基于ArcGIS的地性線矢量數據提取

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

DEM中蘊含著豐富的地形結構和特征信息，是定量描述環境變遷、水文過程、生物分布等空間變化過程的基礎數據[1]。地形與地貌是最重要的自然地理要素，對地形的科學表達與分析是地理學核心的研究命題之一，也是測繪學、地圖學及地貌學研究的熱點[2]。地形指標是最基本的自然地理要素，也是對人類的生產和生活影響最大的自然要素[3]。地性線是地貌形態的骨架線，主要包括山谷線和山脊線，其在水土流失、土壤侵蝕、礦產探查等方面有極高利用價值，諸多學者對地性線提取的方法以及精度分析等方面進行過探索和研究。周毅等[4]提出了一種基于正交條帶狀分析窗提取DEM數據矢量山谷線的方法，結合黃土丘陵區實際數據，得到精度較高的提取結果；趙鵬等[5]給出一種利用三次曲面擬合的方法對水平曲率求導，再根據水平曲率及其導數得到山脊線山谷線的方法；易俐娜等[6]利用地形表面幾何形態分析和水文分析的方法提取DEM地性線并與遙感影像地性線的提取結果結合，得到較為滿意的提取結果；Kienzle[7]研究了DEM柵格分辨率對一階、二階及復合地形因子的影響；Erskine[8]探討了DEM高程精度和柵格分辨率對地形屬性的影響，王峰等[9]研究了基于DEM提取的地形因子與水平分辨率的關系。基于DEM的數字地形分析理論逐漸完善，技術方法日趨成熟。

二、DEM地形特征線提取方法

(一)基于地表幾何形態分析方法

該方法利用山脊和山谷的特殊幾何形態規律對其進行提取。基于地表幾何形態分析的算法主要有地形斷面極值法和等高線曲率最大判別法[10]。前者對在地形斷面縱橫兩個方向上進行內插處理，再逐步找出剖面線上的極大和極小值點，對這些候選點進行分析從而提取地性線；后者計算每一條等高線上各點處的曲率值，找出局部曲率最大值點，再對候選點進行分析從而提取地性線。

(二)基于地表流水物理模擬方法

由于山脊線具有分水性，山谷線具有合水性的特點，因此通過地表徑流模擬計算之后，柵格的匯流累積量為零處即為分水線，也就是山脊線，通過對反地形進行同樣方法分析得到的結果即為匯水線，也就是山谷線。

(三)基于圖像處理技術方法

規則格網DEM實際上是一種柵格形式的數據，格網的大小對應著圖像像素的大小，而高程值對應著灰度值，因此可以利用柵格圖像處理的技術來提取地形特征信息[11]。目前常用的方法有移動窗口法、基于地形梯度方向的方法、方向剖面法等方法。

三、水文分析方法提取地性線

本文以我國陰山山脈的部分區域為研究區域，以ArcGIS為平臺，通過水文分析方法提取實驗區的地性線數據。

(一)實驗區概況

陰山山脈是中國北部東西向山脈和重要地理分界線。橫亙在內蒙古自治區中部及河北省最北部，介于東經106°～116°之間，北界大致在北緯42°，屬于溫帶半干旱地區和干旱地區，山頂海拔400米～2000米，山地兩坡不對稱，北坡和緩傾向內蒙古高原，南坡以1000多米的落差直降到黃河河套平原。山地大部由古老變質巖組成，在斷陷盆地中有沉積巖分布。本文提取北緯41.3°～41.4°，東經111.7°～111.9°的區域進行地性線提取實驗。

(二)水文分析方法提取山脊線

1.正負地形提取。首先使用“焦點統計”工具，利用鄰域分析方法以11×11的窗口計算均值，而后利用“柵格計算器”工具，以原始DEM數據減去鄰域分析之后的DEM數據，最后使用“重分類”工具對做減法運算后的結果進行重分類，將大于0的區域賦值為1，其他區域賦值為0，得到正地形，相反將小于0的區域賦值為0，其余區域賦值為1得到負地形數據。

2.匯流量累積量提取。首先利用“填洼”工具使用默認Z值進行洼地填充，以消除錯誤的流向數據，然后基于無洼地使用“流向”工具計算水流方向，所得結果為傳統的D8(八方向法)單流向法結果，最后使用“流量”工具計算匯流累積量，并將匯流累積量為零值的區域進行提取，并使用“焦點統計”工具對其進行均值鄰域分析。

3.設定閾值提取山脊線。通過“等值線”及“山體陰影”工具生成原始實驗數據的等值線圖和暈渲圖，打開鄰域分析后的匯流量為0的數據，在其“符號系統”選項卡中進行重新分類，并以暈渲圖和等值線圖作為輔助判斷，以尋找最佳分類閾值，屬性值越接近于1的柵格越有可能是山脊線的位置，本實驗中選取0.55為最佳閾值。選定閾值后使用“重分類”工具對數據進行重分類，最后利用“柵格計算器”將重分類后的山脊線數據與正地形數據相乘，消除存在于負地形區域中的錯誤山脊線。山脊線提取結果如圖1所示。

四、將提取結果轉為矢量數據

由于矢量數據相較柵格數據而言更便于進行空間分析和屬性的添加、編輯和管理，繼而將提取結果繼而轉換為矢量數據格式。

ArcScan是ArcGIS Desktop的擴展模塊，是柵格數據矢量化的一套工具集，ArcScan使用時該擴展模塊必須被激活，編輯器必須啟動，柵格數據要進行二值化處理，ArcMap中至少要添加一個柵格數據層和一個對應的矢量數據層。

開始編輯后選擇山脊線矢量數據為輸入數據，利用“畫筆”以及“橡皮”工具連接或擦除破碎區域，同時可打開預覽選項查看矢量化結果，完成柵格清理后點擊“矢量化”下拉菜單中的“生成要素”選項，即可獲得山脊線矢量數據，生成的矢量山脊線結果如圖2所示。

五、總結與展望

1.由于提取的柵格地性線數據的線寬并非只有一個像素，不能利用柵格轉線的方式獲取矢量數據，因此利用ArcScan模塊對山脊線進行矢量化，得到更為符合地面實際情況的矢量數據，證明了當數據范圍不大時，利用ArcScan模塊獲取矢量山脊線數據是一個可行的方法。

2.為進一步提高線性體提取的質量和自動化程度，需對進行進一步研究。矢量化過程為半自動矢量化，當數據范圍較大時工作量也較大，因此提出自動追蹤柵格的方法必然是更好的方案，如首先進行矢量化，提取此時矢量化的中間結果，第二步計算每條地性線的長度，并以長度為依據設置山脊線等級，越長的地性線等級越高，第三步計算每條山脊線的方向，并設定連接閾值，若地性線延長閾值距離后連接到更高等級的地性線，則將該地性線連接至高等級的地性線，第四步，設置最短地性線閾值，對第三步的結果進行檢驗，將小于閾值長度的地性線刪除，得到最終矢量化結果。

3.目前對于柵格數據提取地性線的精度缺乏客觀、可執行度高的方法，缺少精度評價的完整體系，依然是需要研究的方向。