一种根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法

摘要

本发明公开了一种根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法，所述根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法包括以下步骤：确定地形的特征点；对特征点分类，找出山脊点和山谷点；确定生成山脊线和山谷线的判断因子；自动生成山脊线和山谷线；本发明通过利用矢量等高线的曲线的特征和几何形态分析的方法确定山脊点、山谷点等地形特征点，然后连接地形特征点形成山脊线、山谷线等地形特征线，识别速度高，并且提取出来的山脊线和山谷线等地形特征线与实际地形变化也是相符合的，同时能有效避免人工提取所带来的误差，本发明可以用于从数字化地形资料中提取地形轮廓线，此外，本发明操作方便，方法简单，有着很好的实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于地形及地貌研究的技术领域，尤其涉及一种根据矢量等高线数 据自动提取地性线的方法。

背景技术

在地学领域，如何从数字化等高线数据和数字地面模型(DEM)数据中自动 提取隐含在其中的山脊线和山谷线，一直是一项很重要的研究工作。

中外学者提出了许多适用于不同研究目的的特征信息自动提取方法，例如， 从数字化等高线数据中提取山脊线和山谷线进行等高线成组综合[费立凡.地形 图等高线成组综合的试验.武汉测绘科技大学学报，1993，18(增刊)]，提取DEM中 自然水系的D8法[Martz L W，Garbrecht J.(1992)Numerical definition of drainage  network and subcatchment areas from digital elevation models.Computers and  Geosciences.18(6).；Martz L W，Garbrecht J.(1999)An outlet breaching algorithm for  the treatment of closed depressions in a raster DEM.Computers and Geosciences. 25(6)]，从数字化等高线数据中提取山脊线和山谷线并将其用于高逼真度的地形 表示[Auman G， Ebner H，Tang L.(1991)Automatic derivation of skeleton lines  from digitized contours.ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 46(5)]，从DEM中提取山脊线和山谷线的剖面识别和多边形裂开方法[Chang Y C， Song G S，Hsu S K.(1998)Automatic extraction of ridge and valley axes using the  profile recognition and polygon-breaking algorithm.Computers and Geosciences. 24(1)]，从DEM中提取山脊线和山谷线的频率域一阶方向导数方法[余生晨，刘大 有，刘洪.山脊线与山谷线的计算机自动检测.中国图像图形学报，1999，4(8)]。

现有的与提取山脊线、山谷线相关专利主要集中在专用领域针对专用目的 的实现，具体有我国在2010授予的一项发明专利[一种基于嫦娥DEM数据的自 动识别山谷和山脊线的方法，申请号/专利号：201010578489.2，发明设计人： 刘荣高]，该发明提供一种基于嫦娥DEM数据的自动识别山谷和山脊线的方法。 该发明可以用于月球、火星等地物轮廓线的提取。还有我国在2012授予的一项 发明专利[一种在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法，申请号/专 利号：201210107518.6，发明设计人：刘建军，王东华，商瑶玲，赵文豪，蒯 希]，提供了一种在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法，可以广泛 用于地形数据细节精化优化、地学分析、DEM数据生产等领域。

发明内容

本发明的目的在于利用一种根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法， 旨在解决利用基于规则DEM数据的提取山脊线山谷线，在矢量等高线数据和 规则的DEM数据转换过程中会丢失很多地形特征信息，使得提取出来的山脊 线山谷线等信息与实际地形有较大的差异的问题。

本发明的目的在于提供一种根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法， 所述根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法包括以下步骤：

确定地形的特征点；

对特征点分类，找出山脊点和山谷点；

确定生成山脊线和山谷线的判断因子；

自动生成山脊线和山谷线。

进一步、所述根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法的具体步骤如下：

采用Split方法，先用等高线的最左边和最右边的两个点作为起始点，将闭 合等高线分为两部分，对于非闭合等高线选择其两个端点作为起始点，顺序计 算等高线上位于两个起始点之间的每一个点距两个起始点连线的垂距，并找出 其最大垂距点，若该点处等高线张角小于给定的阀值，则该点为特征点；

