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。

山谷线山脊线的提取毕业设计目录第1章前言 (1)1.1 山谷（脊）线提取的目的和意义 (1)1.2 山谷（脊）线提取技术的研究现状 (2)1.3山谷（脊）线提取的主要方法分类 (4)1.4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 (6)2.1 ArcGIS软件简介 (6)2.2 ArcGIS山谷（脊）线提取的基本原理 (6)2.3 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 (17)3.1 TauDEM软件简介 (17)3.2 TauDEM山谷（脊）线提取的基本原理 (18)3.3 TauDEM山谷（脊）线提取的方法步骤 (20)第4章山谷（脊）线提取结果的对比分析 (26)4.1 TauDEM与ArcGIS山谷（脊）线提取结果对比分析 (26)4.2 TauDEM山谷（脊）线提取结果优势总结 (28)4.3 ArcGIS与TauDEM的结合处理 (29)结论 (31)致谢............................................................................... 错误！未定义书签。

参考文献 (33)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。

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。

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。