第八章 特征地理要素提取
ArcGIS 8 特征地形要素的提取
汇流累计量图
⑸汇流累计量为0值的提取 计算公式：facc0 = (flowacc1 == 0);
汇流累计量为0值的图
山脊线的提取 ⑹在AarcMap中打开facc0，会发现很多地方并 不是山脊线，因此需要对此数据做如下处理： 利用邻域分析的方法，对facc0进行3*3邻域分 析，求均值，使数据变得光滑，处理后的数据 命名为:neiborfacc0；
洼地填充
洼地填充后的图像
⑶ 基于无洼地的水流方向的计算
选择输入表面栅格数据：fildem;命 名输出栅格数据的文件名： flowdirfill,并选择保存路径。
流向图flowdirfill
⑷ 汇流累计量的计算
选择flowdirfill作为输入的水流方向 数据；输出数据命名为：flowacc1
2）提取等高线
提取的等高线
山体阴影
二值化处理
对邻域分析后的数据重新分级
0.5541
对重新分级后的数据重分类
将进行过二值化处理的 neiborfacc0进行重分类为 Reneibor，将入属性值接 近1的那一类的属性值赋 值为1，其余的赋值为0；
消除负地形区域中的错误
最终提取的山脊线
8 特征地形要素的提取 正负地形的提取
⑴在ArcMap中加载实验区的DEM数据。
⑵在ArcToolbox中 选择统计工具
⑵ 利用邻域分析方法以11*11的窗口计算平 均值。计算结果命名为meandem。
打开统计工具
Meandem
⑶ 在ArcToolbox中选择栅格计算工具
Ｂ为计算出的正地形栅格数据
重分类
⑷在ArcToolbox中选择重分类工具,对运 算结果进行重分类，分级界线为0。将大 于0的区域赋值为1(即为正地形)，小于0 的区域赋值为0，命名为ZDX，另一次将 小于0的区域赋值为1(即为负地形)，大于 0的区域赋值为0，命名为FDX。
地图编制中的地理要素提取与特征提取
地图编制中的地理要素提取与特征提取地理要素提取和特征提取在地图编制中起着至关重要的作用。
地图编制是指将地理信息转换为可视化的地图形式，这需要对地理要素进行提取和特征提取。
本文将介绍地图编制中的地理要素提取和特征提取的概念、方法和应用。
地理要素提取指的是从原始地理数据中提取出具有特定含义和价值的地理要素。
地理要素可以是河流、湖泊、山脉、道路、建筑物等。
地理要素提取的目的是将地理现象转化为图形和属性数据，以便在地图上呈现出来。
地理要素提取的方法主要有人工解译、基于遥感影像的自动识别和基于地理信息系统的数据处理等。
人工解译是最早也是最常用的地理要素提取方法之一。
它依靠专业人员对遥感影像进行目视解译，通过观察和判断识别出不同的地理要素。
虽然这种方法需要耗费大量时间和人力，但由于人的直观感知和专业知识，可以提取出高质量的地理要素。
近年来，随着遥感技术的发展，基于遥感影像的自动识别成为地理要素提取的重要方法。
这种方法利用计算机算法和数学模型，对遥感影像进行图像分割、特征提取、分类等步骤，自动提取出地理要素。
其中，图像分割是将遥感影像划分为不同的区域，特征提取是对每个区域提取特定的属性，分类是将每个区域归类为相应的地理要素。
这种方法具有快速、准确、大规模处理的优势，能够提高地理要素提取的效率和精度。
地理特征提取是在地理要素提取的基础上，对地理要素进行进一步的属性提取和描述。
地理特征包括形状特征、空间关系特征、属性特征等。
形状特征描述地理要素的形状、大小、比例等特征，空间关系特征描述地理要素之间的相对位置和空间关系，属性特征包括地理要素的属性信息，如高程、土壤类型、土地利用等。
地理特征提取可以通过空间分析和地理信息系统等方法实现。
地理要素提取和特征提取在地图编制中有着广泛的应用。
首先，它们是制作地理数据库和地图的重要环节。
地理数据库是包含丰富地理要素和特征的空间数据库，可以为地理信息系统、城市规划、环境监测等领域提供数据支持。
第八章 特征地形要素的提取
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。
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 形特征线存在差异。
• 3、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
• 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 ）
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
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
ArcGIS DEM_8.4特征地形要素提取
河网分级的生成