利用直线与曲线中的折线求交的方法对山脊点、山谷点识别；

按照参考点与待判断点间的距离在一限值内，待判断点与参考点的连线应 处于等高线在参考点所张的夹角内，等高线在参考点与待判断点处的张角方向 应基本相同，山谷线、山脊线待判断点的转向角在一限值内的原则确定生成山 脊线、山谷线的判断因子；

对山脊点、山谷点按其高程值大小进行排序，山脊点按高程值由小到大排 序，山谷点按高程值由大到小排序，按高程值由高向低逐条线来搜索山谷线， 然后连接山谷线，山脊线、山谷线的自动生成。

进一步、所述生成山脊线、山谷线的判断因子为：距离因子S，待判断点 与参考点间的距离，夹角因子α1，待判断点与参考点连线和参考点处等高线张 角角平分线的夹角，夹角因子α2，待判断点与参考点两点处的等高线张角角平 分线的夹角，夹角因子α3，当前连接特征线段与前一连接完毕的特征线段间的 转向角。

进一步、所述连接山谷线的搜索过程为：

第一步、先从所有未连线的山谷点中找出高程最高的山谷点(当前参考点)；

第二步、从比此点高程低且高差最小的那条等高线上找山谷点，若山谷点 不满足生成山脊线和山谷线原则中的任一条，则此点不予考虑，继续考察下一 点；从所有山谷点找出满足上面提到的原则的那一点，则此点为此特征线上的 点；

第三步、将刚找出的这点与当前参考点相连结，组成此山谷线上的一个线 段；

第四步、从刚找出的那个山谷点开始，重复第二步、第三步，继续向下一 条等高线寻找；

第五步、若在某山谷点搜索到的山谷线下一点已是别的山谷线上的点，或 者在该山谷点处由于距离超限或角度超限，总之找不到山谷线的下一点时，说 明此山谷线到此结束；

第六步、重复以上五步，继续提取下一条山谷线，直到结束。

本发明提供的根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法，通过利用矢量 等高线的曲线的特征和几何形态分析的方法确定山脊点、山谷点等地形特征点， 然后连接地形特征点形成山脊线、山谷线等地形特征线，本发明能够有效地通 过矢量等高线数据自动提取隐含在数字化地形中的山脊线和山谷线，识别速度 高，并且提取出来的山脊线和山谷线等地形特征线与实际地形变化也是相符合 的，同时能有效避免人工提取所带来的误差，本发明可以用于从数字化地形资 料中提取地形轮廓线，此外，本发明操作方便，方法简单，有着很好的实际应 用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法 的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的识别山脊点、山谷点原理图；

图3是本发明实施例提供的规则等高线的示意图；

图4是本发明实施例提供的山顶或山谷底的示意图；

图5是本发明实施例提供的不规则等高线的示意图；

图6是本发明实施例提供的特征点位于地形鞍部处的示意图；

图7是本发明实施例提供的实验区域特征点图的示意图；

图8是本发明实施例提供的实验区域特征线图的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法，该 根据矢量等高线数据自动提取地性线的方法包括以下步骤：

确定地形的特征点；

对特征点分类，找出山脊点和山谷点；

确定生成山脊线和山谷线的判断因子；

自动生成山脊线和山谷线。

作为本发明实施例的一优化方案，根据矢量等高线数据自动提取地性线的 方法的具体步骤如下：

采用Split方法，先用等高线的最左边和最右边的两个点作为起始点，将闭 合等高线分为两部分，对于非闭合等高线选择其两个端点作为起始点，顺序计 算等高线上位于两个起始点之间的每一个点距两个起始点连线的垂距，并找出 其最大垂距点，若该点处等高线张角小于给定的阀值，则该点为特征点；

