测绘工程专业毕业设计（论文）山谷（脊）线的提取方法研究.doc

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1、山谷（脊）线的提取方法研究作者姓名 XXX 专业 测绘工程 指导老师 XXX摘 要近年来对DEM的研究，主要是从其中提取需要的有用信息，其中山脊线与山谷线这类重要的地形信息是近几十年来国内外研究比较热门的方向。论文首先介绍了ArcGIS关于山谷线山脊线的提取原理与步骤，然后又引入TauDEM软件，着重介绍了其关于山脊线与山谷线提取的原理，包括8方向（D8）流水方向计算以及D8有效邻域分析的原理与实现方法。通过对负地形的生成、水流方向上洼地提取及填充、选择合适的阈值、D8水流方向的计算理论、D8有效邻域的分析与处理等的研究，提出用计算汇流量的原理提取等高线。然后通过二值化舍去非山谷（脊）线的数据

2、信息，即可得到清晰的山谷(脊)线。关键词：数字高程模型，地形分析，山谷（脊）线，水流方向Study On Methods of Valley ( Ridge) Lines ExtractionAbstract：In recent years, the research based on DEM are mostly about extracting useful information from it,and extracting valley (ridge) lines is one of the most extensive direction both at home and abroa

3、d.Firstly,the article gives a detailed description of the extracting principles and steps on ArcGIS,and then describes the TauDEM software,which emphatically introduces the principle of the extraction, including eight directions (D8) water computing as well as analysis and realization methods of the

4、 D8 contribution area. This paper mainly studies the generating of the negative terrain,the extraction and filling of Depression in the direction of flow,choosing a suitable threshold to determine the accuracy of grid data and suitability,the calculation of the D8 flow, and the analysis of the D8 co

5、ntribution areas,thus proposing a new principle to extract the valley (ridge) lines based on calculating the flow.Then binaries and eliminats non-data of valley (ridge) lines.Finally we can get the sharp-edged valley (ridge) lines.Key words: Digital Elevation Model , Terrain Analysis，TauDEM ，Valley

6、(Ridge) Line , The Direction Of Flow目 录第1章 前言11.1 山谷（脊）线提取的目的和意义11.2 山谷（脊）线提取技术的研究现状21.3山谷（脊）线提取的主要方法分类41.4本文研究内容及方法5第2章 基于ARCGIS的山谷（脊）线提取方法62.1 ArcGIS软件简介62.2 ArcGIS山谷（脊）线提取的基本原理62.3 ArcGIS山谷（脊）线提取的方法步骤7第3章 基于TAUDEM的山谷（脊）线提取方法173.1 TauDEM软件简介173.2 TauDEM山谷（脊）线提取的基本原理183.3 TauDEM山谷（脊）线提取的方法步骤20第4章 山

7、谷（脊）线提取结果的对比分析264.1 TauDEM与ArcGIS山谷（脊）线提取结果对比分析264.2 TauDEM山谷（脊）线提取结果优势总结284.3 ArcGIS与TauDEM的结合处理29结论31致谢33参考文献34第1章 前言1.1 山谷（脊）线提取的目的和意义山谷线和山脊线是重要的地形特征信息，对地形及其相关领域的研究有重要的意义，山谷（脊）线的提取一直都受到相关研究人员的广泛关注。 通常，山谷（脊）线的提取是基于数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）完成的。山谷（脊）线是一种自身具有特殊几何意义的特征线，它们不但具有特定的物理意义还具有一定的几何

8、意义，它们构成了地形起伏变化的分界线（骨架线）。之所以说它们是地形的骨架线（见图1-1所示），是因为它们能够以最小的数据量完整的表达地形的基本轮廓，在地形的表述中它们是必不可少的，没有其它的特征点、线能代替其重要的位置。另外，由于山脊线具有分水性（故又称分水线），山谷线具有合水性（故又称合水线），山谷（脊）线的这一物理特性使得它在水文地质工程应用和研究方面都有着特殊的重要意义。所以，对山谷线与山脊线提取方法的研究室很有必要的，也是非常重要的。 a栅格图 b山谷线图1-1 栅格图与相应的山谷线从以上两幅图中可以看出，山谷（脊）线可以形象的表述地形的骨架，我们不必再根据灰度值进行人为的判断，这方便