河网分级是对一个线性的河流网络以数字标识 的形式划分级别。在地貌学中，对河流的分级是根 据河流的流量、形态等因素进行。不同级别的河网 所代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流累积量 越大，一般是主流，而级别较低的河网一般则是支 流。在ArcGIS的水文分析中，提供两种常用的河网 分级方法：Strahler分级和Shreve 分级。
Strahler分级
如图8.26所示，Strahler分级是将所有河网弧 段中没有支流河网弧段定为第1 级，两个1级 河网弧段汇流成的河网弧段为第2级，如此下 去分别为第3级，第4 级，……，一直到河网 出水口。在这种分级中，当且仅当同级别的两 条河网弧段汇流成一条河网弧段时，该弧段级 别才会增加，对于那些低级弧段汇入高级弧段 的情况，高级弧段的级别不会改变；
(2)独立洼地区域的填平
洼地区域中只有一个谷底点，并且该点的8个 邻域点中没有一个是该洼地区域的边缘点。 填平的方法是按水流的反方向采用区域增长 算法，找出独立洼地区域的边界线，即水流 流向该谷底点的边界线。在该洼地边缘线上 找出最小高程点。将独立洼地区域内所有高 程小于该点的值都用这个点的高程值替代。
(3) 栅格河网的形成
利用【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】
可得到栅格河网。其思想是利用所设定的阈值 对整个区域分析并生成一个新的栅格图层，其 中汇流量大于阈值的栅格设定为1，而小于或 等于阈值的栅格设定为无数据。将计算出来的 栅格河网命名为streamnet；
栅格河网矢量化
流域分割操作
(1)在ArcMap里加载水流方向数据fdirfill和栅 格河网数据streamnet； (2) 在ArcToobox中选择
【Spatial Analyst】|【水文分析】|【河流连接】， 打开河流连接工具（图8- 24)；
特征提取在地理信息系统中的应用(Ⅲ)
地理信息系统（GIS）是一种将地理空间信息与属性数据相结合的技术，可以用来分析和展示地理空间数据。
在GIS中，特征提取是一个重要的步骤，它可以帮助用户从地理空间数据中提取出有意义的特征，以便进行进一步的分析和应用。
一、特征提取的概念和意义特征提取是指从原始数据中提取出具有特定意义和特征的信息。
在GIS中，特征可以是地形、土地利用、水文、交通等各种地理现象和对象。
通过特征提取，可以将这些复杂的地理空间数据转化为便于分析和应用的形式，帮助用户更好地理解和利用地理信息。
二、特征提取的方法在GIS中，特征提取可以采用多种方法，其中最常见的包括图像处理、遥感技术和地理数据挖掘。
图像处理技术可以通过对地理影像进行分割、分类和识别，提取出各种地理特征，如建筑物、道路、植被等。
遥感技术则可以通过获取遥感影像数据，利用遥感图像的光谱、空间和时间信息，提取出地表的各种地理特征。
地理数据挖掘则可以通过对地理数据进行聚类、关联分析和空间模式挖掘，发现其中的潜在特征和规律。
三、特征提取的应用特征提取在GIS中具有广泛的应用，其中最主要的包括地形分析、土地利用规划、环境监测和资源管理等方面。
在地形分析中，特征提取可以帮助用户提取出地形的高程、坡度、坡向等特征，用于地形测量和地形建模。
在土地利用规划中，特征提取可以帮助用户提取出土地利用类型、分布和变化情况，用于土地规划和管理。
在环境监测中，特征提取可以帮助用户提取出环境污染、植被覆盖、水资源等特征，用于环境监测和保护。
在资源管理中，特征提取可以帮助用户提取出矿产资源、林地资源、水资源等特征，用于资源开发和管理。
四、特征提取的挑战和展望虽然特征提取在GIS中有着广泛的应用，但是在实际应用中也面临着一些挑战。
其中最主要的挑战包括数据质量、算法精度和计算效率等方面。
数据质量是特征提取的基础，而地理空间数据往往具有多源、多尺度、多时相的特点，数据质量的不确定性和复杂性给特征提取带来了很大的困难。
ArcGIS实验操作(八)---地形特征提取
ArcGIS实验操作（八）地形特征信息提取数据：在data/Ex8/文件下·dem：分辨率为5米的栅格DEM数据。
·Result文件夹：·shanji：提取的山脊线栅格数据；·shangu：提取的山谷线栅格数据；·hillshade：地形晕渲图。
要求：利用所给区域DEM数据，提取该区域山脊线、山谷线栅格数据层。
操作步骤：1.加载DEM数据，设置默认存储路径，使用空间分析模块下拉箭头中的表面分析工具，选择坡向工具（Aspect），提取DEM的坡向数据层，命名为A。
该DEM的坡向数据如下图所示：提取A的坡度数据层，命名为SOA1。
