第八章 特征地形要素的提取

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。
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
• 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。
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 ）
若与洼地（1）相邻的洼地区域（2）的集水出口，位于洼地（1）、（2）
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
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
（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 （watershed partition）。
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
圆度率 延长率 流域面积 与流域具有同样周长的 圆面积 与流域具有同样面积的 圆的直径 平行于主水道线的流域 的最大长度
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 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）。
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） 垫 高 降 低
• 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stream networks
– 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 水流方向及水流累积量的确定 水道起始位置的确定
第八章 特征地形要素的提取
刘爱利 liuaili@
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
(m=1,2,…,5)的局部窗口。
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)
H (i k , j ) H (i k 1, j ) H (i k , j ) H (i k 1, j )
H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1) H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1)
• 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。
hi P d
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。
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）
H (i, j k ) H (i, j k 1) H (i, j k ) H (i, j k 1) 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 H (i k , j ) H (i k 1, j ) 能为山脊点，其中1≦k ≦m： H (i k , j ) H (i k 1, j ) H (i, j k ) H (i, j k 1) H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1) H (i, j k ) H (i, j k 1) H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1)
H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1)
• 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 缺陷： 极小值点，即得到潜在的地形特征点。 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，
四、山脊线、山谷线的提取
• 1、基于图像处理技术原理的算法 H (i, j k ) H (i, j k 1)
– 移动窗口算法2（陈永良等，2001 ） H (i, j k ) H (i, j k 1) 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 H (i k , j ) H (i k 1, j ) 可能为山谷点，其中1≦k ≦H m(： i k , j ) H (i k 1, j )
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
H (i, j k ) H (i, j k 1) H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1) H (i, j k ) H (i , j k 1) H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1) H (i k , j ) H (i k 1, j ) H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1) H (i k , j ) H (i k 1, j ) H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1) H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1) 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 H (i k , j k ) H (i k 1, j k 1) 意一个。
– 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。 的相邻边缘，且其高程h2小于h1时，令h2=h1。
（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。
Fi Li tan i
L tan
i 1 i
n
i
Li：对角线方向
2/4
格网间距；其他方向1/2倍格网间距
p Freeman（1991）坡度指数的流量分配公式： F (tan i ) i n (tani ) p i 1
地形形态特征提取的原理
• 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