基于DEM提取水域特征的一种算法实现

第 32卷第 1期 2007年
1
月
测绘科学
Science of Surveying and Mapp ing
Vol 132 No 11
Jan 1
基于 D E M 提取水域特征的一种算法实现
李勤超 ①
, 李宏伟 ①
, 孟婵媛
②
( ①解放军信息工程大学测绘学院 ,郑州 450052; ②海军海洋测绘研究所 , 天津 300061)
【摘 要 】本文提出并实现了一种基于规则格网 D EM 的地形特征线提取算法 。

该算法基于水文模拟方法 , 提出了 平地 、洼地的结构模型 , 研究了它们形成复杂洼地的拓扑关系 , 在此基础上设计了洼地填平等算法 , 简便快捷 ,
在邙山小流域水土保持项目中得到应用 , 效果较好 。

【关键字 】格网 D E M; 水文模拟 ; 地形特征 ; 水域特征 【中图分类号 】 P 282 【文献标识码 】A 【文章编号 】1009Ο2307 ( 2007) 01Ο0103Ο02
1 引言
河流水系的提取技术被广泛应用于地图制图 、水文模 拟和地质灾害预测等众多研究领域 。

传统的人工方法不仅 费时费力 , 而且由于水系级别的人为确定和低级别水流线 的删除等问题 , 造成了许多误差 。

近年来 , 随着地理信息 系统 ( G I S )的日益普及 , 特别是能够表达丰富地貌信息的数 字高程模型 (D EM )技术的出现 , 使从 D EM 中提取地貌特征 信息成为一项重要的研究工作 。

中外学者提出了许多自动 提取的方法 , 并开发了相关的软件 。

根据算法设计的原理 , 从 D EM 中自动提取水系网络的 方法主要分为三类 [ 1 ] : ①基于地形表面几何形态的方法 , 也称之为局部方法 , 如 Johnston 和 Rosenfeld 等的地形方向 断面极值法 , 以及 Tribe 的河谷网络算法 , 该方法提取的河 流网络 , 存在河流结点的不连续性以及河流源头定位的随 意性等问题 ; ②基于地表水流模拟的方法 , 也称之为全局 方法 , 它首先给每个 D EM 单元赋流向 , 然后根据所有单元 的流向产生一个全连接的 、单个单元宽度的流向网络 , 最 后根据集水区识别河流网络 ; 对 D EM 单元赋流向是根据水 流向最低的物理原理 , 包括 D8、 Rho8、D EMON 以及 D ∞ 等方法 , 其中最具代表性的是 D8法 , 简单快捷 , 且依据水 流的物理原理和水文学模型 , 具有重要的实用价值 , 本文 即表述了基于该算法的一种实现 ; ③基于局部方法和全局 方法的复合方法 , 它是在全局径流一致性的基础上 , 考虑 到局部地貌的特殊性而采取的一种加权方法 , 使提取的水 系与实际河流更好地拟合 。

但该方法具有很强的针对性 , 因此其适用性受到限制 。

2 水文模拟算法的原理
基于地表水流模拟的地形特征提取算法基本原理是 [ 2 ]
:
根据地表水流从高处流向低处的自然规律 , 计算 D EM 中每 一单元的汇水量 , 可以认为汇水量大于某个阈值的单元属 于汇水线 , 如果将这些汇水量大于给定阈值的离散点 , 按 规则连接起来就可以将汇水线即山谷线提取出来 。

该原理 的关键是 3个矩阵的生成 : 填平原始 D EM 中的洼地生成无
洼地高程矩阵 ; 在无洼地高程矩阵基础上计算水流方向矩
阵 ; 在水流方向矩阵基础上计算水流累积矩阵 。

在实际提 取过程中 , 因在填平洼地时用到了每个单元的水流方向信 息 , 所以应先计算水流方向矩阵 。

在得到上述 3个矩阵后 , 即可进行地形特征或水文特征提取 、汇水区域计算等分析 , 算法的流程图 (见图 1) 。

图 1 水文模拟算法流程
本文采用 D8算法计算单元水流方向 , 即根据 DEM 栅 格单元和八邻域单元之间的最大坡降来确定水流方向 , 文 献 [ 3 ]等都有详述 。