9、我们对地形信息的后期处理。例如在影像匹配中，我们需要选取一幅立体像对的公共点，在栅格图上不但不容易找出，而且人为的寻找容易出错，工作量较大，精度也不高。对于提取后的山脊（谷）线，就不会出现这类问题，因为提取出来的山谷（脊）线上有许多与周围的灰度值有明显区别的特征点，这些点用计算机可以精确的识别出来，从而使影像匹配的结果更加精确，过程更加自动化。另外，在测绘行业向数字化发展的今天，以数字化为特征的数字化测绘技术体系的建立，很多测绘产品的输出都经过数字化过程。经过提取之后的山谷（脊）线线条清晰，不但有利于地形图的人工数字化，而且更有利于计算机的自动识别数字化，既提高了工作效率，又保证了较高的精度。

10、1.2 山谷（脊）线提取技术的研究现状目前提取山谷（脊）线的基础数据大多是DEM数据。所谓的DEM数据是在一定范围内具有规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集。它用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model， DTM)的一个分支。DEM主要描述区域地貌形态的空间分布，通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插而形成的。它是对地貌形态的模拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）或其它专题数据叠加，用于和地形处理与

11、应用相关的处理工作。另外，其本身也是制作DOM的基础数据。通常，人们认为DTM是描述包括高程在内的各种地貌信息，如坡度、坡向、坡度变化率等各种地形信息在内的线性与非线性组合的空间分布，其中的DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。因此，我们在进行地形有关信息研究时，通常用DEM数据作为原始的基础数据。目前，已有的山脊线和山谷线提取算法按其原理大致分为两类，即基于地形表面集合形态分析的算法和基于地形表面流水分析的算法。其中基于地形表面几何分析算法又分为等高线最大曲率判别法、等高线骨架化法和地形断面极值法；基于地形表面流水分析的算法有三维地

12、形表面流水数字模拟法与等高线垂线（坡向）跟踪法两种。（1）等高线曲率最大判别法，该曲率判别法是提取山谷（脊）线的基础方法，其与地形断面极值法操作步骤基本一样，都是首先从已有数据资料中提取一些可能的山脊线和山谷线上的点的候选点，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的点的候选点时，该方法先计算每条等高线上各点处的曲率值，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。（2）等高线骨架化法（又

13、称为中心轴化法），其主要应用于图像与图形处理。在用该方法提取山谷（脊）线时，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，该方法将等高线弯曲部分两侧的地形视为对称变化。但是，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。（3）地形断面极值法，其采用的是计算地形断面和找出其高程极值点的办法。由于地形断面极值法通常只采用两个正交方向上的地形断面，我们选择不同的断面方向得出的结果也会不同。因此这种方法，对断面方向的选择要求较高，不然就会丢失某些方向的山脊线与山谷线的点。另外，其也与等高线骨架化法一样会受阈值的限制，即阈值过大会遗漏

14、山谷（脊）线点；而过小会增加噪音的影响。（4）三维地形表面流水数字模拟法与等高线垂线（坡向）跟踪法，它们都是以山谷（脊）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山脊线与山谷线。具体操作都是先找出流水方向，然后计算汇水量或跟踪流水线，两者的不同之处在于前者主要利用的是数字计算模拟地形表面流水，而后者则是以几何分析通过跟踪坡向的方法得到山谷（脊）线。但是由于地形噪音的存在，无论那一种方法，这种流水模拟的方法在地形复杂地区实施起来都十分困难并且会出现错误。所以我们需要对原始的数据进行处理，洼地填充就是其中比较重要的方法。另外这种方法通常采用规则格网的数据资料进行模拟，当格网较密

15、时，不仅地形噪音增加而且计算量倍增，而当栅格数据较稀疏时，所提取的山脊线和山谷线精度较差。所以，在测绘行业向自动化、数字化发展大趋势的今天，我们迫切需要一个方法简便，精度较高，计算量较小的提取算法，并且要有严密的方法理论。本文以此为出发点，在基于原有的洼地填充等功能的前提下，又加入了有效邻域分析的功能，使得所得山谷（脊）线精度大大提高。1.3山谷（脊）线提取的主要方法分类目前，格网DEM特征线山脊（谷）的提取算法按所采用原理分，主要有基于图像处理技术原理、基于地表几何形态分析原理和地形表面水流方向分析的原理三种。（1）基于图像处理技术的原理，是使用局部的分析窗口对格网数据进行扫描，记录局部分析

16、窗口内部栅格数据中高程信息的最高点和最低点，然后连接成特征线，该法效率较高，但是对分析窗口的选择至关重要。（2）基于地表几何形态分析的原理，是利用地形表面起伏处的变异规律来提取山脊线和山谷线。根据分析数据结构的不同，又可分为基于地形表面几何形态原理和基于等高线弯曲的几何形态原理。前者是针对栅格数据本身所描述的地形起伏状况，筛选其几何形态上变化最大处作为地形的特征点线。操作方法有断面极值法、坡向变率法等，后者的依据的是特征线为等高线曲率最大处的连线，此类方法在将提取的特征点连接成线时健壮性较差。而且在坡度变率参数的调整方面没有一个参照，我们只能根据调整之后的结果从新设置参数，工作量较大。（3）基

17、于地形表面流水分析的原理，是根据水流方向总是沿最陡方向流淌、并最终顺谷而流的客观自然规律，通过分析和模拟地形表面流水的运动状况来提取山谷（脊）线，其基本思想为按照流水从高至低的自然规律，顺序设计每一栅格上的汇水量，然后按汇水量单调的顺序确定出流域的汇水线。该方法具体又分为地表流水数字模拟法和等高线垂线跟踪法两种。另外，钟业勋根据拓扑学的理论给出了斜坡、山、山脊、凹地、谷地、鞍部等基本地貌形态的数学定义，使用拓扑学的方法来提取地形特征线1。以上各法设计思想均有其合理性，但是在处理较大数据量时算法效率较低。本文所采用是基于地形表面水流分析的原理，但是我们又补充了该原理在提取山谷（脊）线的过程中出现

18、与实地不符这一现象的解决方法，并且在对流水方向确定时的D8分析计算，使得其确定的流水与现实模拟水流方向的一致性。另外，我们在对噪音处理方面有加入了D8有效邻域分析的算法，使我们大大弱化了由噪音影响而产生的错误山谷（脊）线信息。1.4本文研究内容及方法本文主要研究利用ArcGIS与TauDEM进行山谷（脊）线提取的方法，通过对比说明TauDEM是一种高效率、高精度的山谷（脊）线的提取软件，其中主要介绍了山谷（脊）线的提取原理与步骤。本文从地表起伏的几何形态出发，考虑到特征线本身的线状特点，采用D8水流方向计算为主要的算法，并且利用D8邻域分析补充该算法所产生的错误信息或者噪音，从而更加严密的检核

19、了算法本身的缺陷（主要是边界部分水流方向的判断）。由于山谷（脊）线可以用反地形的方式相互转化，所以本文利用反地形提取山脊线的原理与方法来提取山谷线。从而在原理上也减少了操作流程的复杂，即用一种原理提取两种类型的特征线。第2章 基于ArcGIS的山谷（脊）线提取方法2.1 ArcGIS软件简介ArcGIS是美国环境系统研究所（Environment System Research Institute，ESRI）开发的新一代GIS软件，是世界上最广泛的GIS软件之一。ArcGIS是ESRI在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多方面的计算机主流技术之后，成功的推出的代表GI

20、S最高技术水平的全系列GIS产品。其中的ArcGIS 9是ESRI发布的功能比较强大而且又完善的版本。本文应用的是ArcGIS 9.3版本，本文主要应用了此版本的以下三个基础模块：（1）ArcMap模块，它是本文实验工作的主界面，也是ArcGIS桌面系统的核心应用程序，用于显示、查询、编辑和分析地图数据，具有地图制图的所有功能。另外，ArcMap也提供了数据视图（Data View）和版面视图（Layout View）两种浏览数据的方式，在此环境中完成一系列高级GIS任务。（2）ArcCatalog模块，它是本文实验数据库的管理库工具，主要在ArcCatalog中进行数据的添加、删除和修改等工