3.求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H：由此可见该最大高程值H为1153.79 使用栅格计算器，公式为（H－DEM），求反地形DEM数据如下：反地形DEM数据层calculation如下（可与原始DEM相比较）：4.基于反地形DEM数据求算坡向值反地形DEM数据层calculation的坡向数据如下：5.提取反地形DEM坡向数据的坡度数据，记为SOA2，即利用SOA方法求算反地形的坡向变率。
6.使用空间分析工具集中的栅格计算器，求没有误差的DEM的坡向变率SOA，公式为SOA=(([SOA1]+[SOA2])－Abs([SOA1] －[SOA2]))/2其中，Abs为求算绝对值，可点击右下侧将其查找出来。
没有误差的DEM的坡向变率SOA如下图所示：7.再次点击初始DEM数据，使用空间分析工具集中的栅格邻域计算工具（NerghborhoodStatistics）；设置统计类型为平均值（mean）邻域的类型为矩形（也可以为圆），邻域的大小为11×11（这个值也可以根据自己的需要进行改变），则可得到一个邻域为11×11的矩形的平均值数据层，记为B。
8.使用空间分析工具集中的栅格计算器，求算正负地形分布区域，公式为C = [DEM]－[B]。
出版社版 第8章 特征地形要素的提取
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1
主要内容
地形特征点的提取 山脊线、山谷线的提取 沟沿线的提取 水系的提取 流域的提取 可视性分析
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2
1. 地形特征点的提取
山顶点（peak） 凹陷点（pit） 脊点（ridge） 谷点（channel） 鞍点（pass） 平地点（plane）等
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3
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4
2. 山脊线、山谷线的提取
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17
水流方向及水流累积量的确定
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18
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19
h
20
5. 流域的提取
原始DEM数据
经填充后的无洼地DEM
提取的水流方向
h
提取的水流累积量
21
水流积累量大于100的沟壑网络
水流积累量大于500的沟壑网络
水流积累量大于2000的沟壑网络
水流积累量大于5000的沟壑网络
h
22
提取的等高线与提取的流域
h
8
基于地形表面几何形态分析和流水物理模拟 分析相结合的算法
概略DEM的建立 地形流水物理模拟 概略地形特征线提取 地形几何分析 地形特征线精确确定。
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9
平面曲率与坡位组合法
利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负 地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负 地形上平面曲率的大值为山谷
h
10
提取的水系与流域
水流积累量大于2000的小流域 h
水流积累量大于500的小流域
23
6. 可视性分析
两点之间的可视性
A′
A-A′间的通视情况示意
h
24
A′
A-A′两点间的通视剖面图 深色实线条为可视区，浅色虚线为不可视区
第八章 特征提取
第八章特征表示与描述图像分析系统的构成特征表示与描述特征表示与描述的基本概念表示法设计边界描述子关系描述子特征表示与描述的基本概念基本概念特征表示与描述的定义：把图像分割后，为了进一步的处理，分割后的图像一般要进行形式化的表达和描述解决形式化表达问题一般有两种选择：1）根据区域的外部特征来进行形式化表示2）根据区域的内部特征（比较区域内部的象素值）来来进行形式化表示特征表示与描述的基本概念基本概念外部特征来进行形式化表示举例：特征表示与描述的基本概念基本概念选择表达方式，要本着使数据变得更有利于下一步的计算工作。
下一步工作是基于所选的表达方式描述这个区域，一般情况下：1）如果关注的焦点是形状特性，选择外部表示方式2）如果关注的焦点是反射率特性，如颜色、纹理时，选择内部表示方式3）所选表示方式，应该对尺寸、变换、旋转等变量尽可能的不敏感特征表示与描述:表示法设计表示法设计链码多边形逼近外形特征边界分段区域骨架特征表示与描述:表示法设计 链码定义：1）链码是一种边界的编码表示法。
