山脊线山谷线提取实验报告

实验报告提取山脊、山谷线一、背景山脊线、山谷线是地形特征线，它们对地形、地貌具有一定的控制作用。

它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。

因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线以及地形特征点等的提取和分析是很有必要的。

二、目的理解基于DEM结合水文分析的方法提取出研究区域的山脊线和山谷线的原理；掌握水流方向、汇流累积量的提取方法以及它们的提取原理；能将水文分析的方法和其它的空间分析方法相结合以解决应用问题。

三、要求1、利用水文分析思想和工具提取研究区域的山脊线；2、利用水文分析思想和工具提取研究区域的山谷线。

四、算法思想对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别表示分水性与汇水性，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。

因此，对于山脊线和山谷线就可以利用水文分析的方法进行提取。

基于DEM的这种地形表面流水物理模拟分析的原理是：对于山脊线而言，由于它同时也是分水线，那么对于分水线上的那些栅格，由于分水线的性质是水流的起源点，通过地表径流模拟计算之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，也就是其栅格的汇流累积量为零。

通过对零值的汇流累积值的栅格的提取，就可以得到分水线，也就得到了山脊线；对于山谷线而言，由于其具有汇水的性质，那么对于山谷线的提取，可以利用反地形的特点，即是利用一个较大的数值减去原始的DEM数据，而得到了与原始地形完全相反的地形数据，也就是原始的DEM中的山脊变成负地形的山谷，而原始DEM中的山谷在负地形中就变成了山脊，那么，山谷线的提取就可以在负地形中利用提取山脊线的方法进行提取。

五、操作步骤：●在图层管理器中加载研究区域的原始DEM数据●加载Spatial Analyst模块，点击Spatial Analyst模块的下拉箭头，点击neighborhood statistics菜单工具，利用邻域分析的方法以11×11的窗口计算平均值，如图。

山脊线、山谷线和鞍部点的提取山脊线、山谷线和鞍部点的提取一．实习背景山脊线、山谷线是地形特征线，它们对地形、地貌具有一定的控制作用。

它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。

因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线以及地形特征点等的提取和分析是很有必要的。

相邻两山头之间呈马鞍形的低凹部分称为鞍部，鞍部是两个山脊和两个山谷会合的地方。

鞍部点是重要的地形控制点，它和山顶点、山谷点以及山脊线、山谷线等构成的地形特征点线，具有对地形具有很强的控制作用。

因此，对这些地形特征点、线的分析研究在数字地形分析中具有很重要的意义。

同时，由于鞍部点的特殊地貌形态，使得鞍部点的提取方法较山顶点和山谷的提取更难，目前没有什么有效的方法来提取鞍部点，利用水文分析的方法可以来提取一些鞍部点，但是它还是具有一定局限性。

二．实习目的（1）熟练掌握基于DEM利用ArcGIS进行提取相关地形特征的方法与原理；（2）深入认识山脊线、山谷线和鞍部点3个基本地形特征；三．实习内容１.提取ｄｅｍ数据的ＳＯＡ２基于地形表面的几何形态分析方法提取山脊线山谷线3.基于DEM水文分析方法提取山脊线山谷线4.鞍部点的提取四．实习数据DEM五．实习工具Surface Analyst，model工具六．实习步骤1.提取DEM的SOA数据A．求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H；通过Spatial Analysis 下的栅格计算器 Calculator，公式为（H－DEM），得到与原来地形相反的 DEM数据层，即反地形DEM数据；B．基于反地形 DEM数据求算坡向值；C．利用 SOA 方法求算反地形的坡向变率，记为 SOA2，由原始DEM数据求算出的坡向变率值为 SOA1；D.在 Spatial Analysis下使用栅格计算器 Calculator，公式为 SOA ＝（（[SOA1]+[SOA2]）-Abs（[SOA1]-[SOA2]））/ 2，即可求出没有误差的 DEM 的坡向变率，2.利用基于地形表面的几何形态分析方法提取山脊线山谷线（1）山脊线的提取其中在focal statistics中选择3*3的窗口，类型选择为mean,在minus中再次导入DEM，进行计算。

山脊线山谷线提取实验报告实验容描述：山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线（骨架线），因此它对于地形地貌研究具有重要意义；另一方面，对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别代表示分水性与汇水性，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。

本次实验通过某区域栅格DEM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。

实验原理：1.本实验基于规则格网DEM数据使用平面曲率与坡形组合法提取山脊线和山谷线，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.主要用到以下理论知识：1）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；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SOA：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，提取地表局部微小围坡向的最大变化情况。

但是SOA在提取过程中在北面坡将会有误差产生，所以要将北坡坡向的坡向变率误差进行纠正，其公式为：SOA=(( [SOA1]+[ SOA2] )-Abs( [SOA1]-[ SOA2] ))/2其中：SOA1为原始DEM数据层坡向变率，SOA2为反地形DEM数据层坡向变率。