21、作，在ArcGIS中它是一个空间数据管理器。它以数据为核心，用于定位、浏览、搜索、组织和管理空间数据。用ArcCatalog还可以创建和管理数据库，定制和应用元数据，从而大大简化用户组织、管理和维护数据工作。这点在本文的应用中有很重要的体现。（3）GeoProcessing模块，它是本文实验的处理工具，GeoProcessing空间处理框架具有强大的空间数据处理和分析工具。其框架主要包括ArcToolbox（空间处理工具的集合）和ModelBuilder（可视化建模工具）。ArcToolbox包括了数据管理、数据转化、Coverage处理、矢量分析、地理编码以及统计分析等多种复杂的空间处理工具

22、。ModelBuilder为设计和实现空间处理模型（包括工具、脚本和数据）提供了一个图形的建模框架。它们内嵌于ArcMAP和ArcToolbox之中。总之，这三个模块是ArcGIS软件的基础和核心，相互联系。2.2 ArcGIS山谷（脊）线提取的基本原理山谷线和山脊线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。因此，可以用水文分析原理进行分析提取。山脊线其本身就是分水线，而分水线的性质就是水流的起源点（也就是汇水量等于零的地方），所以，可以通过地表径流模拟计算后，这些栅格的水流方向都应该只具有流出方向而不存在流入方向，及栅格的汇流积累量为零。因此通过对零值的提取，就可以得到分水线，即山脊线。山谷线也

23、可以利用计算其汇水量的值来提取，根据汇水量的多少形成不同灰度值的栅格图，山脊线的汇水量为零，在任何地方都是零这个定值，所以我们可以利用数学表达式公式计算得出。而对于山谷线来讲，它可以利用反DEM提取山脊线的方式得到，也可以利用计算汇水量附上相应的灰度值来提取。在利用反地形提取时，我们就必须假设一个模型，即利用一个较大的数值（相对于原始的DEM数据的最大值而言）减去原始的DEM数据，而得出一个与原始DEM地形相反的地形数据，使得原始的DEM中的山脊变成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就变成了山脊。再利用山脊线的提取方法就可以实现山谷线的提取。但是此方法提取的山脊线与山谷线位置有些偏差

24、，可以利用正、负地形与最后结果相乘而加以纠正。从而就可以得到准确的山脊线与山谷线。2.3 ArcGIS山谷（脊）线提取的方法步骤山谷（脊）线提取中，因为我们利用的是水文分析的原理，就是基于DEM地形表面流水物理模拟分析的原理。其具体的方法是：对于山脊线而言，由于它同时也是分水线，所以对于分水线上的那些栅格，可以直接通过地表径流模拟，计算之后，这些栅格的水流方向只具有流出方向，不具有流入方向，也就是栅格的汇流累计为零。我们再通过对零值流域积累值的栅格的提取，就可以得到分水线，即山脊线。对于山谷线来讲，因为山谷线具有的汇水性，那么对于山谷线的提取，可以利用反地形的特点，即利用一个较大的数减去原始的

25、DEM数据，从而得到一组与原始地形完全相反的地形数据，也就是原始的DEM中的山谷线成负地形的山脊线，山脊线亦然，此时，我们就用提取正地形的山脊线的方法提取负地形的山脊线（即原始DEM的山谷线），从而得出原始地形的山谷线。山谷（脊）线提取的具体流程图表2-1所示。图2-1 ArcGIS山脊线山谷线提取流程具体提取步骤如下：一、正负地形的提取1、启动ArcToolbox，在Analysis Tool工具箱中打开hydrology工具集。在图层管理器中加载研究区域的原始DEM数据；2、加载Spatial Analyst模块，点击其下拉菜单中的neighborhood statistics菜单工具，利

