[word格式] 基于矢量等高线数据提取山脊线山谷线的研究

[word格式] 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 54测绘通报2005年第10期 文章编号:0494—0911(2005)10-0054.03中图分类号:P208文献标识码:B 基于矢量等高线数据提取山脊线山谷线的研究 靳海亮,高井祥,康建荣 (1.中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221008;2.徐州师范大学 国土信息与测绘工程系,江苏徐州221116) AStudyofExtractingTerrainFeatureLinesBasedonVectorContourData JINHai—liang,GAOJing-xiang,KANGJian-rong 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GIS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分析比较的基础上,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DEM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题.近年来,随着GIS 技术的应用和发展,自动提取山脊线和山谷线的技 术和方法的研究对于扩充GIS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t[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 1.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 Split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. Split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:2004—07—07 基拿砸目:江苏省高校自然科学研究资助项目(SL020013);徐州 师范大学科学基金资助项目(03XLB26)作者简介 :靳海亮(1975一),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. 2005年第l0期测绘通报55 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165.,如果张角大于165., 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.sD1it法的原理可用图1表示. (a1 /,\—— 一 /丽一/\/\-’. P.....I.P——4P4P6P6P7PTPs /\/\ P1 \ 囊 P’....z..P.—3—’.P....3..P——4 (b) 图1Split法的原理 2.山脊点山谷点识别算法 应用Split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2所 示,即计算特征点c处等高线张角范围内某点D的 高程,并与c点高程比较,如果D点的高程大于c 点高程,则c点为山脊点,反之,c点为山谷点.此 种方法看似简单,但由于计算D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12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3种情况: 第1种情况:如图3所示,等高线为常规的规则形 状,c点为应用split法找出来的一个特征点,A点, 点为与c点同一条等高线上c点左右两侧与c相邻 的点(曲线拟合点或数字化点),D点为由AB连线的 中点向c点相反方向所作垂线与相邻等高线的交点, D点的高程为该等高线的高程.如果D点的高程大 于c点高程,则C点为山脊点,反之,c点为山谷点. 图2识别山脊点山谷点原理图图3规则等高线 第2种情况:如图4,图5所示,按第1种情况 所述方法得到的D点为同一等高线上的点,则D 点的高程与c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AB连线的 中点向c点相同方向作垂线,得到与相邻等高线的 交点D(如图4,图5所示),D点的高程为该等高 线的高程.如果D点的高程小于c点高程,则c 点为山脊点,反之,c点为山谷点. 图4山顶或山谷底图5极不规则等高线 ‘ 第3种情况:如图6所示,由第2种情况得到的D, 点的高程与c点的高程仍然相等,但是此时D,点与c 点分属于不同的等高线,则特征点位于地形鞍部处. 图6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. 1.生成山脊线山谷线的原则 如图7所示,生成山脊线山谷线应遵循如下原则: 1.参考点与待判断点间的距离在一限值内; 2.待判断点与参考点的连线应处于等高线在 56测绘通报2005年第l0期 参考点所张的夹角内; 3.等高线在参考点与待判断点处的张角方向 应基本相同; 4.山谷线山脊线待判断点的转向角在一限值内. 图7山脊线山谷线连线示意图 根据以上原则可得出生成山脊线山谷线时对应 的4个判断因子:?距离因子S,为待判断点与参 考点间的距离;?夹角因子Ot,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Ot2,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Ot,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. 2.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: 1.先从所有未连线的山谷点中找出高程最高 的山谷点. 2.