4）焦点统计5）ArcScan自动矢量化流程图、实验步骤：1.相对路径2.加载数据3.提取原始dem的坡向（利用dem数据--空间分析--表面分析--坡度工具，命名为Aspect）4.提取原始DEM数据的坡向变率（利用3中生成的Aspect图层--空间分析--表面分析--坡度工具，命名为SOA1）5.提取反地形DEM数据（栅格计算器--输入公式H-DEM）1）找出DEM最大高程值（右键属性---找出数据源中最大值为1153.8）2）栅格计算器提取反地形DEM数据（输入公式1153.8 - "dem"，命名为INdem）6.提取反地形DEM数据的坡向值7.计算反地形DEM数据的坡向变率8.计算进行误差纠正的地面坡向变率（栅格计算器--输入公式(("SOA1" + "SOA2") - Abs("SOA1" - "SOA2")) / 2）9.邻域分析（原始dem--邻域分析--焦点统计focal statistics（统计原始dem的平均值）---设置统计类型为平均值mean，邻域类型为矩形(也可为圆形)，邻域大小为3*3（我发现邻域越大越模糊）(11*11)，则可得到一个邻域为3*3(11*11)的矩形的平均数据层，命名为mean10.计算正负地形分布区域（空间分析--地图代数--栅格计算器---输入公式为"dem" - "mean"，命名为Dvalue(差值)）11.利用栅格计算器提取山脊线（公式为"SOA" > 70 & "Dvalue" > 0这是错的！！要加括号！！("SOA" > 70) &( "Dvalue" > 0)）和山谷线（("SOA" > 70) & ("Dvalue" < 0)）12.利用ArcScan自动矢量化得到山脊线山谷线的矢量图层1）在ArcCatalog中新建（方法有两种：右击文件夹--new--shapefile！或者是右击geodatabase--new--feature class（新建要素类））山脊线图层（名称为shanjiline，类型为线）方法1：new--shapefile方法2：new--feature class（但是这种方法下的线图层，在自动矢量化山脊线后无法读到这个图层，所有还是选择方法1---这是因为栅格图层和矢量图层不能放在同一个geodatabase里面么？？？？？？？）2）打开开始编辑3）勾选扩展工具中的自动矢量化工具ArcScan4)在菜单栏空白处右击勾选ArcScan，打开ArcScan工具条--单击自动矢量化下的生成要素打开生成要素对话框即可生成自动矢量化后的矢量山脊线5)用同样的方法生成矢量山谷线13.制作立体图。

实例与练习练习1. 利用水文分析方法提取山脊、山谷线1．背景：山脊线、山谷线是地形特征线，它们对地形、地貌具有一定的控制作用。

它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。

因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线以及地形特征点等的提取和分析是很有必要的。

2．目的：理解基于DEM结合水文分析的方法提取出研究区域的山脊线和山谷线的原理；掌握水流方向、汇流累积量的提取方法以及它们的提取原理；能将水文分析的方法和其它的空间分析方法相结合以解决应用问题。

3．要求：（1）利用水文分析思想和工具提取研究区域的山脊线；（2）利用水文分析思想和工具提取研究区域的山谷线。

4．数据：一幅25m分辨率的黄土地貌DEM数据，数据的区域大概有140 km2。

数据存放于…/ChP11/Ex1中，请将其拷贝到E：/ChP11/Ex1。

结果数据保存在…/ChP11/Ex1/Result 中。

5．算法思想：对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别表示分水性与汇水性，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。

因此，对于山脊线和山谷线就可以利用水文分析的方法进行提取。

基于DEM的这种地形表面流水物理模拟分析的原理是：对于山脊线而言，由于它同时也是分水线，那么对于分水线上的那些栅格，由于分水线的性质是水流的起源点，通过地表径流模拟计算之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，也就是其栅格的汇流累积量为零。

通过对零值的汇流累积值的栅格的提取，就可以得到分水线，也就得到了山脊线；对于山谷线而言，由于其具有汇水的性质，那么对于山谷线的提取，可以利用反地形的特点，即是利用一个较大的数值减去原始的DEM数据，而得到了与原始地形完全相反的地形数据，也就是原始的DEM中的山脊变成负地形的山谷，而原始DEM中的山谷在负地形中就变成了山脊，那么，山谷线的提取就可以在负地形中利用提取山脊线的方法进行提取。

实验项目（三）：地形分析一. 实验目的：掌握基本地形因子计算，地形特征提取的基本方法和步骤，并进行不同类型地形因子的统计。

二.实验器材：arcmap三..实验数据：dem数据四.实验步骤：1. 坡度的提取，不同类型区的坡度提取:1）空间分析模块中的坡度提取：加载dem数据，和空间分析模块;Spatial Analyst->surface analysis->slope,打开相应的对话框；通过设置不同的输出像元大小，可以得到不同精度的坡度提取图。