利用直线与曲线中的折线求交的方法对山脊点、山谷点识别；

按照参考点与待判断点间的距离在一限值内，待判断点与参考点的连线应 处于等高线在参考点所张的夹角内，等高线在参考点与待判断点处的张角方向 应基本相同，山谷线、山脊线待判断点的转向角在一限值内的原则确定生成山 脊线、山谷线的判断因子；

对山脊点、山谷点按其高程值大小进行排序，山脊点按高程值由小到大排 序，山谷点按高程值由大到小排序，按高程值由高向低逐条线来搜索山谷线， 然后连接山谷线，山脊线、山谷线的自动生成。

作为本发明实施例的一优化方案，生成山脊线、山谷线的判断因子为：距 离因子S，待判断点与参考点间的距离，夹角因子α1，待判断点与参考点连线 和参考点处等高线张角角平分线的夹角，夹角因子α2，待判断点与参考点两点 处的等高线张角角平分线的夹角，夹角因子α3，当前连接特征线段与前一连接 完毕的特征线段间的转向角。

作为本发明实施例的一优化方案，连接山谷线的搜索过程为：

第一步、先从所有未连线的山谷点中找出高程最高的山谷点(当前参考点)；

第二步、从比此点高程低且高差最小的那条等高线上找山谷点，若山谷点 不满足生成山脊线和山谷线原则中的任一条，则此点不予考虑，继续考察下一 点；从所有山谷点找出满足上面提到的原则的那一点，则此点为此特征线上的 点；

第三步、将刚找出的这点与当前参考点相连结，组成此山谷线上的一个线 段；

第四步、从刚找出的那个山谷点开始，重复第二步、第三步，继续向下一 条等高线寻找；

第五步、若在某山谷点搜索到的山谷线下一点已是别的山谷线上的点，或 者在该山谷点处由于距离超限或角度超限，总之找不到山谷线的下一点时，说 明此山谷线到此结束；

第六步、重复以上五步，继续提取下一条山谷线，直到结束。

以下参照附图，对本发明实施例根据矢量等高线数据自动提取地性线的方 法作进一步详细描述。

如图1-图8所示，本发明实施例的根据矢量等高线数据自动提取地性线的 方法包括以下步骤：

S101：确定地形的特征点；

S102：对特征点分类，找出山脊点和山谷点；

S103：确定生成山脊线和山谷线的判断因子；

S104：自动生成山脊线和山谷线；

本发明的具体步骤如下：

步骤一、地形特征点的确定：

山脊线和山谷线上的点在等高线上的特征表现为等高线局部曲率的最大 点，即等高线弯曲变化的特征点。等高线上特征点的确定与线段的简化、压缩 算法的原理相近，故几乎所有的曲线简化算法均可用于特征点的确定，这里采 用Split方法，先用等高线的最左边和最右边的两个点作为起始点(对于闭合等 高线)，将闭合等高线分为两部分，对于非闭合等高线选择其两个端点作为起始 点。起始点确定后，顺序计算等高线上位于两个起始点之间的每一个点距两个 起始点连线的垂距，并找出其最大垂距点，若该点处等高线张角小于给定的阀 值(采用165°，如果张角大于165°，则等高线在此处近似于直线，弯曲变化 小)，则该点为特征点。这个特征点将原等高线分为两部分，对每一部分确定新 的起始点，即用该特征点分别与原两个起始点构成两对新的起始点，用相同的 方法对这两段曲线找出各自的特征点。

步骤二、山脊点、山谷点识别：

找出地形特征点后，还要对其进行分析判断，找出哪些特征点是山脊点、 哪些特征点是山谷点。

最直观判断山脊点、山谷点的方法如图2所示，即计算特征点C处等高线 张角范围内某点D的高程，并与C点高程比较，如果D点的高程大于C点高 程，则C点为山脊点；反之，C点为山谷点。此种方法看似简单，但由于计算 D点高程过程复杂，计算量大，影响判断效率。本发明利用直线与曲线中的折 线求交的方法(等高线由若干折线构成)，简化了计算过程。为减少计算量，提 高计算效率，选用了一个距离阀值(本发明采用的是等高距的12倍)，这样就 把求交判断限定在很小的一个范围，从而减少了计算量，提高了计算的效率。 山脊点、山谷点的判断分以下3种情况进行。