26、用邻域分析的方法以1111的窗口计算平均值。分析结果命名为meandem；3、点击Spatial Analyst中的raster calculator菜单工具，对原始DEM数据与邻域数据分析后的数据meandem做减法运算，并将运算结果重分为两级，分界线为0，那么大于0的区域在原始DEM上就是正地形区域，小于0的区域在原始DEM上就是负地形区域；4、对上一步得到的数据进行两次重分类，一次将正地形区域属性值赋值为1，负地形区域属性赋值为0，命名为zdx；另一次将将正地形区域属性值赋值为0，负地形区域属性赋值为1，命名为fdx。二、山脊线的提取1、在ArcMap中加载研究区域的原始DEM数据。此步

27、骤中应该注意，进行数据转化时对输出结果的命名不要过长，否则不能正常进行下面步骤。另外在格式栏中选择浮点型。本文中研究时的命名为DEM528见下图2-2：图2-2 栅格数据加载设置2、洼地填充：双击hydrology工具集中的fill工具，进行原始DEM的洼地点填充。在Input surface raster文本框中选择原始DEM数据dem528，将输出数据命名为fill_dem528，因为选择的是将所有洼地全部填充，所有在填充容限Z limit为默认值，它是填充的阈值，即当设置一个数值时，在填充的过程中，那些洼地深度大于阈值的地方将作为真实的地形保留，不予填充，系统默认情况是不设阈值，也就是所

28、有的洼地区域都将被填充。（操作界面设置见图2-3所示）。图2-3 无洼地DEM填充设置3、基于无洼地的水流方向的计算：双击Hydrology工具中的Flow Direction工具，在Input surface raster文本框中选择填充过的无洼地DEM数据Fill_dem528，将输出的水流方向命名为FlowDir_Fill（见图2-4所示,计算后的图示如下图2-5所示）：图2-4 水流方向计算设置图2-5 无洼地水流方向计算后4、汇流累积量计算：双击Hydrology工具集中的Flow Accumulation工具。选择FlowDir_Fill作为输入的水流方向数据；输出名命名为Flow

29、acc（输出结果见下图2-6所示）。图2-6 汇流量计算后处理结果5、汇流积累量零值的提取：加载Spatial Analyst模块，单击Spatial Analyst模块下拉菜单中的Raster Calculator菜单，打开栅格计算对话框，在文本框中填写汇流累积量零值的提取公式：facc0528=（Flowacc=0），然后单击evaluate进行计算。计算结果为所有的汇流累积量为零的栅格。其汇流累积量零值提取后的图示如下图2-7所示：图2-7 汇流累积量零值提取图示6、在ArcMap中打开facc0528，发现所提取的栅格很乱，有很多的地方不是山脊线的位置，因此应对这个数据进行处理。利用邻

30、域分析法处理，对提取出的汇流量等于零的数据进行33邻域分析进行光滑处理，然后命名为neiborfacc0。处理后图像如下图2-8所示：图2-8 邻域分析处理后7、单击Spatial Analyst中的surfer analyst中的contour和hillshade菜单命令，分别生成原始DEM等值线图ctour和晕渲图hillshade。8、打开neiborfacc0数据的属性信息， 进行重新分类，将分类级别设置为两类，不断的调整分解数据的大小，并以DEM生成的等值线图和晕渲图为辅助判断数据。在neiborfacc0中，属性值 1的栅格越有可能是山脊线的位置，这里确定的分解阈值为0.33030

31、2。结果如下图表2-9所示：图2-9 分级赋属性之后9、将进行过二值化的neiborfacc0进行重分类为renribor ，将属性值接近1的那一类的属性赋值为1，其余的赋值为0。见下图2-10所示：图2-10 二值化分类赋属性后10、将重分类过后的neiborfacc0数据与正地形数据zdx利用spatial analyst菜单下的raster calculator进行相乘运算，这样就消除了那些存在在负地形区域中的错误山脊线。然后将计算结果进行重新分类，所有属性部位1的栅格属性赋值为NO DATA。就得到了山脊线。最终结果见下图2-11所示：图2-11 山脊线提取图示三、山谷线的提取1、在A