2）用边界的方向作为编码依据。
为简化边界的描述。
一般描述的是边界点集。
0123014672354-链码8-链码特征表示与描述:表示法设计4-链码：000033333322222211110011特征表示与描述:表示法设计链码算法：给每一个线段边界一个方向编码。
有4-链码和8-链码两种编码方法。
从起点开始，沿边界编码，至起点被重新碰到，结束一个对象的编码。
特征表示与描述:表示法设计链码问题1：1）链码相当长。
2）噪音会产生不必要的链码。
改进1：1）加大网格空间。
2）依据原始边界与结果的接近程度，来确定新点的位置。
特征表示与描述:表示法设计链码举例：4-链码：003332221101特征表示与描述:表示法设计链码问题2：1）由于起点的不同，造成编码的不同2）由于角度的不同，造成编码的不同 改进2：1）从固定位置作为起点(最左最上)开始编码2）通过使用链码的首差代替码子本身的方式特征表示与描述:表示法设计链码循环首差链码：用相邻链码的差代替链码例如：4-链码10103322 循环首差为：33133030循环首差：1 -2 = -1(3) 3 -0 = 30 -1 = -1(3) 3 -3 = 01 -0 = 12 -3 = -1(3)0 -1 = -1(3) 2 -2 = 0特征表示与描述:表示法设计链码应用背景：如果边界的本身对于旋转和比例修改来说是无变化的，使用链码才是正确的。
8.数字地形分析及特征提取
坡度、坡向(一)
1. 坡度：
地球表面在该点的倾斜程度； 矢量数据； 模＝地表曲面函数在该点的切 平面与水平面夹角的正切。
2. 坡向：
坡度、坡向(二)
计算方法: 拟合曲面法 (3 X 3窗口)
坡度：
坡向：
表面积、投影面积、体积
1. 表面积：
2. 投影面积：
3. 体积： 三棱柱： 四棱柱：
地面日照度
DEM看作一个或多个函数的和。实际上许多地形因 子就是从这些函数中推导而出的。如果对函数求一阶导 数并进行组合，则可得到一系列的因子值如坡度/坡向、 变差系数、变异系数等函数；如果求二阶导数并进行组 合则可得坡度变化率、坡向变化率、曲率、凸凹系数等 函数。从理论上说，还可以继续求三阶、四阶等更高阶 的导数直到无穷阶以派生更多的地形因子，但在实际应 用中，对DEM进行高于二阶的求导意义已经很小，至少 到目前为止还没有探讨过高于二阶的应用价值。
应用示例
应用示例
二. DEM地形特征提取
地形特征提取
地形特征点：山峰、谷底、鞍部点等 地形特征线：山脊线、山谷线等
水系特征提取
分水线：类似山脊线 合水线：类似山谷线
特征提取算法
基于格网DEM的特征提取
1) 2) 3) 4) 基于图像处理 基于地形曲面几何分析 基于地形曲面流水物理模拟分析 2）和3）分析方法的综合
凹陷区域是指四周高、中间低的栅格单 元。考虑到由于地形等多种因素，可能该 单元在实际地形中同样是一个凹陷区域， 所以在确定凹陷区域时要有一个误差范围 值。因此凹陷区域是指四周高、中间低的 栅格单元，并且该单元的下陷值在指定的 范围内。如果超出该范围则该点不为由误 差产生的下陷点。凹陷地，采用常规的方 法，即将洼地内所有栅格单元垫高至洼地 周围最低栅格单元的高程。
ENVI提取地形特征要素
ENVI 实验六基本地形因子提取一、实验目的1熟悉ENVI软件能够从 DEM 中提取地形特征。
2掌握DEM提取地形特征的方法。
二、实验要求完成运用ENVI 进行从 DEM 中提取地形特征，包括山顶、山脊、平原、水平面、山沟和凹谷。
三、实验仪器每人计算机一台。
四、实验内容1在 Toolbox中，启动/Terrain/Topographic Features，在Topographic Feature Input DEM对话框中，选择DEM.tif 文件，点击OK，打开 Topographic Features Parameters 对话框，需要设置一些参数。
（1）坡度容差：1。
以度为单位；（2）曲率容差：0.1；（3）地形核大小：7。
2在 Select Feature to Classify 列表中选择所有的地形特征。
3选择输出路径及文件名，单击 OK 执行地形特征提取。
4通视域分析：使用 Viewshed Analysis Workflow 工具，设置点、线、面作为观测源进行可视域分析。
将通视分析结果输出为矢量和图像结果有三种方法：（1）点观测源a. 在 Toolbox 中，启动/Terrain/Viewshed Analysis Workflow，打开文件选择面板 File Selection；b. 分别选择对应的文件 DEM File：DEM.tif；Image File：Orthoimagery.tif，单击 Next进入Viewshed Analysis 面板；c.在 Viewshed Analysis 面板中，设置以下几个参数：可视距离Default View Range：1000可视高度Default View Height：100d.默认鼠标的状态是绘制“点注记”，在正射影像上绘制几个观测点。