2）三维分析模块中的坡度提取：3D Analyst->->surface analysis->slope,打开相应的对话框；通过设置不同的输出像元大小，可以得到不同精度的坡度提取图。

2. 坡向的提取，不同类型区的坡向提取:1）空间分析模块中的坡向提取：加载dem数据，和空间分析模块;Spatial Analyst->surface analysis->aspect,打开相应的对话框；通过设置不同的输出像元大小，可以得到不同精度的坡度提取图。

2）三维分析模块中的坡向提取：3D Analyst->->surface analysis->aspect,打开相应的对话框；通过设置不同的输出像元大小，可以得到不同精度的坡度提取图.3.山脊线,山谷线的提取:1)加载原始DEM数据。

ArcToolbox,/Analysis Tools/Hydrology。

2)洼地填充： Hydrology/Fill，进行原始DEM的洼地填充。

在Input surfaceraster文本框中选择原始DEM数据dem,将输出数据命名为filldem,Z limit 取默认值，即填充所有洼地。

3)无洼地的水流方向的计算： Hydrology：Flow Direction，在Input surfaceraster文本框中选择填充过的无洼地DEM数据filldem,设置输出文件名为flowdirfill。

山谷线山脊线提取山谷线、山脊线提取山脊线和山谷线的自动提取arcmap自动提取山脊线和山谷线的方法1平面曲率与坡形组合法基于规则格网的DEM是自动提取山脊线和山谷线的最重要方法。

从算法设计的原则来看，大致可以分为以下五种类型：1)基于图像处理技术的原理；2)基于地形表面几何形态分析的原理；3)基于地形表面流水物理模拟分析原理；4）基于地形表面几何形状分析与流水物理模拟分析相结合的原理；5）平面曲率和坡度形状的组合方法。

平面曲率与坡形组合法提取的山脊、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。

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，下面的提取过程以soa代替平面曲率。

具体提取工艺如下：1）激活dem数据，在spatialanalysis下使用surface菜单下的deriveaspect命令，提取dem坡向层面，记为a；2）激活标高a，使用“空间分析”下“曲面”菜单下的“衍生坡度”命令提取标高a的坡度信息，该信息记录为soa1；3）求取原始dem数据层的最大高程值，记为h；通过spatialanalysis下的栅格计算器calculator，公式为（h－dem），得到与原来地形相反的dem数据层，即反地形dem数据；4）根据反地形DEM数据计算坡度方向；5）利用soa方法求算反地形的坡向变率，记为soa2；6）利用空间分析下的网格计算器，公式为SOA=（[soa1]+[soa2]）-ABS（[soa1]-[soa2]）/2，可以得到无误差的DEM坡度变化率SOA；7）激活原始dem数据，在spatialanalysis下使用栅格邻域计算工具neighborhoodstatistics；设置statistictype为平均值，邻域的类型为矩形（也可以为圆），邻域的大小为275×275map，则可得到一个邻域为275×275map的矩形的平均值层面，记为b；8）利用空间分析下的网格计算器，可以得到正、负地形分布区域，公式为C=[DEM]-[b]，9）在spatialanalysis下使用栅格计算器calculator，公式为d＝[c]>0&soa>70，即可求出山脊线；10）同样，在网格计算器中，将公式修改为d=[C]<0&SOA>70，以计算山谷线地形特征信息提取（山谷线、山脊线）方法1：SOA方法soa法原理：山谷线和山脊线实质是平面曲率发生突变的地方，所以用soa来近似平面曲率，提取其中变法大的就是山谷线和山脊线，其中山谷线对应的是负地形中soa较大的值，山脊线对应的是正地形中soa较大的值。

