。 2 引用标准 下列标准所包含的条文，通过在本规程中引用而构成为本标准的条文。在本规程出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本规程的各方应探讨使用下列标准的最新版本的可能性。 GB/T 13990-92 1:5000、1:10000航空摄影测量内业规范 ZBCH02-85 1:5000、1:10000地形图航片综合判调作业规程 GB/T 5791-93 1:5000、1:10000地形图图式 GB/T 13923-92 国土基础信息数据分类与代码 GB/T17798-1999地球空间数据交换格式 GB/T××××1:10000矢量地形要素内容与分类 GB/T××××基础地理信息数字产品数据文件命名规定 GB/T××××基础地理信息数字产品元数据 GB/T 13989-92 国家基本比例尺地形图分幅与编号 GB 2260-95 中华人民共和国行政区划代码 GB 917.2-89 国家干线公路路线名称和编号 GB 1945-87 中华人民共和国铁路路线名称代号 SL213-98 水利工程基础信息代码编制规定 3 术语 3.1要素 真实世界现象的抽象。 3.2属性 各要素的相关信息。 3.3矢量数据 由几何元素点、线及多边形所表示的数据。 3.4栅格数据 与特定参照系相对应的空间的规则化棋盘状布置的数据。 3.5节点 零维拓扑元素。
基于ArcGIS的地形特征提取
基于ArcGIS的地形特征提取 刘小庆 辽宁工程技术大学，辽宁阜新 (123000) E-mail: Lxq_0805@https://www.360docs.net/doc/ce6363638.html, 摘要：特征地形要素是构成地表地形与起伏变化的基本框架，ArcGIS具有一个能为三维可视化、三维分析以及表面生成提供高级分析功能的扩展模块3D analyst，基于ArcGIS进行地形特征提取可以更好地实现对地形地貌空间数据的可视化和分析处理。 关键词：ArcGIS；特征地形要素；山脊线；山谷线 1．引言 随着信息社会的到来，人类社会进入了信息大爆炸的时代。面对海量信息，人们对于信息的要求发生了巨大变化，对信息的广泛性、精确性、快速性及综合性要求越来越高。随着计算机技术的出现及其快速发展，对空间位置信息和其他属性类信息进行统一管理的地理信息系统也随之快速发展起来，在此基础上进行空间信息挖掘和知识发现是当前亟待解决的问题。 在常见的GIS系统中，美国ESRI公司的ArcGIS以其强大的分析能力得到用户的青睐，成为主流的GIS系统。ArcGIS9是美国环境系统研究所（Environment System Research Institute）开发的新一代GIS软件，是世界上最广泛的GIS软件之一。自从1978年以来，ESRI相继推出了多个版本系列的GIS软件，其产品不断更新扩展，构成适用各种用户和机型的系列产品。ArcGIS是ESRI在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多方面的计算机主流技术之后，成功地推出了代表GIS最高技术水平的全系列GIS产品。ArcGIS是一个全面的，可伸缩的GIS平台，为用户构建一个完整的GIS系统提供完整的解决方案。ArcGIS9的软件特色主要为： 1）主图编辑的高度一体化； 2）便捷的元数据管理； 3）灵活的定制与开发； 4）ArcGIS9的新功能：增加了两个基于ArcObject的产品：面向开发的嵌入式ArcGIS Engine和面向企业用户居于服务器的ArcGIS Server。3D Analyst 是ArcGIS8的扩展 模块，主要提供空间数据的三维显示功能。在ArcGIS9中，该模块在3D Analyst的基 础上第一次推出全球3D可视化功能。该模块具有与ArcScene相似的地图交互工具，可以与任何在三维地球表面有地理坐标的空间数据进行叠加显示[1]。 2．背景和原理 特征地形要素，主要是指对地形在地表的空间分析与分布特征具有控制作用的点、线或面状要素。特征地形要素构成地表地形与起伏变化的基本框架。与地形指标的提取主要采用小范围的邻域分析不同的是，特征要素的提取更多地应用较为复杂的技术方法，如山谷线、山脊线、沟沿线等的提取采用了全局分析法（global process）（算法如图1）[2]，成为栅格数据地学分析中很有特色的数据处理内容。
山脊线、山谷线、鞍部点的提取
实例与练习 练习1. 利用水文分析方法提取山脊、山谷线 1．背景：山脊线、山谷线是地形特征线，它们对地形、地貌具有一定的控制作用。它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线以及地形特征点等的提取和分析是很有必要的。2．目的：理解基于DEM结合水文分析的方法提取出研究区域的山脊线和山谷线的原理； 掌握水流方向、汇流累积量的提取方法以及它们的提取原理；能将水文分析的方法和其它的空间分析方法相结合以解决应用问题。 3．要求： （1）利用水文分析思想和工具提取研究区域的山脊线； （2）利用水文分析思想和工具提取研究区域的山谷线。 4．数据：一幅25m分辨率的黄土地貌DEM数据，数据的区域大概有140 km2。数据存放于…/ChP11/Ex1中，请将其拷贝到E：/ChP11/Ex1。结果数据保存在…/ChP11/Ex1/Result 中。 5．算法思想： 对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别表示分水性与汇水性，山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。因此，对于山脊线和山谷线就可以利用水文分析的方法进行提取。 基于DEM的这种地形表面流水物理模拟分析的原理是：对于山脊线而言，由于它同时也是分水线，那么对于分水线上的那些栅格，由于分水线的性质是水流的起源点，通过地表径流模拟计算之后这些栅格的水流方向都应该只具有流出方向而不存在流入方向，也就是其栅格的汇流累积量为零。通过对零值的汇流累积值的栅格的提取，就可以得到分水线，也就得到了山脊线；对于山谷线而言，由于其具有汇水的性质，那么对于山谷线的提取，可以利用反地形的特点，即是利用一个较大的数值减去原始的DEM数据，而得到了与原始地形完全相反的地形数据，也就是原始的DEM中的山脊变成负地形的山谷，而原始DEM中的山谷在负地形中就变成了山脊，那么，山谷线的提取就可以在负地形中利用提取山脊线的方法进行提取。 基于DEM利用水文分析的方法提取山脊线和山谷的技术流程如图1所示。