如果鼠标当前状态是其他，可在工具栏中选择对应的工具绘制：，绘制4 个点；e.选择 Any Source （四个观测点的并集），勾选 Preview预览结果，红色表示可视区域，黑色表示不可视区域；f.分别选择All Sources（四个观测点的交集），预览结果；g.单击Next进入Viewshed Export面板，可以将通视分析结果输出为矢量和图像结果。
第8章 特征地理要素提取
2.计算可视域的算法 在规则格网DEM中，可视域经常是以离散的形式 表示，即将每个格网点表示为可视或不可视，这 就是“可视矩阵”。 计算基于规则格网DEM的可视域，一种简单的方 法就是沿着视线的方向，从视点开始到目标格网 点，计算与视线相交的格网单元(边或面)，判断相 交的格网单元是否可视，从而确定视点与目标视 点之间是否可视。
基于地表径流漫流模型的水系提取方法
四个基本问题：
洼地的处理 平地的处理 水流方向及水流累积量的确定 水道起始位置的确定
（1）DEM洼地填平（fill)
由于数据噪声、内 插方法的影响， DEM数据中常常 包含一些“洼 地”，“洼地” 将导致流域水流 不畅，不能形成 完整的流域网络。
沟壑：利用DEM首先提取沟坡地上的切沟与冲沟，并以 此构建缓冲区，再作等值连接，即形成沟沿线。
高程变异：基于沟沿线的数学特征，引入边缘检测算子，检 测反映沟沿线两侧高程变化的候选点，借助形态学方法把这些 候选点连接成线段，再通过滤除细碎线段，最终生成沟沿线。
8.4 水系的提取
水系提取的有关概念： 集水流域、集水出口、子流域、分水岭、水流网络
汇流累积量提取
2 2 1 128 2 1 2 2 1 128 2 1 2 2 2 1 1 1 4 4 4 2 4 1 4 4 8 4 4 4 8 8 4 8 4 16
0 0 0 0 0
0 1 3 0 0
0 1 7 0 0
0 2 5 20 1
0 2 4 0 24
0 0 0 1 0
0
2
4
7
35
2
水流方向ห้องสมุดไป่ตู้阵 32 16 8 64 K 4 128 1 2
该方法也存在以下两个明显的缺陷： 由于该算法所计算的汇水量与汇水量小，高程值小的 地形特征线上的点的汇水量大。因此，可能导致低处 非地形特征线上的点的汇水量也较大而被误认为地形 特征线上的点；而位于高处的地形特征线上的点会因 为汇水量小而被排除；这就造成用该算法所确定的地 形特征线（汇水线）的两端效果很差。 由于该算法降格汇水区域的公共边界视为分水线，因 此它所确定的分水线均为闭合曲线，这与实际的地形 特征线（山脊线）不符。
arcgis特征地形要素提取
山文本框中填写反地形 的计算公式：Abs (dem-H) 其中H为DEM最大高程值。 输出为“反地形dem” 再由生成的“反地形dem” 进行填洼操作，设置输出路 径，如图。 剩下操作和生成山脊线操作 基本类似。 依次进行流向，流量，汇流 累积量零值的提取，在进行 相应的邻域分析，重分类等 操作。 最终结果如图。
演示结束
特征地形要素提取
测绘121 吴旭祥
山脊线的提取
首先，打开ArcMap， 并载入DEM。 填洼：依次点击 ArcToolBox的Spatial Analyst工具，水文， 填洼，载入DEM并设 置输出名称，点击确定 流向：再点击Spatial Analyst工具的流向， 载入“填洼”，输出为 “流向”。 流量：点击Spatial Analyst工具的流量， 载入刚才的“流向”， 设置输出为“流量”
山脊线的提取
打开Spatial Analyst工 具的栅格计算器。 输入“流量”=0，输 出为“流量0”。计算 结果为所有的汇流累积 量为 0 的栅格。 结果如图。 如果获取的山脊线比较 杂乱，不是很准确，可 以采用领域分析的方法 进行处理。 在进行相应的重分类， 把山脊线数据逼近到 “1”。 再通过表面分析生成 “晕渲图”，与山脊线 相互叠加。最终结果如 图。
ArcGIS DEM_8.5.3 特征地形要素提取之可视性分析
图8.36
阴影图示例
图 8.37
3.阴影化
通过阴影建模工具（在图8.36中勾选“模拟阴影”)， 可以计算出某一特定光照条件下区域内处于其他栅格 单元阴影中的那一部分栅格，它们会被赋值为0，通过 空间分析的重分类(Reclassify)方法可对阴影区和非阴 影区分别赋值生成二值图像。 图8.38 所示区域经过上述处 理后可得阴影二值图。
图8.28
视点分析