地形特征点的提取实验报告1. 研究背景地形特征点的提取是地理信息领域的重要研究方向之一。

地形特征点是指地表上具有明显特征的点，如山脊、山谷、河流等。

提取地形特征点可以帮助我们了解地貌构造、地质特征以及进行地形分析和地貌模拟等工作。

2. 实验目的本实验旨在探索地形特征点的提取方法，通过实验验证不同算法对地形特征点的有效性和精度，并比较它们的优缺点。

3. 实验材料与方法3.1 数据集本实验使用了某山区的数字高程模型（DEM）数据作为实验材料。

该DEM数据以栅格形式存储，每个栅格代表一单位面积内的高程值。

3.2 实验流程1.数据预处理：对DEM数据进行滤波、降噪等处理，以减少噪声对特征点提取的影响。

2.特征点提取方法比较：2.1 方法A：利用梯度变化法提取特征点，即通过计算DEM数据在各方向上的梯度变化来找到高度变化明显的地方。

2.2 方法B：利用曲率法提取特征点，即通过计算DEM数据的曲率来找到高度变化明显的地方。

2.3 方法C：利用局部最大值法提取特征点，即通过寻找DEM数据中局部最高点来找到地形上的山峰等特征点。

3.实验评估：对比不同方法提取的特征点，分析其准确性、覆盖范围和处理效率等指标。

4. 实验结果与分析4.1 方法A的结果与分析使用梯度变化法提取特征点后，我们得到了一系列特征点的坐标，其中包括山脊、山谷等地形特征。

经与地图对比，发现大部分特征点的位置与真实地形基本吻合，但也存在一些误差，这可能是由于数据噪声和算法的不足导致的。

4.2 方法B的结果与分析使用曲率法提取特征点后，我们得到了另一组特征点的坐标，并将其与方法A提取的特征点进行对比。

发现曲率法能够更好地捕捉到地形的细节特征，尤其是一些地貌变化相对缓和的地方。

然而，与方法A相比，曲率法提取的特征点数量较少，覆盖范围较窄。

4.3 方法C的结果与分析使用局部最大值法提取特征点后，我们得到了一些山峰等特征点的坐标，与方法A和方法B提取的特征点进行了对比。

（ 7 ） 打 开 Spaitiai Analyst Tool--surface--contour 和 Spaitiai Analyst Tool--surface--hillshade，分别生成原始 DEM 的等值线 ctour 和晕渲图 hillshade.
（8）在 neiborfacc0 数据上单击右键，点击 properties，进行重新分级，将数据分为 两级，以等值线 ctour 和晕渲图 hillshade 为辅助不断调整分级临界点，属性值越接近 于 1 的栅格越有可能是山脊线的位置，最终确定分界阈值为 0.5541。
－3－
3）山谷线的提取 （ 1 ） 利 用 Map Algebra--Raster calculator 工 具 获 取 反 地 形 ， 计 算 公 式 为 fandem=Abs(dem-2000)得到与原始地形完全相反的反地形数据 fandem.不需要进行洼地 填充，其余步骤与山脊线的提取步骤相同。 （2）水流方向的计算：选择 Spaitiai Analyst Tool——hydrology——Flow direction， 输入表面栅格数据 fandem;命名输出栅格数据 flowdirfan。 （ 3 ） 汇 流 累 积 量 的 计 算 ： 选 择 Spaitiai Analyst Tool — — hydrology — — Flow accumulation,选择 flowdirfan 作为输入的水流方向数据；输出命名为 flowaccfan (4)汇流累积量为零值的提取：在 ArcToolBox 中选择 Map Algebra--Raster calculator, 提取汇流累积量为零值，计算公式为 faccfan0=(flowacclfan==0) (5) 对 facc0 做 光 滑 处 理 ： 在 ArcToolBox 中 选 择 Spaitiai Analyst Tool--Neiborhood--focal stastics,利用邻域分析方法以 3×3 的窗口计算平均值，计 算结果命名为 nbfacc0fan. (6)在 neiborfacc0 数据上单击右键，点击 properties，进行重新分级，将数据分为两级， 以等值线 ctour1 和晕渲图 hillshade2 为辅助不断调整分级临界点，属性值越接近于 1 的栅格越有可能是山谷线的位置，最终确定分界阈值为 0.65677。

山脊线山谷线提取实验报告实验内容描述：山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线（骨架线），因此它对于地形地貌研究具有重要意义；另一方面，对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别代表示分水性与汇水性，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。

本次实验通过某区域栅格DEM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。

实验原理：1.本实验基于规则格网DEM数据使用平面曲率与坡形组合法提取山脊线和山谷线，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.主要用到以下理论知识：1）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；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SOA：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。

但是SOA在提取过程中在北面坡将会有误差产生，所以要将北坡坡向的坡向变率误差进行纠正，其公式为：SOA=(( [SOA1]+[ SOA2] )-Abs( [SOA1]-[ SOA2] ))/2其中：SOA1为原始DEM数据层坡向变率，SOA2为反地形DEM数据层坡向变率。

