_一种基于等高线的地形特征线提取方法

一种基于等高线的地形特征线提取方法Biblioteka Baidu
张 尧１ ，樊 红２ ，李 玉 娥３
１．四川省基础地理信息中心，四川 成都 ６１００４１；２．武汉大 学 测 绘 遥 感 信 息 工 程 国 家 重 点 实 验 室 ，湖 北 武 汉 ４３００７９； ３．四川智图信息技术有限公司，四川 成都 ６１００４１
Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｔｅｒｒａｉｎ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｏｎｔｏｕｒ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｒｒａｉｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｅｒｒａｉｎ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｔｅｒｒａｉｎ ｆｅａｔｕｒｅ ｌｉｎｅｓ．Ｔｈｅｙ ａｒｅ ｂａｓｉｃ ｏｂｊｅｃｔ ｔｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｌａｎｄｓｃａｐｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｄｓｃａｐｅ．Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｎｔｏｕｒ－ｂａｓｅｄ ｔｅｒｒａｉｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｌｉｎｅｓ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ｌｉｎｅｓ ａｒｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆｅａｔｕｒｅ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｔｈａｔ ｉｎｃｌｕｄｅ ｃｏｎｃａｖｅ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｘ ｓｅｇｍｅｎｔｓ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｌｌｅｙｓ ａｎｄ ｒｉｄｇｅｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ－ａｎｇｌｅ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｄｇｅｓ ｏｆ ｆｅａｔｕｒｅ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｅｄｇｅｓ，ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｄｅｌａｕｎａｙ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ（ｒｅｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ＣＤＴ）ａｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｓｋｅｌｅｔｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＤＴ ｏｆ ｅｖｅｒｙ ｆｅａｔｕｒｅ ｓｅｇｍｅｎｔ ａｒｅ ｔｒａｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｔｅｒｒａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｌｉｎｅ ｔｒｅｅ ａｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｓｋｅｌｅｔｏｎｓ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｆ ｎｏｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｒａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｌｉｎｅ ｔｒｅｅｓ ａｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ａｎｄ ｂｅ ｔｒｅａｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｒｒａｉｎ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅ ｓｅｇｍｅｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｅ ｔｅｒｒａｉｎ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｔｒａｃｋｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｅｒｒａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｌｉｎｅｓ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｅａｔｕｒｅ ｓｅｇｍｅｎｔ；ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｄｅｌａｕｎａｙ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ；ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ；ｔｅｒｒａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｌｉｎｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
基于特征段的 ＣＤＴ 生成步骤为： （１）选 取 特 征 段 第 １ 个 点 Ｐ１ 和 第 ２ 个 点 Ｐ２，连成有向线段 Ｐ１Ｐ２ 作为初始基线。 （２）沿基线固定一侧搜寻可能为第 ３ 点的候 选点集 Ｃ，寻找 与 基 线 两 端 点 连 线 夹 角 最 大 点 作 为第３点，假设为 Ｍ 点，则 有 ∠Ｐ１ＭＰ２ 最 大。 生 成三角形 Ｐ１ＭＰ２。 在 哪 一 侧 搜 寻 取 决 于 特 征 段 的凹凸性，对于凹段，应 沿 基 线 Ｐ１Ｐ２ 方 向 右 侧 查 找候选点集 Ｃ；对 于 凸 段，则 沿 基 线 Ｐ１Ｐ２ 方 向 左 侧查找候选点集 Ｃ。 （３）分 别 以 有 向 线 段 Ｐ１Ｍ 以 及 有 向 线 段 ＭＰ２ 作为新基线，重 复 步 骤 （２）、（３）直 到 所 有 点 处理完毕。 以图 ３ 所 示 凸 段 为 例，首 先 找 到 初 始 基 线 Ｐ１Ｐ２。本文采 用 矢 量 叉 积 法 搜 索 位 于 基 线 左 侧 的点，对于第ｎ 个点Ｐｎ，如果 Ｐ１Ｐ２×Ｐ１Ｐｎ＞０（凹
的有序排列，而 ＤＴ 适 合 对 大 量 不 规 则 离 散 点 构 造 Ｄｅｌａｕｎａｙ三角网，对少量点构造的三角网的规 整性往往差强人意。不规则的三角网很容易丧失 探测和表达弯曲特征的条件。本文改进传统等高 线三角网的生成 方 法，提 出 了 三 角 网 生 长 法 对 特 征段构建 ＣＤＴ。
图 ２ 凹 凸 点 构 成 的 特 征 段 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｓｅｇｍｅｎｔ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄ ｂｙ ｃｏｎｃａｖｅ ａｎｄ
摘 要：地形特征包括地形特征点和特征线，是进行地貌分 析 与 处 理 的 基 本 对 象，也 是 地 貌 结 构 化 综 合 的 重 要 内 容。 提 出并实现了一种新的等高线特征提取 方 法。 该 方 法 通 过 对 等 高 线 进 行 凹 凸 段 划 分，获 得 等 高 线 特 征 段 （包 括 凹 段 和 凸 段，分别对应山谷和山脊），利用最大角作为约束条件，利 用 特 征 段 的 边 作 为 约 束 边 对 所 有 特 征 段 构 建 约 束 型 Ｄｅｌａｕｎａｙ 三角网。然后，获取特征段 ＣＤＴ的骨架线作为局部特征段的 地 形 特 征 线 树，并 将 每 棵 地 形 特 征 线 树 的 叶 节 点 作 为 相 应 特征段上的特征点。最后，利用特征段及其 ＣＤＴ对特征点进行匹配，完成地形特征线的追踪，生成地形特征线。 关键词：特征段；约束型 Ｄｅｌａｕｎａｙ三角网；特征点提取；地形特征线连接
中 图 分 类 号 ：Ｐ２０８ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００１－１５９５（２０１３）０４－０５７４－０７
１ 引 言
地形特征线又 叫 地 性 线，包 括 山 脊 线 和 山 谷 线。它描述了地 形 的 骨 架 结 构，揭 示 了 地 貌 形 态 的本质，在数字高程模型（ＤＥＭ）生 成、地 貌 综 合、 流 域 分 析 、水 文 分 析 、河 系 自 动 生 成 等 研 究 中 具 有 重要作用。目前，地 形 特 征 线 的 自 动 提 取 算 法 均 源于两种原理：基 于 几 何 形 态 分 析 和 基 于 地 形 表 面流水分析［１］，具 体 的 方 法 前 者 有 等 高 线 曲 率 判 别 法、多 因 子 特 征 提 取 法［２－３］、等 高 线 骨 架 化 法。 根据数据源不同还可以将地形特征线提取方法分 为 基 于 等 高 线 的 地 形 特 征 提 取 和 ［４－７］ 基 于 ＤＥＭ
第４期
张 尧 ，等 ：一 种 基 于 等 高 线 的 地 形 特 征 线 提 取 方 法
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由于构成等高线 的 离 散 点 分 布 疏 密 程 度 不 同，在 相 邻 等 高 线 的 影 响 下 ，难 免 会 遗 漏 少 量 弯 曲 特 征 ， 进而导致局部地形特征线在连接时出现中断。为 此 文 献 ［１６］预 先 对 满 足 一 定 条 件 的 等 高 线 进 行 插 值处理，再采用联合 ＤＴ 的方法提取地形特征线， 从而解决大部分地形特征线中断的问题。但是这 样 获 取 的 地 形 特 征 线 很 不 平 滑 ，局 部 呈 现 锯 齿 状 ， 给地形特征线的评价增加了难度和不准确因素。