本文的重点是洼地填平算法的设计 。

3 模型建立与算法设计
朱庆 、赵杰 [ 4 ]
等曾提出在水文模拟方法的基础上 , 提 取洼地的一些矢量特征 , 将矢量操作与栅格操作结合起来 对 D E M 中的洼地进行处理 。

本文即是受此启发 , 将洼地 、 平地都抽象为矢量对象 , 并更深入讨论了它们之间的关系 , 在此基础上设计了洼地填平等操作 , 算法具体步骤如下 :
首先基于栅格操作 , 得到每个单元的流向 , 检测出平 地与洼地并提取其矢量特征 ; 然后将平地与洼地构建为矢 量对象 , 操作这些对象完成洼地填平步骤 ; 对于矢量平地 对象 , 再将其化为栅格单元 , 利用矢量特征 —出流点 , 按 规则给其每个单元赋流向 , 最终得到水文特征分析所要的 水流方向矩阵 。

在上述操作基础上完成河网提取 (汇水能力 阈值取用平均水流累计值 )和流域划分 。

311 基本对象结构
作者简介 : 李勤超 ( 1982 Ο) , 男 , 湖 北天门人 , 解放军信息工程大学测 绘学 院 六 系 三 队 450052, 硕 士 生 , 主要从事地理信息系统研究 。

E Οmail: poll_ len@ y ahoo 1com 1cn
收稿日期 : 2006Ο03Ο16
图 2 平地 ( a) 、洼地 ( b)结构图
平地 、
洼地的结构如图 2:
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测绘科学 第 32卷
按照 D8算法 , 我们将根据每个单元的流向赋值 (如图 3) , 得到初始方向矩阵 。

在原始 D EM 数据源中 , 存在许多
无法给 D EM 单元赋流向的情况
(周围单元比中心单元高或 等高 ) , 此时将其值赋为 0, 称这些点为零点 。

从这些零点
出发 , 采用种子算法 [ 5 ]
, 可以检测出平地与洼地 , 这里不 再赘述 。

将检测出来的平地 、洼地按上图中的结构进行组 织 、存储 。

其中 edge 为边缘点 , flowpoint 为出流点 , b ottom 则是洼地中的零点集合 。

需要指出的是 , 平地 、洼地的出 流点的意义并不同 , 前者指平地边缘点中有最大坡降的点 , 后者则是洼地边缘点中高程值最小的点 , 且两者可能都不 唯一 。

对于洼地来说 , 要求执行填平操作后形成平地 。

312 对象关系
对于简单的洼地 , 将洼地中高程值小于其出流点高程 的单元用出流点高程代替即可形成平地 , 生成平地的出流 点应出自原洼地的出流点 。

如果某一洼地的出流点同时是 别的洼地或平地的边缘点 , 情况就复杂许多 。

比如洼地出 流点是一平地边缘点 , 可将洼地填平并直接与此平地合并 , 生成新平地 。

问题的关键在于洼地出流点的状态 , 所以在
洼地 、平地的检测同时还要记录下其出流点状态 。

本文从简化的情况开始 , 在洼地只有一个出流点的假
设下 , 分别讨论两个洼地以及一个洼地与一个平地的关系 。

若两个洼地共享唯一出流点 , 两个洼地可分别填平并
合并 :
①若在此点两洼地存在互指关系 , 即在出流点水流方 向相互指向了对方 , 则填平合并后的部分将还在洼地内 , 且是新洼地 bottom 部分 ; ②否则 , 填平合并后将形成平地 , 而且由于在出流点周围可能存在与其高程相等的点 , 平地 还可能在此处扩张 。

需要指出的是所谓呈环状指向的复杂洼地 , 可归于相
邻洼地互指的情况 。

如图 4, 设洼地 D 1 、D 2 、D 3的出流点 高程分别为 h 1 、 h 2 、 h 3 。

出流点是洼地边缘点中高程最小 的点 , D 1的出流点指向了 D 2 , 应是 D 1 、D 2的边缘点 , 所以 有 h 1 ≥h 2 。

依次类推 , 有 h 1 ≥h 2 ≥h 3 ≥h 1 , 所以 h 1 = h 2 = h 3 , 即 D 1与 D 2 、D 1与 D 3 、D 2与 D 3都应是互指的关系 。