4）焦点统计5）ArcScan自动矢量化流程图、实验步骤：1.相对路径2.加载数据3.提取原始dem的坡向（利用dem数据--空间分析--表面分析--坡度工具，命名为Aspect）4.提取原始DEM数据的坡向变率（利用3中生成的Aspect图层--空间分析--表面分析--坡度工具，命名为SOA1）5.提取反地形DEM数据（栅格计算器--输入公式H-DEM）1）找出DEM最大高程值（右键属性---找出数据源中最大值为1153.791870117188）2）栅格计算器提取反地形DEM数据（输入公式1153.791870117188 - "dem"，命名为INdem）6.提取反地形DEM数据的坡向值7.计算反地形DEM数据的坡向变率8.计算进行误差纠正的地面坡向变率（栅格计算器--输入公式(("SOA1" + "SOA2") - Abs("SOA1" - "SOA2")) / 2）9.邻域分析（原始dem--邻域分析--焦点统计focal statistics（统计原始dem的平均值）---设置统计类型为平均值mean，邻域类型为矩形(也可为圆形)，邻域大小为3*3（我发现邻域越大越模糊）(11*11)，则可得到一个邻域为3*3(11*11)的矩形的平均数据层，命名为mean10.计算正负地形分布区域（空间分析--地图代数--栅格计算器---输入公式为"dem" - "mean"，命名为Dvalue(差值)）11.利用栅格计算器提取山脊线（公式为"SOA" > 70 & "Dvalue" > 0这是错的！！要加括号！！("SOA" > 70) &( "Dvalue" > 0)）和山谷线（("SOA" > 70) & ("Dvalue" < 0)）12.利用ArcScan自动矢量化得到山脊线山谷线的矢量图层1）在ArcCatalog中新建（方法有两种：右击文件夹--new--shapefile！或者是右击geodatabase--new--feature class（新建要素类））山脊线图层（名称为shanjiline，类型为线）方法1：new--shapefile方法2：new--feature class（但是这种方法下的线图层，在自动矢量化山脊线后无法读到这个图层，所有还是选择方法1---这是因为栅格图层和矢量图层不能放在同一个geodatabase里面么）2）打开开始编辑3）勾选扩展工具中的自动矢量化工具ArcScan4)在菜单栏空白处右击勾选ArcScan，打开ArcScan工具条--单击自动矢量化下的生成要素打开生成要素对话框即可生成自动矢量化后的矢量山脊线5)用同样的方法生成矢量山谷线13.制作立体图。

基于DEM自动提取山脊线、山谷线方法研究作者：栗丹来源：《环球人文地理·评论版》2015年第01期摘要：从数字高程模型中自动提取山脊线和山谷线的技术在测绘、工程设计等方面有着重要的意义。

传统依靠二维等高线形态分析方法提取的山脊线和山谷线很难得到理想效果。

本文设计出了一种基于水文地貌关系正确的DEM中自动提取山脊线和山谷线方法，同时采用单流向（D8）算法和多流向（Dinf）算法分别对提取山脊线和山谷线结果进行对比分析，得出采用多流向算法提取山脊线和山谷线时，结果与实际地形相符。

关键词：山脊线；算法；地形分析一、引言山脊线、山谷线作为地形特征线对地形、地貌具有一定的控制作用[1] -[3]。

它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。

由于山脊线具有分水性，山谷线具有汇水性特征使得它们在工程应用方面具有特殊的意义[4]。

研究人员借助地形表面流水模拟的方法从DEM 数据中自动提取山脊线和山谷线，用于区域地形的水分析[5] 。

因此在数字地形分析中，山脊线和山谷线的提取和分析是具有很大应用价值的[7]。

所以在本实验中，基于水文分析方法在DEM中采用不同算法提取出山脊线和山谷线，是本文研究的一个重点，也是在以往实验基础上的一个创新，通过实验使我们在以后能够利用水文分析的方法与其它空间分析方法相结合以解决实际应用问题。

二、研究方法1.山脊线和山谷线提取技术路线提取山脊线和山谷线可以利用水文分析的方法进行，对分水线和汇水线进行提取是在实际操作中的步骤。

水流的起源点的定义是分水线的性质。

通过提取零值的汇流累积值的栅格，分水线就可以得到。

汇水线由于具有汇水作用而具有较大的上游汇水面积，在提取山谷线时，利用反地形的特点，即利用一个较大的数值减去原始的DEM数据，得到与原始地形完全相反的地形数据，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。

结果展示
相减图
正地形
负地形
山脊线的提取
汇流累积量计算
水流方向计算 洼地填充 双击hydrology工具 集中的flow accumulation工具。 选择flowdirfill作为 输入的水流方向数 据
双击hydrology工具 集中的fill工具，进 行原始DEM的洼地 点填充。
基于无洼地的水流方 向的计算：双击 hydrology工具集中的 flow direction工具
提取正负地形
点击neighborhood statistics菜单 工具，利用邻域分析的方法以 11×11的窗口计算平均值
使用raster calculator，对原始DEM数据与邻域 分析之后的数据meandem做减法运算
二值化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zhengdixing；另一次将正地形 区域属性值赋值为0，负地形区域属性赋值 为1，命名为fudixing。
Add Your Text
对neiborfacc0进行2值化显示
山脊线
山谷线
L/O/G/O
Thank You!
具体步骤
汇流累积量 零值的提取 用raster calculator ， 在文本框中 填写汇流累 积量零值的 提取公式： facc0 = ， (flowacc = 0) 对提取出的汇流 累积量等于零值 的数据进行3×3 邻域分析进行光 滑处理，数据命 名为 neighborface0
Description of the con取
刘梦莹
Contents
大致步骤
正负地形的提取 填洼，求水流量和汇流累积量 山谷线的提取 山脊线的提取
步骤示意图

