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提取地形特征线的正负地貌流水分析法

(信息工程学院计算机系计算机科学与技术专业陈凯辉)
(学号:1999131208)

内容提要:由笔者重新设计的流水分析方法不同于传统的流水分析方法。传统方法通
过区域增长法找到汇水区域,然后找出两个相邻汇水区域的边界作为山脊线。这种方法一来
太复杂,二来它提取的山脊线和实际的也不符。再则,传统方法由于忽略了方向矩阵在引导
跟踪山谷线方面缺乏自适应性。为了克服传统方法的缺陷,笔者致力于一种新的名为正负地
貌流水分析的方法,该方法从纯粹数学角度把山脊线和山谷线等同地处理,同时还充分利用
了方向矩阵,从而提高了自适应能力。
关键词:山脊线、山谷线、地形特征线、流水模拟
教师点评:本文介绍了在数字高程模型(DEM)中自动提取地形曲面特征线的通用算
法,对(文献[8][11][12])提出的流水模拟算法进行了深入的分析与讨论,认为由水流量区
域增长计算得出的合水线(山谷线)包含了整个汇水区域的信息,具有强的健壮性和抗干扰
能力,剖析该方法在山脊线提取、合水线方向跟踪及全局水流量阈值筛选等方面存在的不足;
并提出了新的解决方案,利用山脊线和山谷线一致的几何特征,采用一种新的“正负地貌”
流水分析法,从地貌的负方向将 DEM 模型反转再作流水模拟,解决了原方法在山脊线提取
上的计算复杂问题,同时充分利用方向矩阵提供的流水方向信息,进行合水线搜索的方向跟
踪,从而提高了方法的自适应能力,实验证明,本文提出的算法对地形特征线的识别效果和
计算效率较原方法都有了明显的提高。论文结构合理,思路清晰,提出了问题并解决了问题,
是一篇优秀的毕业论文。(点评教师:张小绵,副教授)
地形特征线是指构成地形骨架的边缘特征,如山脊线、山谷线和断裂线等,而在本文中,
地形特征线专指山脊线和山谷线。从几何方面来讲,它们构成了地形起伏变化的分界线(骨
架线),集中反映了三维地形曲面的变化趋势,所以它们在地形表示方面有着极其重要的作
用。另一方面,山脊线具有分水性,山谷线具有合水性,这一物理特性又使它在工程应用方
面有着特殊的意义。
如何从海量的数字化等高线数据和数字高程模型(DEM)中自动提取山脊(谷)线,
是目前广阔的有关山脊(谷) 线数据的应用领域所提出的迫切要求。在地形辅助导航方面,
提取地形特征线的算法是地形特征相关匹配算法的一个关键的技术环节[1,2]。在自动化数字
地图制图领域,从等高线数据中提取的地形特征线被用于等高线成组综合[3]、等高线高程的
自动推算[4]、高逼真度的地形表示[5,6],等等。在地形数据压缩方面,从 DEM 数据中自动提
取的山脊(谷)线上的点被用于规则格网状的 DEM 数据压缩,保证了地形特征信息在压缩
后不丢失[7]。在水利工程方面,借助地形表面流水模拟法从 DEM 数据中自动提取的山脊(谷)
线被并用于区域地形的水文分析[8,9]和洪水淹没分析[10]。此外,山脊线(谷)线还可用于水
库选址过程中区域集水能力的快速地估计,山体水土保护工程中需要重点保护的脆弱地形的
确定等。
1 提取地形特征线的算法概述
已有的山脊线和山谷线提取算法从其设计原理上可分为两类:基于地形表面几何形态分
析的算法和基于地形表面物理