③若洼地出流点在平地边缘 , 显然洼地填平后可与平 地合并 , 生成新平地 , 且将继承原平地的出流点 。

313 填平算法设计与实现
考虑复杂洼地的合并及平地的扩张均是在洼地出流点 发生 , 而新并入的洼地或平地可能带来更多地出流点 , 本 文设计了如下迭代算法用于填平洼地 :
①搜索 、考察洼地每一个出流点状态 , 符合上一小节 合并条件的 , 合并相应的洼地或平地 ; ②对于并入的洼地 , 继续按上述方法处理其出流点 ; ③对于并入的平地 , 搜索 、 考察其边界点 , 判断其是否为其他洼地出流点 , 即是否满 足上节条件 ③, 作相应处理 ; ④在洼地出流点处 , 满足上 节条件
②的 , 还应作扩散处理 (按洼平地检测时使用的种子 算法
) 。

在实际操作中还有更复杂的情况 , 如两洼地共用的出 流点是平地边界点等 , 依然可套用上述算法 。

将上面的步 骤迭代进行 , 直至洼地形成独立的平地 ; 所有洼地都执行 此操作 , 即可完成水文模拟算法的填洼过程 。

314 平地水流方向确定
针对平地水流方向问题很多研究者提出了不同的方法 : Martz 和 Garbrecht 的微地貌起伏算法 , 对平地单元高程增加
不同微量直至每个单元都有一个明确的水流方向 ; Tribe 提
出了一种汇聚模式的赋流向方法 , 使河流在平原区内通过 的距离最短 ; Jen so n 的方法是从出水口出发首先确定与出 口点相邻的平地点的流向 , 然后处理这些点的邻域点 , 如 此迭代直到整个平地内所有点都被赋予流向。

朱庆等对这 些方法进行了比较 [ 4 ] , 提出了利用平地失量模型 , 从提取 的出流点开始 , 由近至远随机选择相邻单元进而标定整个 平地流水方向 , 使其汇聚于出流点 , 方便快捷 , 还能有效 消除平行和锯齿 , 本文即是采用此法 。

4 应用结果
本算法成功应用于邙山小流域水土保持应用系统 , 利 用获得的邙山小流域 D EM 数据 ( 1131453278°Ο1131622111° E 、341824191°341886296°N 、 5m 精度 , 共 3776 行 ×1408
列 , 面积 95177km 2 ) 进行了河网提取和流域划分 (图 5) 。

图 5 邙山小流域河网提取 、流域划分结果图
从图 5可看出河网提取和流域划分结果较好的匹配了原
始 DEM 影像。

该算法在其他小流域的适用性有待进一步验证。

5 结论
本文提出了洼地 、平地矢量结构模型 , 讨论了它们之 间关系 , 以面向对象的思想设计了洼地填平以及平地水流 方向确定的算法 , 与以往算法相比速度更快 , 也更客观 , 并且在邙山小流域水土保持应用系统中运用 , 取得较好的 成果 。