(1)选择输入的DEM数据。 (2)输入观察点要素，用于识别观察点位置的 点要素类，允许的最大点数为16。 (3)设置输出栅格位置和名称。输出的栅格将 精确记录从各栅格表面位置进行观察时可见 的观察点。 图8.29即为用10个观测点做得视点分析， 图8.29(a)为输出栅格，图8.29(b)为使用查询 工具查询任一位置的信息，其中记录了观察 这10个点时，可以看见的点（值为1的点)。
，打开视线瞄准线
图8.27
通视分析步骤
(4) 设置完后敲回车键； (5) 在地形表面上分别点击确定观测者和目 标点位置。出现通视线，红色表示不可视、绿 色为可视。
2.视点分析
利用视点分析可以识别从各栅格表面位置进行 观察时可见的观察点，即每一个栅格记录了能 够看到的观察点，此工具可以用于观测哨的位 置选址。 选择【3D Analyst】|【可见性】|【视点分析】， 弹出视点分析对话框（图8.28)。
(a) 图8.31 (b)
8.5.4 提取断面
在工程（如公路、铁路、管线工程等）设 计过程中，常常需要提取地形断面，制作剖面 图。例如，在规划某条铁路时需要考虑线路上 高程变化的情况以评估在其上铺设轨道的可行 性。 剖面图表示了沿表面上某条线前进时表面 高程变化的情况。剖面图的制作可以采用该区 域的栅格DEM、TIN表面或Terrain数据集。 首先在ArcMap 中添加数据，然后在3D Analyst工具条上选择该数据（图8. 32)。
第八章地形要素的提取
2014-3-7
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Thank you for watchiห้องสมุดไป่ตู้g
谢谢观看
17
5）计算零值汇流累积量提取数据 flowacc0fan：
3）计算水流方向数据 flowdirfan：
2014-3-7
6）对 flowacc0fan 进行均值 3×3 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。
2014-3-7
7）消除了那些存在在负地形区域中的错误的山脊线： spatial analyst/ raster calculator 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。
4）计算最大值：Spatial Analyst/ Neighborhood Statistics
2014-3-7
5）提取山顶点区域：Spatial Analyst/ Raster Calculator...
7）输出山顶点数据： Spatial Analyst/ Convert/ Raster to features....
2
一、地形特征点的提取
3
效 1、山顶点的提取：
果 图dem-grid，设置工作环境： 1) 加载数据 ：
3)掩膜处理：spatial analysis /raster calculator： (对话框中输入 back = [dem-grid] >= 0)
2）提取等高线：Spatial Analysis / surface analysis /contour：
地理信息科学实验：地形特征点的提取
操作方法：
（1）进行邻域分析，求取最大值。 分析窗口设为17。
（具体的分析范围根据地貌类型有所变化，地形破 碎的区域，分析窗口应适当缩小，地形平坦的区 域，分析窗口应适当扩大）
（2）栅格计算并重分类（0即1，其余为 Nodata）。
（3）由于有平顶山的存在，使得部分区域呈现山 顶点聚集状态。
Conversion Tool—From Raster—Raster to Polygon
（4）多边形转为点。
Data management tools—Features— Feature to point
（5）由于邻域分析范围为17*17，则边界部分生 产的山顶点未必为真实山顶点，需手工去除。
2. 鞍部点的提取
2、流域转换为栅格的山脊线
栅格——面——线——栅格——值改为1
3、提取山脊线的高程值，并进行邻域分析求最低 处（候选鞍部点）
山脊线的高程值——邻域分析——候选鞍部点4、计Βιβλιοθήκη 正地形邻域分析——正地形计算
5、鞍部点的计算
[候选鞍部点]*[正地形]==0
6、提取鞍部点，并转化为矢量点
实验7-1：地形特征点的提取
实验内容：
一、地形特征点的提取
山顶点 鞍部点 径流节点
二、地形结构线的提取
山脊线 沟沿线
回顾：1. 山顶点的提取
山顶点：指山的最高点 提取思路：
• 首先，进行邻域分析，提取分析范围内的最大 值作为当前栅格值； • 然后，运用栅格计算，将邻域分析结果减去原 始DEM，若结果为0，则说明该栅格是分析窗口 内的最大值，即山顶点。
两个山脊和两个山谷会合的 地方
怎样提取鞍部点？ 山脊线和山谷线的叠置是否可以？
第八章 特征地形要素的提取
（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：对角线方向