山脊线山谷线提取实验报告实验内容描述:山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线（骨架线），因此它对于地形地貌研究具有重要意义；另一方面，对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别代表示分水性与汇水性，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。

本次实验通过某区域栅格DEM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。

实验原理：1•本实验基于规则格网DEM数据使用平面曲率与坡形组合法提取山脊线和山谷线，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•主要用到以下理论知识：1 ）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；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SOA: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。

但是SOA在提取过程中在北面坡将会有误差产生，所以要将北坡坡向的坡向变率误差进行纠正，其公式为：SOA=（（ [SOA1]+[ SOA2] ）-Abs（ [SOA1]-[ SOA2] ）2其中：SOA1为原始DEM数据层坡向变率，SOA2为反地形DEM数据层坡向变率。

4）焦点统计5）A rcScan自动矢量化流程图实验步骤：1•相对路径2•加载数据3•提取原始dem的坡向（利用dem数据--空间分析--表面分析--坡度工具，命名为9 £p曰吕I Analyst Toolslbx H 竜Conditional匡心Density1+ Dis-tance1+ W EwtrartionS. %■ G电rer^li23tian + G refund water 匡帝Hydrology l±电Interpolation 1+ 4$^- Local 1+竜Map Algebra 匡雜Matfi ld_ Multivanate l~《NeighLorhoed S ■ Overlay 11 tSv RasterCreation 田心Redact1+ ❸Solar Radiation 1 $! SurfaceConicurGonlour ListConlour with Barriers CurvatureCut FillHillshadeOb server PointsSlopeJf (Views liedAspect)X4•提取原始DEM数据的坡向变率（利用3中生成的Aspect图层--空间分析--表面分析--坡度工具，命名为S0A1）G ❺ Spatial Analyst Tools.tbxE ConditionalS 詹Density3 弧Distance3 Extract!on® S* Generalization♦J © GroundwaterS ■ Hydrology® W? InterpolationS @ Local3 Map AlgebraE 心MathS3 © Multiva riate® d Neighborhood® OverlayS 旳• Raster Creatio n3 • Reclass田& Solar Radiation曰心Surface 气Aspect 气Contour J Con tour List 弋Con*tour wrth Barriers o Curvature 气Cut Fill x - HillshadeViewshed5•提取反地形DEM数据（栅格计算器--输入公式H-DEM）1）找出DEM最大高程值（右键属性---找出数据源中最大值为1153.791870117188 ）2）栅格计算器提取反地形DEM数据（输入公式1153.791870117188 - "dem"，命名为INdem）Spatial Analyst Tools.tbxE 耐ConditiQnalB Densityl±i Di stancel+i 笔/ EjctractionFl 睦i Generalizaticn © 薦i：Groundwateir l±i 氐HydrologyFi Interpolation0 曹LoralLI 転’ Map Al get ra6•提取反地形DEM数据的坡向值■VI(■ri&7•计算反地形DEM 数据的坡向变率3回Canc& Eriwirorments... Show Help »Input rAEtsrOutput ratt&rF : \33 \e\New File Ge Q latabe . gjdb\AspectJNdem8•计算进行误差纠正的地面坡向变率(栅格计算器--输入公式(("S0A1" + "S0A2") - Abs("S0A1" -"S0A2")) / 2)9•邻域分析（原始 dem--邻域分析--焦点统计focal statistics （统计原始dem 的平均值）---设 置统计类型为平均值mean ，邻域类型为矩形（也可为圆形）,邻域大小为3*3 （我发现邻域越大越模糊）（11*11），则可得到一个邻域为 3*3（11*11）的矩形的平均数据层，命名为mean■■■ar■*jrii■H1h ■■rtryE）导Spatial Analyst Tools.tbxS ConditionalS Densityl±l & Distancei*l 心Extraction® © GeneralizationS $9 GroundwaterS • Hydrology® © Interpolation® & Local□ & Map Algebra Raster CalculatorQ 飪MathGO 抵（Ylultiyariate□心Neighborhood "弋Block Statistics 气Filter Focal Flow气Point Statisticsz ccal Statistics10.计算正负地形分布区域（空间分析 --地图代数--栅格计算器---输入公式为"dem" - "mean",命名为Dvalue （差值））EE 叵 0000□□□□ESQ i ° innnnnnTdem T'「帼酮*Output rasterI ：\33\*\Nsw File Gtod^t&base. ;db\DvalueM SL > Algebra expressionCancelEnwironiments...Show He 单 >>Conditional —*ConPickSetfJullMathAbsExp("SOA" > 70) &( "Dvalue" > 0))和山谷线(("SOA" > 70) & ("Dvalue" < 0))L*4iElt TjI I11.利用栅格计算器提取山脊线（公式为 "SOA" > 70 & "Dvalue" > 0这是错的!!要加括号！ ！ Output ras tmirfSOA' > 7Q) &{ lvalue > 0)Map Algebra expressionI:\33\e\Niw Filfe ^dbVshanjiOK Cancel Eriwronmerite...1 1Show Het »Conditional — 厶Con PickSetNull Math Abs Exp〒fSOA ・ > 70〉&CDvalue" < 0)Output rasterF:\33\e\New File Geod&t&b&se. gdb\shw.gu|OKCancel Envronments...Show Help »" Raster CalculatorJ■,Map Algebra expressionESE QESQi ° innrnrnn0]12•利用ArcScan 自动矢量化得到山脊线山谷线的矢量图层 1）在 ArcCatalog 中新建（方法有两种：右击文件夹--new--shapefile !或者是右击geodatabase--new--feature class （新建要素类））山脊线图层（名称为shanjiline ,类型为线）方法 1: new--shapefileFelde-rFile Geoddiabase zyjrA 监JS站Pers&naIDdtmbase Connection... aanewdontTo do doArcGIS Server Connectio-n... Layer...Group LayerbnewSpy1 Shapefile..1 Turn Ft• ToolbcEH d BASE ®LAS Da •Add ©Com pcNew ShapefileCrates 召 f]*vr shspefiletdset；5 Lot:ator…,]site Addre-&5 Locator..闌 XML DocumentDeleteRename Refr«5h New ItemDescnpticn...tf443B01.425 41624&0.765 MetePython TaalboK方法2：new--feature class （但是这种方法下的线图层，在自动矢量化山脊线后无法读到这个图层，所有还是选择方法1---这是因为栅格图层和矢量图层不能放在同一个geodatabase 里面么）2）打开开始编辑ArcSca n 3）勾选扩展工具中的自动矢量化工具匚jstormize Wi n d ows HelpToolbars ►Evtensiori 乩“Add-In Manager.*.C-u atomize Mode.,,Style Manager...ArcMap Options...4）在菜单栏空白处右击勾选ArcScan,打开ArcScan工具条--单击自动矢量化下的生成要素打开生成要素对话框即可生成自动矢量化后的矢量山脊线3D AnalystAdvanced EditingAnimationArcScanCOGOData Driven PagesData Frjm* TookDistributedshaqi T I 53 Vedodzalion ' ：Tl 匸 # * I RMitr Clean up ■ I Cell Selection 章0 斗耳屮J S Verrorization ▼ H:Vcrtorzatioii Settings...Sihcnv PreviewF Ge^eraTeFeatuires,,.Opticrm Raster Cleanup * Cel Selection ，w E 础卜耳十* f5）用同样的方法生成矢量山谷线sbargu VcctcrizatonVectorizatior Setting j・Show Preview■ Generate Features-・Options...• Seed -eettre Template °■W ■塞'Swrch、• g R€i3r;dire兀9壮shorjilirK一穴*13•制作立体图。