参考文献
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若干问题 [ J ]. 地理与地理信息科学 , 2004, 20 ( 5) : 11Ο141
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析的原理与方法 [M ]. 北京 :科学出版社 , 20051 [ 3 ] 李志林 , 朱庆 1数字高程模型 [M ]. 武汉 : 武汉大
学出版社 , 20011
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文模型研究进展 [ J ]. 水科学进展 , 2000, 11 ( 4 ) :
463Ο4691
·164·EN GL ISH ABSTRACTS OF THE PRESEN T ISSU E
technique in visual studio 1net, takes Taihu lake watershed as a study area in order to establish an unified, efficient and reliable sys2 tem for data sharing1 The data sharing system p rovides a great deal of data fo r comp rehensive managem ent of Taihu lake watershed, and benefits fo r the developm ent of the w atershed1
Key words: Taihu lake watershed; sm art client; data sharing; system imp lementation;
FENG L i①, L IU X iao m ei②, HE B aoΟjing② ( ①Department of U rban and Resources Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China; ②Nanjing Institu te of geography and limno logy, CAS Nanjing 210008)
M erg ing ASTER w ith T M / ET M + da ta to m on itor land cov er change
Abstract: Monitoring landΟuse and landΟcover change usually u2 ses high spatial resolu tion images, such as IKONOS, QU IC KB IR D or
S POTΟ51 In this paper, taking Haidian district for examp le, the au2 thors merge ASTER with TM/ ETM + median resolu tion images by B rovey transform and p rincipal component analysis ( PC A ) methods, attemp ting to make full use of multiΟspectral and higher spatial resolu2 tion characteristic of AS TER and TM/ ETM + images, even to m ine their potential which can be used in landΟuse and landΟcover change1 This paper may p rovid e scientific reference for cosm ically monitoring landΟuse and land Οcover change1 The authors have merged multiΟspectral ( bands 3N, 2, 1) AS TER imag e of 2003 with panchromatic ETM + image of 1999 using B rovey transform Method, and fused TM543 color composition images of 1992 with E TM + PAN of 1999 by PC A method, finally, as a result, both fusion images can show change clearly1 By tested, the p recision of change information detection ar2 rived 92150% , which accords with the demand of app lication1 In this study, the result show s that cheaper ASTER and TM / E TM+ data fu2 sion may efficiently monitor landΟcover change, especially in the re2 gion without high resolu tion data, which can save the cost of d ynam ic monitoring1 Meanwhile, it indicates that AS TER and TM / ETM + im2 ages have large utility value, and deserve extensive use1
Key words: ASTER; TM/ E TM + ; brovey transfo rm; PCA; landΟcover change
HE FenΟqin① , HU ZhenΟqi① , Y IN J ianΟzhong② , FAN G S h i Οbo③( ① Institu te of Land Reclam ation and Eco logical Resto ra2 tion, China University ofM ining and Techno log y, Beijin g 100083 , China; ②State Key Labora to ry of Info rm ation Engineering in Sur2 veying, M app ing and Remote Sensing, W uhan University, W u2 han 430079 , China; ③ Institu te of Botany, CAS, Beijin g 100093 , China)
T he software m ethods rea liza tion to im prov ing rea l Οtim e re2 spon se in e m bedded G IS
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System design of veh icle informa tion managem en t pla tform and its key technology ana l ysis
Abstract: This paper is mainly abo ut the information manage2 ment of vehicles based on GPS location inform ation1 Firstly, it gives the system design of vehicle info rm ation trace and managem ent1 Then, it analyzes the relative key technologies1 Finally, it gives the effective examp le and its perfo rm ance analysis1
Key words: moving objects location; GPRS; W eb Services;
C OM + ; database connection pool
HUANG GuangΟyu①, SHEN Zhan Οfeng②, LUO J ian Οcheng②SHENG Hao②( ①School of the Earth Sciences and Reso urces, Chi2 na University of Geosciences, Beijin g 100083, China; ② Institute of R emote Sensing App lications, Chinese Academ y of Sciences, Beijin g 100101, China)
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L I Q inΟchao①, L I HongΟw ei②, M ENG ChanΟyuan② ( ①Insti2 tu te of Surveying and Mapp ing, Inform ation Engineering University, Zhengzhou 450052, China; ②Naval Institu te of Hydrographic Sur2 veying and Charting, Tianjin 300061, China)
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FEI X ian Οyun①, ZHAN G Zhi Οguo②, G AO X iang Οw ei①③, Q I U J ian Οzhuang①( ①C ollege of Information Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an, 271018; ②College of Re2 sources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai’an, 271018; ③ Institu te of Land Reclamation and Ecological Reconstruc2 t ion, China University of M ining and Technology, Beijing 100083)
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HU X iuΟlin, CHE Long, YE B in (Dep t1 of E1 I1 , Huazhong University of Science and Technology, W uhan 430074, China)
A lgor ithm s of shortest pa th for ra ster network ba sed on map a l2 gebra
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Key words: network analysis; map algebra; shortest path
GUO J inΟla i①, HU Peng② ( ①School of Geodesy and Geomat2 ic, W uhan University, W uhan 430079, China; ② School of Re2 source and Environm ent Science, W uhan University, W uhan 430079, China)
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