基于矢量等高线数据提取山脊线山谷线的研究

基于矢量等高线数据提取山脊线山谷线的研究 测绘通报年第期文章编号一一中图分类号文献标识码基于矢量等高线数据提取山脊线山谷线的研究靳海亮一高井祥康建荣中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州徐州师范大学国土信息与测绘工程系江苏徐州 躯 昀 陀麟嬲 ? 心争 瓣 摘要从数字化地形资料中自动提取山脊线和山谷线的技术对于扩充 的应用功能具有特别重要的意义。在对现有的山脊线和山谷线自动提取的算法进行比较的基础上提出一种简单实用的自动提取山脊线和山谷线的算法实验结果明用该算法所提取的山脊线和山谷线与实际地形相符合。关键词矢量等高线数据山脊线山谷线提取记录地形起伏变化的数字化资料——数字化等高线数据中隐含有山脊线和山谷线的信息。如何从这些数字化资料中自动提取隐含的山脊线和山谷线并将其应用于地形分析、高逼真度的建立以及为应用部门提供山脊线和山谷线数据一直是地学工作者面临的一个课。近年来随着 技术的应用和发展自动提取山脊线和山谷线的技术和的研究对于扩充的应用功能具有特别重要的意义。目前此项技术的研究较为活跃山脊线和山谷线数据的应用领域也相当广阔。一、已有山脊线山谷线提取算法综述基于矢量等高线数据提取地形特征线的过程一般分为两大步一是地形特征点山脊点、山谷点的确定二是地形特征线的连接。已有的山脊线和山谷线提取算法主要有等高线曲率最大判别法、等高线骨架化法和等高线垂线跟踪法等。等高线曲率最大判别法先从已有数据资料中提取一些可能是山脊线和山谷线上点的候选点然后再根据一定规则对这些候选点进行分析从中提取每条山脊线和山谷线。在提取山脊线和山谷线上点的候选点时该方法先计算每条等高线上各点处的曲率值然后找出其局部曲率最大值点。由于地形噪音的存在判定山脊线和山谷线上点的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。当阈值选择过大时会遗漏一些山脊线和山谷线上的点反之则会增加候选点中的噪音。等高线骨架化方法先求取每条等高线弯曲部分的骨架然后连接相邻等高线的骨架得到山脊线和山谷线。该方法是将山脊线和山谷线两侧的地形视为对称变化。显然这与多数地形的实际变化不符合因此用该方法所得到的山脊线和山谷线有很大程度的近似性。等高线垂线跟踪法以山脊线和山谷线的物理特性为依据通过模拟和分析地形表面流水的运动状况以得到分水线山脊线和合水线山谷线。先找出流水方向然后计算汇水量或跟踪流水线以几何分析即通过跟踪坡向的方法得到山脊线和山谷线。由于地形噪音的存在这种流水模拟在地形破碎地区十分困难且会出现错误。由于这种方法通常采用规则格网的数据资料进行流水模拟当格网较密时不仅地形噪音增加而且计算量倍增而当格网较稀疏时所提取的山脊线和山谷线的精度很差。二、搜寻山脊点、山谷点特征点提取算法山脊线和山谷线上的点在等高线上的特征表现为等高线局部曲率最大点也就是等高线弯曲变化的特征点。曲线特征点的提取算法有多种。其中 法是一种较常用的曲线特征点提取算法。该法从原理上讲属于整体算法它所提供的曲线特征点能够保证曲线变形在规定的限差之内。 法的基本思想是先用曲线的最左边和最右边的两个点作为起始点对于闭合曲线将闭合曲收稿日期一—基金项目江苏省高校自然科学研究资助项目 徐州师范大学科学基金资助项目 作者简介靳海亮男河南焦作人讲师博士生从事国土信息与测绘工程的教学与研究工作。万方数据年第期测绘通报线分为两部分对于非闭合曲线选择其两个端点作为起始点。起始点确定后顺序计算曲线上位于两个起始点之间的每一个点距两个起始点连线的垂距并找出最大垂距点。若该点处等高线张角小于给定阈值本文 采用的是。如果张角大于则等高线在此处近似于直线弯曲变化小则该点为特征点。它将原曲线分为两部分对每一部分确定新的起始点即用该点分别与原两个起始点构成两对新的起始点用相同的方法对这两段曲线找出各自的特征点。 法的原理可用图表示。一丽一夕一—二歹畏夕墨盼胁丽夕叉丽硒瓦万瓦兵图 法的原理山脊点山谷点识别算法应用 法即可找出特征点。找出特征点后还要对其进行分析判断找出哪些特征点是山脊点那些特征点是山谷点。最直观的判断山脊点山谷点的方法如图所示即计算特征点处等高线张角范围内某点的高程并与点高程比较如果点的高程大于点高程则点为山脊点反之点为山谷点。此种方法看似简单但由于计算点高程算法复杂计算量大影响判断效率。