32、rcMap中加载原始DEM数据。2、加载Spatial Analyst模块，点击其菜单中的opinion raster caculator菜单工具，打开栅格对话框；在文本框中填写反地形的计算公式：fandem=（4000-dem）（不推荐使用fandem=Abs（dem-4000）在使用的时候容易出错），在点击evaluate进行计算。计算结果与原始DEM地形完全相反的反地形数据。（说明此处用的数据时4000，具体可根据左边的显示框而定，不过此时我们要选择的减数必须要比最大值要大，不然我们的不到反地形，而依然是与原始的DEM数据一样的栅格图像）。正确的反地形栅格图如下图2-12所示：图2-12

33、 反地形图示而当减数我们选择小于最小值时结果与原始的图像完全一样如下图2-13所示：图2-13 无变化的错误反DEM转化原因分析：因为当所减的数值小于最小数据时，我们此时做相减就像是把所有的DEM数据全部下降一个小于最低值的高度，对DEM本身的地形不会有任何变化，由此，我们再选择数据时应该尽量避免选择处于DEM最大值与最小值之间的数据。避免产生人为选择的错误。另外，在用公式fandem=Abs（dem-4000）是要注意栅格图像的变化，有时会出现错误，所以一般情况下我们都用一个较大的数值减去原始的DEM数据即用公式fandem=（4000- dem），这样一般不会出错。3、反地形数据计算完毕后

34、，把反地形当作正地形就可以按照山脊线的提取步骤做其余的工作，一直到最终利用重新分类的方法将重新分级的邻域分析后的结果二值化为止。其中不需要对反地形DEM进行洼地填充。计算过程中的数据名称分别为：水流方向数据为flowdirfan，汇流积累数据为flowacc2，零值汇流积累量提取数据为flowacc0fan，对flowacc0fan进行均值33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0.6694、将重新分类过后的数据与负地形数据fdx利用spatial analyst菜单下的raster calculator进行相乘运算结果进行重分类，所有属性为1的栅格属性值

35、赋值为NO DATA。就得到了山谷线。第3章 基于TauDEM的山谷（脊）线提取方法3.1 TauDEM软件简介TauDEM是由美国犹他州的水系研究实验室（Utah Water Research Laboratory）土木与环境工程的David Tarboton所开发的，不管是TauDEM第一次公开亮相的TARDEM（1997年），还是随后的改进版本TauDEM的1.0版本、2.0版本3.0版本还是本文中所使用的TauDEM 4.0版本（2009年7月开发使用的）。TauDEM汉语意思也就是利用数字高程模型的地形分析，顾名思义，其是一个利用数字高程模型（DEM）分析地形的软件。经过多年的研究改

36、进其包含程序和数字高程模型分析等功能。TauDEM(利用数字高程模型的地形分析)，以及他的前任(TARboton数字高程模型TARDEM)是一套利用数字高程模型分析地形的工具。它包含David Tarboton开发的程序和数字高程模型分析功能。在过去的几年里的大力支持下，各种各样的赞助者欣然承认其支持。TauDEM目前提供以下的能力：湿润指数、溪流间的距离，某个活跃区域的下坡位置影响函数，受上坡活跃地区影响下坡位置的独立函数，评估上坡衰减影响的研究，有限积累的集中，有限积累的运输等。图3-1 TauDEM工具条TauDEM只是ArcGIS中的插件，即它是ArcGIS之中的一个工具条，如上图3-

37、1所示：其主要有以下三个菜单选项，Basic Grid Analysis基础格网数据分析，Network Analysis网络分析，Specialized Grid Analysis特殊格网数据分析，其中本文中主要应用的是第一个功能即基础格网数据分析。另外，其对ArcGIS的版本要求也比较高在9.2版本中有好多功能都不能使用。其主要的功能键入下图3-2所示：图3-2 TauDEM基础栅格数据处理键图示3.2 TauDEM山谷（脊）线提取的基本原理由于在本文中主要应用的是Basic Grid Analysis现在我们从其主要的菜单应用中分析其在山脊（谷）线提取过程中所用的原理。洼地填充，因为DE

