山脊线、山谷线、鞍部点的提取

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1、第十一章 水文分析 GIS 软件应用实习材料 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、（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

3、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

4、谷的技术流程如图 1 所示。 1 原始 DEM 无洼地 DEM 汇流累计量 水流方向数据 山脊线 反地形 DEM 水流方向数据 汇流累计量 山谷线 meandem 负地形 正地形 邻域分析 求交 求交 图 1 山脊线和山谷线的提取流程图 第十一章 水文分析 GIS 软件应用实习材料 6 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，如图 2 所示。 图 2 研究区域的 DEM 数据 2） 加载 Spatial Analyst 模块， 点击 Spat

5、ial 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 1111 的窗口计算平均值。分析结果 命名为 meandem。 3） 点击 spatial analyst 中的 raster calculator 菜单工具，对原始 DEM 数据与邻域分析 之后的数据 meandem 做减法运算，并将运算结果重分为两级，分级界线为 0，那 么大于 0 的区域在原始 DEM 上就是正地形区域，小于 0 的区域在原始 DEM 上 就是负地形区域。 4） 对上一步得到的二值化数据进行两次重分类，一次将正地形区域属性值赋值为 1， 负地形区

6、域属性赋值为 0，命名为 zhengdixing；另一次将正地形区域属性值赋值 为 0，负地形区域属性赋值为 1，命名为 fudixing。分别如图 3、图 4 所示。 2 图 3 正地形区域（图中深色区域） 4图负地形区域（图中深色区域） 第十一章 水文分析 GIS 软件应用实习材料 （2）山脊线的提取： 1） 在 ArcMap 中加载研究区域的原始 DEM 数据，如图 2 所示。 2） 洼地填充：双击 hydrology 工具集中的 fill 工具，进行原始 DEM 的洼地点填充。 在 Input surface raster 文本框中选择原始 DEM 数据 dem，将输出数据命名为 fi

7、lldem，因为选择的是将所有洼地全部填充，所有在填充容限 Z limit 为默认值。 3） 基于无洼地的水流方向的计算：双击 hydrology 工具集中的 flow direction 工具， 在 Input surface raster 文本框中选择填充过的无洼地 DEM 数据 filldem，将输出的 水流方向数据命名为 flowdirfill。 4） 汇流累积量的计算：双击 hydrology 工具集中的 flow accumulation 工具。选择 flowdirfill 作为输入的水流方向数据；输出数据命名为 flowacc1。 5） 汇流累积量零值的提取：加载 Spatial

8、 Analyst 模块，点击 Spatial Analyst 模块的下 拉箭头，然后单击 raster calculator 菜单，打开栅格计算对话框，在文本框中填写 汇流累积量零值的提取公式：facc0 = (flowacc = 0)，然后点击 evaluate 进行计算。 计算结果为所有的汇流累积量为 0 的栅格。 6） 在 ArcMap 中打开 facc0，发现所提取出的栅格很乱，有很多的地方并不是山脊线 的位置，因此应对这个数据进行处理。处理过程可以利用邻域分析的方法，对提 取出的汇流累积量等于零值的数据进行 33 邻域分析进行光滑处理，处理后的 数据命名为 neiborfacc0。

9、7） 单击 spatial analyst 模块中的 surfer analyst 中的 countline 和 hillshade 菜单命令， 分别生成原始 DEM 的等值线图 ctour 和晕渲图 hillshade。 8） 打开 neiborfacc0 数据的属性信息，进行重新分类，将分类级别设置为两类，不断 的调整分界数据大小，并以由 DEM 生成的等值线图和晕渲图为辅助判断数据。 在 neiborfacc0 中，属性值越接近于 1 的栅格越有可能是山脊线的位置，这里确定 的分界阈值为 0.5541。 9） 将进行过二值化的 neiborfacc0 进行重分类为 reneibor，将属