本文利用直线与曲线中的折线求交的方法等高线由若干折线构成简化了算法为减少计算量提高算法效率选用了一个距离阈值本文采用的是等高距的倍这样就把求交判断限定在很小的范围从而减少了计算量提高了算法效率。山脊点山谷点的判断分种情况第种情况如图所示等高线为常规的规则形状点为应用 法找出来的一个特征点点、点为与点同一条等高线上点左右两侧与相邻的点曲线拟合点或数字化点点为由连线的中点向点相反方向所作垂线与相邻等高线的交点点的高程为该等高线的高程。如果点的高程大于点高程则点为山脊点反之点为山谷点。图识别山脊点山谷点原理图图规则等高线第种情况如图、图所示按第种情况所述方法得到的点为同一等高线上的点则点的高程与点的高程相等无法判断说明特征点位于山顶或山谷底处、或者特征点处的等高线为极不规则的等高线。对于此种情况由丑连线的中点向点相同方向作垂线得到与相邻等高线的交点如图、图所示’点的高程为该等高线的高程。如果’点的高程小于点高程则点为山脊点反之点为山谷点。图山顶或山谷底图极不规则等高线第种情况如图所示由第种情况得到的’点的高程与点的高程仍然相等但是此时‖点与点分属于不同的等高线则特征点位于地形鞍部处。图特征点位于地形鞍部处这样就可找出所有山脊点和山谷点。为了生成山脊线和山谷线时方便、快速应将山脊点和山谷点用不同的链表分别存放。三、山脊线山谷线的自动生成得到山脊点和山谷点后接下来的任务是根据山脊点和山谷点自动生成相应的山脊线和山谷线。生成山脊线山谷线的原则如图所示生成山脊线山谷线应遵循如下原则参考点与待判断点间的距离在一限值内待判断点与参考点的连线应处于等高线在万方数据测绘通报年第期参考点所张的夹角内等高线在参考点与待判断点处的张角方向应基本相同山谷线山脊线待判既点的转向角在一限值内。图山脊线山谷线连线不意图根据以上原则可得出生成山脊线山谷线时对应的个判断因子?距离因子 为待判断点与参考点间的距离?夹角因子为待判断点与参考点连线和参考点处等高线张角角平分线的夹角?夹角因子为待判断点与参考点两点处的等高线张角角平分线的夹角?夹角因子。为当前连接特征线段与前一连接完毕的特征线段间的转向角。山脊线山谷线自动生成算法生成特征线之前应先对山脊点、山谷点按其高程值大小进行排序山脊点由小到大山谷点由大到小。连接山谷线是由高向低逐条线来搜索的。其搜索过程如下先从所有未连线的山谷点中找出高程最高的山谷点。’从比此点高程低且高差最小的那条等高线上找山谷点。若山谷点不满足上面条原则中的任一条则此点不予考虑继续考察下一点从所有山谷点找出满足上面条原则的那一点则此点为此特征线上的点。将刚找出的这点与本节中的那一点相连结组成此山谷线上的一个线段。从刚找出的那个山谷点开始重复第步继续向下一条等高线寻找。若在某山谷点搜索到的山谷线下一点已是别的山谷线上的点或者在该山谷点 处由于距离超限或角度超限总之找不到山谷线的下一点时说明此山谷线到此结束。重复以上个步骤继续提取下一条山谷线直到结束。连接山脊线是由低向高逐条线来搜索其搜索的原理和方法与连接山谷线时相同。这里需要指出连接山谷线时在某点找不到下一点的原因可能是此山谷线到达了封闭的盆地底部或谷底线流人湖泊或海洋另一种可能是等高线在这一部分分布太稀数字化点太少而不能足够详细地描述地貌形态连接山脊线时在某点找不到下一点的原因可能是此山脊线到达了山顶。在某点搜索到的山谷线山脊线的下一点是别的山谷线山脊线上的点的原因是两条山谷线山脊线会合在此点。四、实验实例为了验证本文所提出的算法的正确性和有效性笔者用 “编写了相应的程序并选取某一地区的数字化地形等高线图来做实验提取特征线是从等高线数据中提取出特征点进而将特征点连成线来实现的。因此本实验采用的数据是只有等高线的数据文件。图为用本文所提供的算法检测到的实验区?虻雀呦咛卣鞯阃己焐 郊沟憷渡 焦鹊阃嘉 帽疚乃 峁?乃惴ǖ玫降氖笛榍 蛱卣飨咄己焐 郊瓜呃渡 焦认摺,油己屯妓 镜氖笛榻峁 梢钥闯鲇帽疚 崛〉降纳郊瓜吆蜕焦认呤墙衔 既返挠胧导实匦我彩窍喾 系摹乃 岢龅乃惴ㄋ ,际笛榍 虻雀呦咛卣鞯阃荚踩ξ 郊沟阍驳阄 焦鹊阃际笛榍 蛱卣飨咄枷赶呶 郊瓜叽窒呶 焦认呶濉?崾 锷郊瓜吆蜕焦认吖钩闪说匦纹鸱 浠 墓羌茏远 拥匦问 只 柿现姓 诽崛?郊瓜吆蜕焦认哂凶盘乇鹬匾 囊庖濉,笛橹っ鞅疚乃 玫拇邮 伦 谝惩蚍绞 菽甑谄诓饣嫱ūɑ 诘某鞘泄婊 芾硇畔?低秤τ媒饩龇 低臣际趵床僮饔氤鞘泄婊 芾硪滴裣喙氐目占湫畔?硪环桨敢环矫胬 玫乩硇畔? 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