38、M一般情况被认为是比较光滑的地形表面模型，但是由于内插的原因以及一些真实的地形本身的缘故，使得DEM表面存在一些凹陷的区域。那么这些区域在进行地表水流模拟时，由于低高程栅格的存在，从而使得在进行水流流向计算时会出现错误的计算结果。因此我们需要对进行水流方向计算的原始DEM数据进行洼地填充。D8流域流水方向分析，水流方向是指水流开每一个栅格单元时的指向。在ArcGIS中通过中心栅格的8个邻域的栅格的编码，水流方向便可以以其中的某一值来确定，栅格方向编码如图3-3所示。假设中心栅格的水流流向左边，则其水流方向被赋值为16。输出的方向以2的幂值指定，因为存在栅格水流方向不能确定的情况，此时须将数个方

39、向值相加，这样在后续处理中从相加结果便可以确定相加时中心栅格的邻域栅格状况。图3-3 D8算法图水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定。距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离，栅格间的距离与方向有关，如果邻域栅格中心栅格值为2、8、32、128，则栅格间的距离为2的开方根，否则距离为1。在8方向有效区域中，流向被编码一个从东方逆时针方向旋转的弧度，它是一种连续(浮点)数量介于0和2。流动方向角以最快下坡的方向在8个三角形栅格单元33窗口中，计算所得到。中心区域的栅格单元通常是用每个海拔高差值来代表的。8个平面三角网格单元间形成于每个栅格单元和其八个邻域

40、。八个邻域内每一种都有下坡向量从中心流出，其与中心的角值或在45度内或在45度外（/4弧度)。如果坡面矢量角在平面角度内，它代表了在这方向的最陡流向（即最大坡度方向）。如果边坡角最大下坡的方向在平面外面，那么最大坡向就一直延伸到最陡峭的边界。这个斜坡和流向与网格单元的最大坡度的大小和方向以及八个方向邻域的下坡都有联系。坡度等于斜坡下降高度除以水平距离。例如，在没有正向坡度（下坡）的地方，水流方向使用Garbrecht和Martz(1997)即穿过平坦地带的方法测定。这使得平坦地带距地面排水和较低的地面很高。流动路径的栅格使得排水尽量沿着已存在的流经方向流动，假如其是可以选择投入的，如果选择使用

41、，设定流水方向优先于设定海拔。这个Dinf流向算法可以用于没有洼地的DEM数据，但会导致Dinf流向与边坡联系在一起的最低点没有数据。所以使用的时候一定要注意特殊位置的处理与最后结果的选择。在D8的贡献区域中，这些栅格的有效区域用递归程序(Mark,1988)计算栅格的总数(或计算权重）。每一个栅格单元都会单独的使用，(或者任意的一个倾斜栅格被输入使用)。对每一个栅格有用的区域被作为考虑其周围栅格影响的自身因素进行分析。这是从输出shape文件中递归评价，或者这些就不是在栅格图像中的点。进而开始用递归评价这些有用区域的点。然后对有效区域边缘噪音进行程序检查。由于有些栅格单元存在于被计算区域的外

42、面，所以有效区域被低估是有可能的。当水流从没有高程数据的边界流进来时，就会发生上述情况。但是我们这个算法（D8流域分析）能过识别和报告没有数据的有效区域。我们看到一些没有数据价值的条纹从分界线顺着流水方向线延伸到栅格边界者是很正常的。由于独立存在在有效区域的外部而造成的栅格区域的未知有效性，这些是有必要被鉴别出来的。当你确定这不是一个需要的栅格数据或者由于某些特殊要求需要忽略这些栅格数据时，边界噪音检测应该省去，例如DEM已沿着一个流域的轮廓别裁剪出来。此时我们应该省略边界噪音的检查。Dinf Contributing Area其主要是处理边界区域的噪音，其基本原理是如果在一个地方的栅格没有重

43、灰度的栅格作为输入栅格时，结果就会采用单位轮廓长度的上坡区域的栅格作为输入栅格单元的大小数量。（用栅格的大小来区分栅格的区域）。然后用递归的算法来确定有效区域，这样就可以减弱甚至消除边界噪音的影响。实验过程中存在噪音的图示如下图3-4所示：图3-4 噪音存在的影响3.3 TauDEM山谷（脊）线提取的方法步骤首先是启动TauDEM，由于TauDEM是ArcGIS的插件，所以我们无法直接打开，我们要把其加载到ArcGIS中来，首先启动ArcMap软件在Tools工具菜单下单击Customize然后就会出现如图3-5的对话框，在Toolbars选项下单击Add from file，在TauDEM的