1、如图3所示，等高线为常规的规则形状，C点为步骤(1)找出来的一 个地形特征点，A点、B点为与C点同一条等高线上位于C点左右两侧且与C 相邻的点(曲线拟合的点或数字化点)，D点为由AB连线的中点向C点相反方 向所作垂线与相邻等高线的交点，D点的高程为该等高线的高程。如果D点的 高程大于C点高程，则C点为山脊点；反之，C点为山谷点。

2、如图4、图5所示，按第一种情况所述方法得到的D点为同一等高线上 的点，则D点的高程与C点的高程相等，无法判断C点是山脊点或山谷点，说 明该特征点(C点)位于山顶或山谷底处，或者特征点处的等高线为极不规则 的等高线。对于此种情况，由AB连线的中点向C点相同方向作垂线，得到与 相邻等高线的交点D′(如图3、图4所示)，D′点的高程为该等高线的高程。 如果D′点的高程小于C点高程，则C点为山脊点；反之，C点为山谷点。

3、如图6所示，由第二种情况得到的D′点的高程与C点的高程仍然相 等，但是此时D′点与C点分属于不同的等高线，则特征点位于地形鞍部处。

通过以上几个步骤，就可找出所有的山脊点和山谷点，为了方便而快速地 生成山脊线和山谷线，将山脊点和山谷点用不同的链表分别存放。

步骤三、生成山脊线、山谷线的判断因子的确定：

生成山脊线、山谷线应遵循如下原则：①参考点与待判断点间的距离在一 限值内；②待判断点与参考点的连线应处于等高线在参考点所张的夹角内；③ 等高线在参考点与待判断点处的张角方向应基本相同；④山谷线、山脊线待判 断点的转向角在一限值内。

从以上原则可以得出生成山脊线、山谷线时对应的4个判断因子：①距离 因子S，待判断点与参考点间的距离；②夹角因子α1，待判断点与参考点连线 和参考点处等高线张角角平分线的夹角；③夹角因子α2，待判断点与参考点两 点处的等高线张角角平分线的夹角；④夹角因子α3，当前连接特征线段与前一 连接完毕的特征线段间的转向角。

步骤四、山脊线、山谷线的自动生成

在生成特征线之前，应先对山脊点、山谷点按其高程值大小进行排序，山 脊点按高程值由小到大排序，山谷点按高程值由大到小排序。

连接山谷线是按高程值由高向低逐条线来搜索的，其搜索过程如下：

第一步、先从所有未连线的山谷点中找出高程最高的山谷点(当前参考点)。

第二步、从比此点高程低且高差最小的那条等高线上找山谷点，若山谷点 不满足步骤(3)提到的4条原则中的任一条，则此点不予考虑，继续考察下一 点；从所有山谷点找出满足上面提到的4条原则的那一点，则此点为此特征线 上的点。

第三步、将刚找出的这点与当前参考点相连结，组成此山谷线上的一个线 段。

第四步、从刚找出的那个山谷点(此时，该点为当前参考点)开始，重复 第二步、第三步，继续向下一条等高线寻找。

第五步、若在某山谷点搜索到的山谷线下一点已是别的山谷线上的点，或 者在该山谷点处由于距离超限或角度超限，总之找不到山谷线的下一点时，说 明此山谷线到此结束。

第六步、重复以上五步，继续提取下一条山谷线，直到结束。

连接山脊线是高程值由低向高逐条线来搜索的，其搜索的原理和方法与连 接山谷线时的相同。

图7为用本发明所提供的方法检测到的实验区域等高线特征点图，图8为 用本发明所提供的方法法得到的实验区域山脊线、山谷线图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。