师大学H a n g z h o u N o r m a l U n i v e r s i t y《GIS分析与建模》实验报告学院班级：理学院地信141实验名称：利用水文分析方法提取山脊线和山谷线学生：文彪学生学号：2014212425授课老师：潭高提交日期：2016年12月1日目录1 实验目的 (3)2 实验步骤 (3)2.1 正负地形提取 (3)2.2 山脊线提取 (9)2.3 山谷线提取 (24)3 总结 (25)3.1 为何进行洼地填充 (25)3.2 与正地形相乘理解 (26)1实验目的●了解基于DEM水文分析方法提取山谷线和山脊线的原理，●掌握水流方向、汇流累积量提取原理及方法2实验步骤2.1正负地形提取原始dem图像2.1.1焦点统计参数如下邻域分析结果图，发现与原图相比，平滑了很多。

2.1.2栅格运算2.1.3重分类2.1.3.1正地形2.1.3.2负地形2.2山脊线提取2.2.1洼地填充洼地填充参数面板，因为是所有的洼地都填充，所以Z limit为默认。

2.2.2无洼地水流反向计算水流方向计算，输入参数为洼地填充好的dem数据，填如输出文件及其路径。

2.2.3汇流累计量计算2.2.4汇流累计量0值提取汇流累积量为0时，表示该地没有雨水聚集，所以应当为山脊。

2.2.53*3领域分析使数据光滑2.2.6Dem等值线图等值线间距为15米2.2.7山体阴影2.2.8Neiborfacc0重分级分类结果与等值线和山体阴影相比，确定最佳分类阈值。

