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第八章 特征地形要素的提取

归档日期:07-07       文本归类:地形要素      文章编辑:爱尚语录

  第八章 特征地形要素的提取_天文/地理_自然科学_专业资料。第八章 特征地形要素的提取 刘爱利 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

  第八章 特征地形要素的提取 刘爱利 .cn 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 ? 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 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。 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 ( 1 )若( Z i , j ?1 ? Z i , j )(Z i , j ?1 ? Z i , j ) ? 0 1 )当Z i , j ?1 ? Z i , j , 则VR (i, j ) ? ?1; 2)当Z i , j ?1 ? Z i , j , 则VR (i, j ) ? 1; (2)若( Z i ?1, j ? Z i , j )(Z i ?1, j ? Z i , j ) ? 0 3)当Z i ?1, j ? Z i , j , 则VR (i, j ) ? ?1; 4)当Z i ?1, j ? Z i , j , 则VR (i, j ) ? 1; 若1 ) 4)或2) 3)同时成立,则 VR (i, j ) ? 2; 若均不成立,则 VR (i, j ) ? 0; ? - 1, 表示谷点 ? ? 1, 表示脊点 VR (i, j ) ? ? ? 2,表示鞍点 ? ?0,表示其它点 i ?1 i 7 4 1 8 5 2 9 6 3 i ?1 j ?1 j j ?1 三、山脊线、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 三、山脊线、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)? (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)? 四、山脊线、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 ) ? 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。 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, 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、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 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 凹陷型洼地的填充 阻挡型洼地的填充 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。 的相邻边缘,且其高程h2小于h1时,令h2=h1。 ? 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 ? 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。 (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:对角线倍格网间距 p Freeman(1991)坡度指数的流量分配公式: F ? (tan? i ) i n ? (tan?i ) p i ?1 (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 (watershed partition)。 ? 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 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)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。 ? 2、水流网络计算 流域边界生成 (1)流域边界生成 沟谷点识别 沟谷段编码 ? 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。 流域边界生成 沟谷点识别 沟谷段编码 (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。 ? 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 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 (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 格网单元分配 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)内部汇流区确定 沟谷段上格网单元标识:从该沟谷段上游结点出发,按照水 流方向和编码规则,给相应的格网单元赋值。 沟谷段左侧和右侧单元标识 七、可视性分析 ? 地形可视性:也称为地形通视性,是指从一个或多个位置 所能看到的地形范围或与其他地形点之间的可见程度。 ? 在火警观察站、雷达位置、广播电视或电话发射塔的位置、 路径规划、航海导航、军事上的阵地布设、道路和建筑物 景观设计、日照分析等方面均有涉及。 ? 两个最基本内容: – 两点之间是否可见 – 在一点上所能看到的范围 ? 特征: – 简单复杂性:概念简单、纸质地图上手工实现容易;但DEM计算 复杂、效率低下。形成原理简单计算复杂矛盾体的特征。 – 不可逆性:从一点能看到另一点,但从另一点却不一定能看到该 点。 – 可视不变性。在不同的地形上产生的可视域是一样的。 ? 地形可视性分析的相关因素: – 地形高程基础数据 ? DEM分辨率、DEM插值方式、DEM误差、DEM结构等都影响 着可视性分析的结果 – 地球曲率与大气折光 ? 在较大区域进行可视域分析,要考虑地球曲率所引起的高程改 正。 ? 由于大气折射,视线并不是直线,而是曲线,常把目标点看的 比实际高度要高。因此,大范围可视域分析,要考虑视线折光 现象。 – 地形表面覆盖情况 ? 可视性分析环境参数: – 观察点 ? 有全部选择、任意选择、规则选择、地形特征点几种 ? 通常考虑观察者的高度 – 观察视线 ? 一般为直线,但大范围可视域分析,要考虑视线折光现象。 – 目标点 ? 一般要考虑目标点,如树木、建筑物高度。 – 观察半径 – 观察角度 为最近观测距离和最大观测距离之差。 指水平视角范围,其范围为0度 ? 可视性分析基本用途: – 可视查询 ? 指对于给定地形环境中的目标对象,确定从某一个观察点观察, 该目标对象是可视还是某一部分是可视。 – 地形可视结构计算 ? 即可视域的计算 – 水平可视计算 ? 指对于地形环境给定的边界范围,确定围绕观察点的所有射线上 ,距离观察点最远的可视点。 ? 判断两点之间的可视性算法 方法一: (1)确定过观察点和目标点所在的线段 与XY平面垂直的平面S (2)求地形模型中与平面S相交的所有边 (3)判断相交边是否位于观察点与目标 所在线段之上。若有一条边在其上,则目 标点不可视 方法二:射线追踪法 从观察点开始沿着观察方向计算地形模型中与射线相交的第 一个 面元,若这个面元存在,则不再计算。 作业 – 基于DEM的地形特征点类型的判断依据是 什么? – 说明基于栅格DEM提取水系的原理与技术 路线? 一、地形形态特征分析及提取原理 ? 地貌类型: – 按形态外部特征分类 ? 正(向)地貌:高出某一近似水平面的凸起形态。 ? 负(向)地貌:低于某一近似水平面的凹下形态。 及提取原理 ? 封闭地貌:四周以斜坡为界 ? 非封闭地貌:一侧或两侧没有斜坡 ? 简单地貌形态:地貌体较小、面积不大、形体简单。 ? 复合地貌形态:地貌体规模大、由多种简单形态组合而成,形 体复杂。 一、地形形态特征分析及提取原理 ? 地貌类型: – 按地貌规模分类 ? 星体地貌:面积从几十万到一千多万平方公里,分为大陆、大 洋底等。 ? 巨地貌:面积约几万到几百万平方公里,如昆仑山系等。 ? 大地貌:面积约几百到几万平方公里,如山系中的某一山脉和 大盆地。 ? 中地貌:面积约几平方公里,如分水岭、山间盆地等。 ? 小地貌:如山脊、小河谷 ? 微地貌:是使大、中、小地貌的表面复杂化的极小的地形起伏, 如:小丘、沙丘表面的沙波等。

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