2/4
格网间距；其他方向1/2倍格网间距
p Freeman（1991）坡度指数的流量分配公式： F (tan i ) i n (tani ) p i 1
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。
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。
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。
地形特征信息提取(山脊线、山谷线提取)实验要求
实验项目名称：地形特征信息提取（山脊线、山谷线提取）1、背景地信特征要素，主要是指对地形对地表的空间分布特征具有控制作用的点、线或面状要素。
特征地形要素构成地表地形与起伏变化的基本框架。
特征地形要素的提取更多地应用较为复杂的技术方法，如山谷线、山脊线等的提取采用了全局分析法，成为栅格数据地学分析中很具特色的数据处理内容。
自动提取山脊线和山谷线的主要方法都是基于规则格网DEM数据的，算法有多种，其中，平面曲率与坡形组合法方法简便，效果好。
该方法基本处理过程为：首先利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上平面曲率的大值为山谷。
实际应用中，由于平面曲率的提取比较繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。
因此，提取过程中可以SOA代替平面曲率。
2、目的通过本实例，使学生掌握山脊线和山谷线这两个基本地形特征信息的理论及其基于DEM的提取方法与原理。
同时，熟练掌握利用ArcGIS软件对这两个地形特征信息的提取方法。
3、数据某区域栅格DEM。
4、要求利用所给区域DEM数据，提取该区域山脊线、山谷线栅格数据层。
补充资料：1、坡度变率：地面坡度变率，是地面坡度在微分空间的变化率，是依据坡度的求算原理，在所提取的坡度值的基础上对地面每一点再求算一次坡度，即坡度之坡度（Slope of Slope，SOS）。
坡度是地面高程的变化率的求解，因此，坡度变率表征了地表面高程相对于水平面变化的二阶导数。
2、反地形DEM数据：求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H，通过公式（H-DEM），得到与原来地形相反的DEM数据层，即反地形DEM数据。
3、地面坡向变率：是指在提取坡向基础上，提取坡向的变化率，亦即坡向之坡度（Slope of Aspect，SOA）。
它可以很好地反应等高线弯曲程度。
地面坡向变率在所提取的地表坡向矩阵的基础上沿袭坡度的求算原理，提取地表局部微小范围内坡向的最大变化情况。
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（4）基于地形表面几何形态和流水物理模拟分析的算法 基本思路是：首先采取较稀疏的 DEM 格网数据，按流水物 理模拟算法去提取区域内概略的地形特征线；然后用其引 导，在其周围邻近区域对地形进行几何分析，来精确的确 定区域的地形特征线。 关键步骤：求出已提取的概略的地形特征线与 DEM 格网线 的交点，在该交点附近的一个小区域内，对 DEM 数据进行 几何分析，即找出该区域内与概略的地形特征线正交方向 地形断面上高程变化的极值点，该点即为地形特征线的精 确位置。 基本过程：1）概略DEM的建立；2）地形流水物理模拟； 3） 概略地形特征线提取；4）地形几何分析；5）地形特征线 精确确定。
该方法也存在以下两个明显的缺陷： 由于该算法所计算的汇水量与汇水量小，高程值小的 地形特征线上的点的汇水量大。因此，可能导致低处 非地形特征线上的点的汇水量也较大而被误认为地形 特征线上的点；而位于高处的地形特征线上的点会因 为汇水量小而被排除；这就造成用该算法所确定的地 形特征线（汇水线）的两端效果很差。 由于该算法降格汇水区域的公共边界视为分水线，因 此它所确定的分水线均为闭合曲线，这与实际的地形 特征线（山脊线）不符。
（ 5 ）利用 Neighborhood Statistics 模块进行领域单元的 统计，提取分析窗口最大值。
（6）利用栅格计算模块，提取山顶点区域。主要采用 maxpoint-DEM=0。
8.2 山脊线、山谷线的提取 8.2.1谷脊特征线提取方法概述
山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线，它对于地形研究有 重要意义。
（2）基于地形表面几何形态分析原理的算法 典型算法就是断面极值法。其基本思想就是地形断面曲 线上高程的极大值点就是分水点，而高程的极小值点就 是汇水点。 该方法的基本过程为： 找出 DEM 的纵向与横向的两个断面上的极大、极小值点， 作为地形特征线上的备选点； 根据一定的条件或准则将这些备选点划归各自所属的地 形特征线。