10、性值接近 1 的那一类 的属性值赋值为 1，其余的赋值为 0。 10）将重分类过后的 neiborfacc0 数据与正地形数据 zhengdixing 利用 spatial analyst 菜 单下的 raster calculator 进行相乘运算，这样就消除了那些存在在负地形区域中的 错误的山脊线。然后将计算结果进行重分类，所有属性不为 1 的栅格属性值赋为 NO DATA。就得到了山脊线，如图 5 所示。 （3）山谷线的提取 1） 在 ArcMap 中加载原始 DEM 数据，如图 2 所示。 2） 加载 Spatial Analyst 模块， 点击 Spatial Analyst 模块的

11、下拉箭头， 点击 options raster calculator 菜单工具，打开栅格计算对话框；在文本框中填写反地形的计算公式： fandem =Abs (dem-2000)，点击 evaluate 进行计算。计算结果与原始 DEM 地形完 全相反的反地形数据，如图 6 所示。 3） 反地形计算完毕之后，山谷线的提取就和山脊线的提取步骤一样的，直到最终利 用重分类的方法将重新分级的邻域分析后的结果二值化为止。在这里，是不需要3 第十一章 水文分析 GIS 软件应用实习材料 图 5 计算出的研究区域的山脊线 （图中深色区域为山脊线，背景为该区域的晕渲图） 图 6 计算出的研究区域的反地形 D

12、EM 对反地形 DEM 进行洼地填充的。计算过程中的数据名称分别为：水流方向数据 为flowdirfan， 汇流累积数据为flowacc2， 零值汇流累积量提取数据为flowacc0fan， 对 flowacc0fan 进行均值 33 邻域分析后的结果数据为 nbfacc0fan，并将其分级 改为两级，分级阈值为 0.65677。 4 第十一章 水文分析 GIS 软件应用实习材料 ）将重分类过后的数据与负地形数据 fudixing 利用 spatial analyst 菜单下的 raster calculator 进行相乘运算，这样就消除了那些存在在负地形区域中的错误的山脊 线。然后将计算结果

13、进行重分类，所有属性不为 1 的栅格属性值赋为 NO DATA。 就得到了山谷线，如图 7 所示。 图 7 计算出的研究区域的山谷线 （图中深色区域，背景为该区域的晕渲图） 练习 2. 黄土地貌鞍部的提取 1 背景：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

14、，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。 2 目的：结合水文分析的思想来提取研究区域内的地形鞍部点；开拓思维，拓展水文分 析工具的应用，学会利用水文地质分析的思想来解决一些地形、地貌等方面的问题。 3 要求：结合水文地质分析的方法和空间分析的方法提取研究区域的地形鞍部点 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 59 km2。数据存放 于/ChP11/Ex2 中，请将其拷贝到E：/ChP11/Ex2。结果保存在/ChP11/Ex2/Result 中。 5 第十一章 水文分析 GIS 软件应用实习材料 5 算法思想：由于鞍部是两个山脊和两个

15、山谷会合的地方，那么对于鞍部点的提取，就 可以采用分别提取山脊线和山谷线，然后再计算出山脊线与山谷线的交点，所求出的 交点便是鞍部点的位置。 鞍部点的提取流程如图 8 所示。 山脊 6 操作步骤： （1） 正地形、等高线和晕渲图的提取 同山脊线与山谷线的提取中一样，由于鞍部点的整体位置是处于山脊上的，需 要提取出正地形以舍弃那些在负地形上的错误的提取结果。正地形的提取过程与 11.6.1 完全相同。提取过程分别是：利用 1111 窗口进行提取平均值的邻域分析， 结果为 meandem；原始 DEM 与 meandem 相减并以 0 为界进行重分类，大于 0 的属性 重新赋值为 1，小于 0 的

16、赋值为 0，结果命名为 zhengdixing。 利用 spatial analyst 菜单下的 surface analysis 菜单中的 contour 和 hillshade 工具 分别提取研究区域的等高距为 40m 的等高线数据 ctour 和研究区域的晕渲图 hillshade。 （2） 山脊的提取 山脊的提取与练习 1 中山脊的提取过程是完全相同的，分别是进行洼地填充、 然后在无洼地的 DEM 上提取水流方向、基于水流方向计算汇流累积量数据、提取 汇流累积量数据等于零的栅格。提取过程产生的各个数据分别为：filldem、flowdir、 flowacc 以及 flowacc0。 （3） 山谷的提取 山谷的提取也与练习 1 中山谷的提取过