44、安装目录中找到agtaudem.dll然后将其打开，这是TauDEM的工具条就会出现在ArcMap中，如果还不出现就在ArcToolbox中直接添加新工具条，找到TauDEM Tool选项单击添加进来即可。另外，为了在以后每次启动ArcMap时，TauDEM Tool都会出现在ArcToolbox中，我们可以右键单击ArcToolbox选择Save Settings下的To Default选项就可以保存现在的ArcToolbox设置。图3-5 TauDEM工具条的加载一、山脊线提取操作步骤1、启动ArcMap，在标准工具条选项中选中ArcToolbox工具条（如图表3-6所示）并将其打开，找到

45、Import to Raster下的ASCII to grid选项并双击打开。把ASCII格式的数据转化为grid格式我们现在将其命名为dem0，在转化的时候要注意把Grid的类型从默认的Integer改为Float类型，即把数据类型改为浮点型数据，因为整数型没有保留小数点后的数值，使得实验的数据不准确，故需用浮点型进行实验。图3-6 启动ArcToolbox工具2、用按钮添加DEM数据，即上一步所保存的dem0数据，一般在转化的过程中就已经加入的DEM数据。3、从TauDEM工具条选项的基础栅格数据分析下单击Select Base DEM grid选项并在基础DEM数据层中选中dem0数据并

46、单击OK。这将作为基础的DEM数据，由它确定没有名字的其他所有要输入的文件或者数据。4、调用TauDEM工具条选项基础栅格数据分析中的“Fill Pits”即洼地填充选项进行洼地填充（此时注意路径不要太长，如果已经做过很多数据的处理时，我们应再新建一个文件夹才能正常的进行此步骤，不然基础的DEM数据将无法导入填充选项中）。所有选项按默认设置，直接单击Compute开始计算。洼地填充类似于ArcGIS中的Spacial Analyst Tools中水系分析的Fill命令。其设置情况见下图3-7所示：图3-7 填充设置界面5、启用D8 Flow Directions即8方向流水方向分析，输入填充后

47、的栅格数据，经过此步骤我们可以得到8方向的水流方向栅格，以及8方向的坡度栅格信息，我们必须确保所有的设置，因为在一次数据处理中，所有的操作我们只进行一次。处理结果如下图表3-8所示：图表3-8 D8流向分析方向分析后图示6、单击Dinf Flow Directions选项进行Dinf方法的水流方向分析。处理后结果如下图表3-9所示：图表3-9 Dinf 水流方向计算后7、然后是D8 Contributing Area与Dinf Contributing Area即邻域分析处理，直接点击Compute一步步向下计算就可以，一直到Grid Network Order and Flow Path L

48、engths处理，最后得到如下3-10所示图：图表3-10 格网秩序调整与流经长度调整后图示到此，我们就提取出来了山脊线，我们可以将其进行矢量化处理，得到如下图3-11所示：图表3-11 矢量化后的山谷线对于山脊线的提取，我们可以利用反地形DEM 的方法进行提取，具体步骤为，第一步，先用ArcGIS的Spatial Analyst工具下的Raster Ralculator进行计3而得，具体公式算法见ArcGIS提取的操作步骤。左后矢量化后如下3-12图示：图表3-12 矢量化后的山脊线第4章 山谷（脊）线提取结果的对比分析4.1 TauDEM与ArcGIS山谷（脊）线提取结果对比分析通过用ArcGIS与TauDEM对同组实验数据的处理，我们可以得到相同的信息，其对比结果如下：图4-1 ArcGIS最终山脊线相乘后的结果图示图4-2 TauDEM最后的处理结果图示图4-3 ArcGIS积水量计算后图示我们可以看出,对于最终的处理结果来讲，用TauDEM处理出来的山脊线或者山谷线更符合实际