对于水文物理过程研究而言，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。 已有的自动提取山脊线和山谷线的方法，按照使用的数据大致可以 分为三种： 基于数字化等高线数据的方法； 基于规则格网DEM数据的方法； 基于Delaunay三角网和Voronoi数据的方法； 从算法设计原理上来分，大致可以分为以下四种： 基于图像处理技术的原理； 基于地形表面几何形态分析的原理； 基于地形表面流水物理模拟分析原理； 基于地形表面几何形态分析和流水物理模拟分析相结合的原理。
由于这种方法对地形特征线上点的判定与其所属的地形 特征线的判定是分开进行的，在确定地形特征线时，全 区域采用一个相同的曲率阈值作为判定地形特征线上点 的条件。因此它忽略了每条地形特征线必然存在的曲率 变化现象。当阈值选择较大时，会丢失许多地形特征线 上的点，导致后续跟踪的地形特征线间断且较短；如果 选择过小，会产生地形特征线上点的误判，给后续地形 特征线的跟踪带来困难。
沟壑：利用DEM首先提取沟坡地上的切沟与冲沟，并以 此构建缓冲区，再作等值连接，即形成沟沿线。
高程变异：基于沟沿线的数学特征，引入边缘检测算子，检 测反映沟沿线两侧高程变化的候选点，借助形态学方法把这些 候选点连接成线段，再通过滤除细碎线段，最终生成沟沿线。
8.4 水系的提取
水系提取的有关概念： 集水流域、集水出口、子流域、分水岭、水流网络
（1）加载DEM
（2）生成间隔为15米的等高线
（3）生成间隔为75米的等高线
（ 4 ）利用 Hillshade 模块提取光照晕渲图，作为等高线的背景。 如果需要还要进行有效数据的提取，主要采用 DEM>=0 的办法进 行低洼地的排除。然后按照 15 米、 75 米等高线、山脊阴影文件 的顺序进行排序。
思考题
1.什么是特征地形要素？其在地形分析中具有什么作用？ 2.山脊线、山谷线的提取方法有哪些？ 3.说明基于栅格DEM提取沟谷、水系的原理与技术路线， 该方法的主要优缺点是什么？ 4.对比有洼地填充和无洼地填充所提取的水系的差异。
由于该方法只选择纵、横两个断面来去确定高程变化的 极值点，因此它所确定的地形特征线具有一定的近似性， 与实际的地形特征线有一定的差异，有时候还会出现遗 漏。 这种算法存在两个主要缺陷：
（3）基于地形表面流水物理模拟分析原理的算法 这种算法的基本思想是：按照流水从高至低的自然规律， 顺序计算每一栅格点上的汇水量，然后按汇水量单调增加 的顺序，由高到低找出区域中的每一条汇水线。根据得到 的汇水线，通过计算找出各自汇水区域的边界线，就得到 了分水线。 这一算法采用了DEM的整体追踪分析的思路与方法，分 析结果具有系统性好，还便于进行相应的径流成因分析。
基于地表径流漫流模型的水系提取方法
四个基本问题：
洼地的处理 平地的处理 水流方向及水流累积量的确定 水道起始位置的确定
水流方向及水流累积量的确定
8.5 流域的提取
8.6 可视性分析
两点之间的可视性
可视性分析最基本的用途
可视查询 地形可视结构计算（即可视域的计算） 水平可视计算
第八章 特征地理要素提取
提纲
地形特征点的提取
山脊线、山谷线的提取
沟沿线的提取 水系的提取 流域的提取 可视性分析
8.1
地形特征点的提取
地形特征点主要包括用 DEM 提取地形特征点，可通过 3*3或者更大的栅格窗口， 通过中心格网点与8个邻域格网点的高程关系来进行判断和 获取。即在一个局部区域内，用x方向和y方向上关于高程z 的二阶导数的正负组合关系来判断。
（5）平面曲率与坡位组合法
即首先利用 DEM 数据提取地面的平面曲率及地面的正负 地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上 平面曲率的大值为山谷。 该种方法提取的山脊、山谷的宽度可由选取平面曲率的 大小来调节，方法简便效果好。
8.3 沟沿线的提取
沟沿线是黄土高原地貌最重要的一条地形特征线。利用 DEM 提取沟沿线方法的核心是利用沟间地和沟坡地在形态与成因 上的差异性进行提取。 坡度：沟间地和沟坡地在坡度上存在明显差异。 剖面曲率：沟沿线与大剖面曲率值的黑色条带呈很好的吻合。
8.2 山脊线、山谷线的提取 8.2.2谷脊特征线提取算法
（1）基于图像处理技术的原理的算法
采用各种滤波算子进行边缘提取。 这种方法提取山脊山谷线的主要过程有两步： 首先提取地形特征点（山脊点、山谷点、鞍点等）； 将特征点连成地形特征线（山脊线、山谷线）； 该方法存在两个主要缺陷： 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为困难。