经过凹凸段划分获得的特征段是一些离散点
三角网生长法 先 确 定 起 始 基 线，然 后 通 过 一 定的搜寻规则寻找第３ 点生长出第 １ 个 ＣＤＴ，再 以两条新 边 作 为 新 的 基 线 继 续 ＣＤＴ 的 “生 长 ”， 直到该段上所 有 的 点 都 参 与 构 网。 本 文 采 用 “最 小角最大”原则 作 为 寻 找 第 ３ 点 的 限 制 条 件。 需 要注意的是凹段 和 凸 段 的 弯 曲 方 向 相 反，在 实 际 操作中应有所区别。
ＺＨＡＮＧ Ｙａｏ１，ＦＡＮ Ｈｏｎｇ２，ＬＩ Ｙｕ’ｅ３ １．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｇｅｏｍａｔｉｃ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ，Ｍａｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７９，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｓｍａｒｔ Ｍａｐ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１，Ｃｈｉｎａ
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Ａｕｇｕｓｔ ２０１３ Ｖｏｌ．４２ Ｎｏ．４ ＡＧＣＳ
第 ４２ 卷 第 ４ 期 ２０１３ 年 ８ 月
测 绘 学 报 Ａｃｔａ Ｇｅｏｄａｅｔｉｃａ ｅｔ Ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．４ Ａｕｇ．，２０１３
ＺＨＡＮＧ Ｙａｏ，ＦＡＮ Ｈｏｎｇ，ＬＩ Ｙｕ’ｅ．Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｔｅｒｒａｉｎ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｏｎｔｏｕｒ ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｇｅｏｄａｅｔｉｃａ ｅｔ Ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１３，４２（４）：５７４－５８０．（张 尧 ，樊 红 ，李 玉 娥 ．一 种 基 于 等 高 线 的 地 形 特 征 线 提 取 方 法 ［Ｊ］．测 绘 学 报 ，２０１３，４２（４）：５７４－５８０．）
的地形特征提取 两 ［８－１２］ 种，本文的方法属于前者。 与 其 他 方 法 相 比，利 用 Ｄｅｌａｕｎａｙ 三 角 网
（Ｄｅｌａｕｎａｙ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ，ＤＴ）模 型 和 约 束 型 Ｄｅｌａｕｎａｙ 三 角 网 （ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｄｅｌａｕｎａｙ ｔｒｉａｎｇｕ－ ｌａｔｉｏｎ，ＣＤＴ）［１３－１７］来 探 测 和 表 达 曲 线 的 弯 曲 特 征 能较好地顾 及 弯 曲 的 对 称 性 与 层 次 性。 然 而，简 单地将 ＤＴ 模型 用 于 等 高 线 弯 曲 检 测，相 邻 曲 线 上 的 点 会 相 互 干 扰 ，造 成 一 些 关 键 弯 曲 无 法 提 取 ， 或者提取出一些小于人 们 认 知 意 义 上 的 弯 曲 。 ［１５］ 为避免这种干 扰 文 献 ［１５］提 出 了 联 合 ＤＴ 模 型。 但 是 ，由 于 等 高 线 的 嵌 套 特 性 ，基 于 单 条 等 高 线 生 成的三角网之间 会 存 在 大 量 的 相 交 三 角 形，而 且
针对上述问题，本 文 提 出 了 一 种 基 于 特 征 段 ＣＤＴ 的地形特征线生成方法。
２ 基 本 思 路
基于特征段 ＣＤＴ 的 地 形 特 征 线 生 成 方 法 在 对等高线划分特征段的基础上生成特征 段 ＣＤＴ， 然后利用 特 征 段 ＣＤＴ 获 得 局 部 地 形 特 征 线 树， 进而确定 地 形 特 征 点，并 利 用 特 征 段 ＣＤＴ 进 行 地 形 特 征 线 的 自 动 追 踪 ，获 取 地 形 特 征 线 。
ｃｏｎｖｅｘ ｐｏｉｎｔｓ
图 １ 总 体 思 路 示 意 图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｉｄｅａ
３ 具 体 方 法
３．１ 特 征 段 划 分 特 征 段 又 称 凹 凸 段 、特 征 弯 曲 ，是 指 等 高 线 上
对应着分 水 地 带 （山 脊 ）与 汇 水 地 带 （山 谷 ）的 弧 段。特征段划 分 一 般 采 用 矢 量 叉 积 法 。 ［２，１８］ 图 ２ 为采用此法获得的特征段示意图。 ３．２ 基于特征段构建约束 Ｄｅｌａｕｎａｙ三角网