注：可以将Neiborfacc0的0到所设阈值的部分设为no color,这样更加方便与山体阴影比较。

确定所设阈值为0.55412.2.9二值化的neiborfacc0进行重分类2.2.10与正地形相乘2.2.11栅格运算2.2.12重分类2.2.13山脊线提取结果图2.3山谷线提取山谷线提取结果图3总结3.1为何进行洼地填充来个比喻，假如你在沙地上踩两个脚印，那么，在两个脚印的中间的那条线的汇流累积量为0，进行提取的时候，就会误认为该条线为山脊，显然是不合理的，所以要进行洼地填充。

一种山脊线和山谷线提取的新方法
近日，一项新的山脊线和山谷线提取方法的研究受到了科
技界的广泛关注。

其最新研究成果为提取山脊线和山谷线提供
了一种高效的方案。

该提取方法主要采用连接极值的方式。

首先，通过引入中
间极值，根据灰色关联度来检测极值，发现局部最大、最小值，建立极值结构图剔除局部极值；然后，判断极值之间的关联关系，使用基于非重叠平窗的邻接关系建立回路，进而形成山脊
线和山谷线；最后，通过滤波处理得到平滑纹理，可以得到较
好的提取结果。

这种提取方法证明比其它经典方法更加高效，更加稳定。

原理上，它利用灰色关联度捕捉极值的变化规律，避免了局部
最小值/最大值的误检，提高了极值检出的准确性；算法上，
它通过基于平窗判别邻接关系，不受明显大山谷和山脊裂缝的
影响，消除歧义，从而简化算法处理过程，减少了算法的计算
量和工作量。

因此，在反演海洋、地震勘探、高分辨率遥感影像等领域，这种新的提取方法将会有广泛的应用，同时也丰富了互联网的
内容，提高了人们的智能化体验。

基于水文分析方法提取山脊线和山谷线1.提取思路：基于水文分析方法提取山脊线和山谷线实际上是对分水线和汇水线的提取。

对于山脊线来说，它同时也是分水线，即水流的起始点。

因此通过地表径流计算后，这些栅格的水流方向应该都只具有流出方向而不存在流入方向，也就是说这些栅格的汇流累积量为0，因此通过对0值的提取也就得到了山脊线。

对山谷线的提取，可以对反地形DEM数据提取山脊线，得到的就是实际上的山谷线。

2.基础操作步骤介绍：2.1 正负地形的提取：选择【系统工具箱→Spatial Analyst Tools→邻域分析→焦点统计】工具，得到邻域大小为11×11(可以根据需要自行设置)的矩形的平均值数据层Mean_DEM。

选择【系统工具箱→Spatial Analyst Tools→地图代数→栅格计算器】工具，输入"DEM" - "Mean_DEM"地图代数公式，得到正负地形分布区域数据层。

选择【系统工具箱→Spatial Analyst Tools→重分类→重分类】工具，将大于0的区域赋值为1，小于0的区域赋值为0，得到正地形数据层zhengdixing。

同样，选择【系统工具箱→Spatial Analyst Tools→重分类→重分类】工具，将大于0的区域赋值为0，小于0的区域赋值为1，得到负地形数据层fudixing。

2.2 山脊线的提取：选择【系统工具箱→Spatial Analyst Tools→水文分析→填洼】工具，对原始DEM进行洼地填充，得到无洼地DEM数据层Fill_DEM。

具，对无洼地DEM数据进行水流方向计算，得到流向数据层FlowDir。

具，计算汇流累积量，得到数据层FlowAcc。

选择【系统工具箱→Spatial Analyst Tools→地图代数→栅格计算器】工具，输入地图表达式"FlowAcc" == 0，提取汇流累积量为0的栅格区域，得到数据层Facc0。

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。

练习二地形特征信息提取1.实验背景特征地形要素，主要指对地形在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与起伏变化的基本框架。

与地形指标的提取主要采用小范围的邻域分析不同的是，特征地形要素的提取更多地应用较为复杂的技术方法，如山脊线、山谷线、沟沿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。

特征地形要素从表示的内容上可分为地形特征点和特征线两大类。

地形特征点主要包括山顶点、凹陷点、脊点、谷点、鞍点、平地点等。

基于DEM提取地形特征点，可利用3*3或更大的栅格窗口，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获取。

山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线（骨架线），因此它对于地形地貌研究具有重要意义。

另一方面，对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷分别代表示分水性与汇水性，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。

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，从算法设计原理上来分，大致可以分为以下五种：（1）基于图像处理技术的方法（2）基于地形表面几何形态分析的方法（3）基于地形表面流水物理模拟分析方法（4）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方法（5）平面曲率与坡形组合法其中，平面曲率与坡形组合法提取的山脊线、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。

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线，负地形上平面曲率的大值即为山谷。

实际应用中，由于平面曲率的提取比较复杂繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度上可以很好地表示平面曲率，因此，下面的提取过程以SOA代替平面曲率。

2.实验目的通过本实例，使读者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。