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4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4条原则的那一点,则此点为此 特征线上的点. 3.将刚找出的这点与本节1中的那一点相连 结,组成此山谷线上的一个线段. 4.从刚找出的那个山谷点开始,重复第2,3 步,继续向下一条等高线寻找. 5.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. 6.重复以上5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VisualC”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8为用本文所提供的算法检 测到的实验区域等高线特征点图(红色为山脊点,蓝 色为山谷点),图9为用本文所提供的算法得到的实 验区域特征线图(红色为山脊线,蓝色为山谷线). 从图8和图9所示的实验结果可以看出,用本 文所提出的算法所提取到的山脊线和山谷线是较为 准确的,与实际地形也是相符合的. 图8实验区域等高线特征点图(圆圈为山脊点, 圆点为山谷点) 图9实验区域特征线图(细线为山脊线,粗 线为山谷线) 五,结束语 山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的骨架, 自动从地形数字化资料中正确提取山脊线和山谷线 有着特别重要的意义.实验证明,本文所用的从数 (下转第67页) 2005年第l0期测绘通报67 基于OfficeGIS的城市规划管理信息系统应用 解决,一方面利用地理信息系统技术来操作与 城市规划管理业务相关的空间信息,另一方面利用 办公信息系统来处理和传递城市规划管理业务的工 作流事务文档,为城市规划管理业务信息化提供了 有效技术支撑.基于OfficeGIS的城市规划管理信 息系统是为满足城市规划管理部门的业务工作要求 而建立的业务化应用系统,集成了办公信息系 统和GIS的双重功能,实现空间数据,项目文档数据, 属性信息以及流转控制等的显示集成,查询集成及分 析集成,通过空间数据引擎和数据调用接口实现了图 文数据的动态连接,采用工作流技术和Offi~组件实 现了报建项目审批流转的灵活性控制和适应性调整, 并实现基于网络的协同办公及项目跟踪监控,利用 GIS应用组件实现了面向城市规划管理的机助桌面 制图功能和辅助分析决策功能,结合GIS应用组件和 Offlee组件实现了专业化的通用图文查询检索功能, 提供了多层次,多专业,高质量的信息服务,提高了城 市规划管理的工作效率和技术水平. 实践证明,融合办公信息系统与GIS的城市规 划管理信息系统很好地解决了城市规划管理部门办 公流程管理与地理信息相脱节的问题,满足了城市 规划管理业务领域的实际需要,实现了城市规划管 理信息化,业务流程自动化,图文传递网络化,办案 办文协同化,跟踪督办现代化,决策分析科学化,成 为城市规划管理日常业务运作体系的技术基础,已 经取得了显着的应用效益.基于OfficeGIS的城市 规划管理信息系统以数据为核心,建立了面向城市 规划管理业务应用的一体化集成数据库,通过面向 空间实体而不仅是面向地图的数据组织方法,实现 业务图文数据的无缝连接,以作为城市规划管理信 息系统的数据基础,确保应用系统数据的质量,现势 性和分析决策的高效性.同时,基于OfficeGIS的 城市规划管理信息系统以用户为中心进行开发,采 用工作流方式实现城市规划业务的自动化管理,选 用先进可靠,稳定,高效的新一代网络模式作为系 (上接第56页) 字化等高线数据中提取地形特征点并追踪提取山脊 线和山谷线的算法理论上是正确的,实际应用中是 可行的,能把绝大多数的山脊线和山谷线提取出来, 与实际地形相符合,具有很大的实际应用价值.算 法中存在的缺陷在于在山顶,鞍部没有加以处理,程 序不能进行自动连接,因此过山顶的完整山脊数据 得不到,这些问题还有待于进一步研究. 统总体结构,运用标准接插部件方式实现系统高效 集成,这为系统应用扩展提供了无限的空间. 五,结束语 OfficeGIS集成了办公信息系统和地理信息系 统技术,将地理信息技术融人到办公信息系统的审 批流转之中,克服了传统GIS技术应用于城市规划 管理的局限性,非常贴近城市规划管理信息化的技 术体系,能够很好地满足城市规划管理的图文一体 化要求,有利于解决城市规划管理部门办公流程管 理与地理信息相脱节的问题,满足了城市规划管理 业务领域的实际需要,成为城市规划管理信息化运 作的技术基础,以便更有效地支持城市规划的科学 管理,更有力地推动”数字城市”的建设进程.因此, 鉴于OfficeGIS应用于城市规划管理业务信息化工 作中所显现出的技术优势,OfficeGIS必将成为当 前我国城市规划管理业务信息化建设的技术支撑, OfficeGIS技术也必将在迅猛发展的城市规划管理 业务化应用当中得到进一步完善和升华,为我国电 子政务的建设和发展提供可靠的技术服务. 参考文献: [1]严荣华,陈军,章启俊.OfficeGIS中图文控制流与数 据流的集成设计和表达[J].中国图象图形,2001, 6(1):14—20. [2]严荣华,王发良,孙毅中,等.城市规划管理信息系统的 开发与实践[J].测绘通报,2001,(8):29—31. [3]孙毅中.城市规划管理信息系统的动态构建[M].北 京:测绘出版社,2005. [4]汪红松,王海坤,袁伟.GIS在城市规划信息系统中 的应用[J].计算机与现代化,2004,(3):47—49. [5]颜涯,邵佩英.GIS与MIS系统集成技术在城市规划 中的研究与应用[J].计算机仿真,2001,18(5):76—79. [6]朱光.城市规划信息系统中的GIS技术探讨[J].测 绘通报,2001,(1):40—43. [7]丁建伟,等.城市规划管理信息系统的可持续发展[J]. 城市规划,2001,25(8):19—23. 参考文献: [1]杨腾锋,王国辉,等.模糊综合评判在提取特征线上的 应用[J].铁路航测,1999,(2):9—11. [2]刘泽慧,黄培之.DEM数据辅助的山脊线和山谷线提 取方法的研究[J].测绘科学,2003,(4):33—36. [3]陈向东.利用数字化等高线数据自动生成地形结构线 [J].测绘科技动态,1991,(5):6—12.