1、第32卷第1期2007年1月測繪科學Science of Surveying and M app ingVol 132No 11Jan 1 作者簡介:李勤超(1982 ,男,湖北天門人,解放軍信息工程大學測繪學院六系三隊450052,碩士生,主要從事地理信息系統研究。E mail:poll_lenyahoo 1com 1cn收稿日期:20060316基于D E M 提取水域特征的一種算法實現李勤超,李宏偉,孟嬋媛(解放軍信息工程大學測繪學院,鄭州450052;海軍海洋測繪研究所,天津300061【摘要】本文提出并實現了一種基于規則格網DE M 的地形特征線提取算法。該算法基于水文模擬方法,提出

2、了平地、洼地的結構模型,研究了它們形成復雜洼地的拓撲關系,在此基礎上設計了洼地填平等算法,簡便快捷,在邙山小流域水土保持項目中得到應用,效果較好。【關鍵字】格網DE M;水文模擬;地形特征;水域特征【中圖分類號】P282【文獻標識碼】A 【文章編號】10092307(2007010103021引言河流水系的提取技術被廣泛應用于地圖制圖、水文模擬和地質災害預測等眾多研究領域。傳統的人工方法不僅費時費力,而且由于水系級別的人為確定和低級別水流線的刪除等問題,造成了許多誤差。近年來,隨著地理信息系統(GI S 的日益普及,特別是能夠表達豐富地貌信息的數字高程模型(DE M 技術的出現,使從DE M

3、中提取地貌特征信息成為一項重要的研究工作。中外學者提出了許多自動提取的方法,并開發了相關的軟件。根據算法設計的原理,從DE M 中自動提取水系網絡的方法主要分為三類1:基于地形表面幾何形態的方法,也稱之為局部方法,如Johnst on 和Rosenfeld 等的地形方向斷面極值法,以及Tribe 的河谷網絡算法,該方法提取的河流網絡,存在河流結點的不連續性以及河流源頭定位的隨意性等問題;基于地表水流模擬的方法,也稱之為全局方法,它首先給每個DE M 單元賦流向,然后根據所有單元的流向產生一個全連接的、單個單元寬度的流向網絡,最后根據集水區識別河流網絡;對DE M 單元賦流向是根據水流向最低的物

4、理原理,包括D8、Rho8、DE MON 以及D 等方法,其中最具代表性的是D8法,簡單快捷,且依據水流的物理原理和水文學模型,具有重要的實用價值,本文即表述了基于該算法的一種實現;基于局部方法和全局方法的復合方法,它是在全局徑流一致性的基礎上,考慮到局部地貌的特殊性而采取的一種加權方法,使提取的水系與實際河流更好地擬合。但該方法具有很強的針對性,因此其適用性受到限制。2水文模擬算法的原理基于地表水流模擬的地形特征提取算法基本原理是2:根據地表水流從高處流向低處的自然規律,計算DE M 中每一單元的匯水量,可以認為匯水量大于某個閾值的單元屬于匯水線,如果將這些匯水量大于給定閾值的離散點,按規則

5、連接起來就可以將匯水線即山谷線提取出來。該原理的關鍵是3個矩陣的生成:填平原始DE M 中的洼地生成無洼地高程矩陣;在無洼地高程矩陣基礎上計算水流方向矩陣;在水流方向矩陣基礎上計算水流累積矩陣。在實際提取過程中,因在填平洼地時用到了每個單元的水流方向信息,所以應先計算水流方向矩陣。在得到上述3個矩陣后,即可進行地形特征或水文特征提取、匯水區域計算等分析,算法的流程圖(見圖1。圖1水文模擬算法流程本文采用D8算法計算單元水流方向,即根據DE M 柵格單元和八鄰域單元之間的最大坡降來確定水流方向,文獻3等都有詳述。本文的重點是洼地填平算法的設計。3模型建立與算法設計朱慶、趙杰4等曾提出在水文模擬方

6、法的基礎上,提取洼地的一些矢量特征,將矢量操作與柵格操作結合起來對DE M 中的洼地進行處理。本文即是受此啟發,將洼地、平地都抽象為矢量對象,并更深入討論了它們之間的關系,在此基礎上設計了洼地填平等操作,算法具體步驟如下:首先基于柵格操作,得到每個單元的流向,檢測出平地與洼地并提取其矢量特征;然后將平地與洼地構建為矢量對象,操作這些對象完成洼地填平步驟;對于矢量平地對象,再將其化為柵格單元,利用矢量特征出流點,按規則給其每個單元賦流向,最終得到水文特征分析所要的水流方向矩陣。在上述操作基礎上完成河網提取(匯水能力閾值取用平均水流累計值和流域劃分。311基本對象結構平地、洼地的結構如圖2:圖2平

7、地(a、洼地(b結構圖 按照D8算法,我們將根據每個單元的流向賦值(如圖3,得到初始方向矩陣。在原始DE M 數據源中,存在許多無法給DE M 單元賦流向的情況(周圍單元比中心單元高或等高,此時將其值賦為0,稱這些點為零點。從這些零點出發,采用種子算法5,可以檢測出平地與洼地,這里不再贅述。將檢測出來的平地、洼地按上圖中的結構進行組織、存儲。其中edge 為邊緣點,fl owpoint 為出流點,bott om 則是洼地中的零點集合。需要指出的是,平地、洼地的出流點的意義并不同,前者指平地邊緣點中有最大坡降的點,后者則是洼地邊緣點中高程值最小的點,且兩者可能都不唯一。對于洼地來說,要求執行填平

8、操作后形成平地。312對象關系對于簡單的洼地,將洼地中高程值小于其出流點高程的單元用出流點高程代替即可形成平地,生成平地的出流點應出自原洼地的出流點。如果某一洼地的出流點同時是別的洼地或平地的邊緣點,情況就復雜許多。比如洼地出流點是一平地邊緣點,可將洼地填平并直接與此平地合并,生成新平地。問題的關鍵在于洼地出流點的狀態,所以在洼地、平地的檢測同時還要記錄下其出流點狀態。本文從簡化的情況開始,在洼地只有一個出流點的假設下,分別討論兩個洼地以及一個洼地與一個平地的關系。若兩個洼地共享唯一出流點,兩個洼地可分別填平并合并:若在此點兩洼地存在互指關系,即在出流點水流方向相互指向了對方,則填平合并后的部

9、分將還在洼地內,且是新洼地bott om 部分;否則,填平合并后將形成平地,而且由于在出流點周圍可能存在與其高程相等的點,平地還可能在此處擴張。需要指出的是所謂呈環狀指向的復雜洼地,可歸于相鄰洼地互指的情況。如圖4,設洼地D 1、D 2、D 3的出流點高程分別為h 1、h 2、h 3。出流點是洼地邊緣點中高程最小的點,D 1的出流點指向了D 2,應是D 1、D 2的邊緣點,所以有h 1h 2。依次類推,有h 1h 2h 3h 1,所以h 1=h 2=h 3,即D 1與D 2、D 1與D 3、D 2與D 3都應是互指的關系 。若洼地出流點在平地邊緣,顯然洼地填平后可與平地合并,生成新平地,且將繼

10、承原平地的出流點。313填平算法設計與實現考慮復雜洼地的合并及平地的擴張均是在洼地出流點發生,而新并入的洼地或平地可能帶來更多地出流點,本文設計了如下迭代算法用于填平洼地:搜索、考察洼地每一個出流點狀態,符合上一小節合并條件的,合并相應的洼地或平地;對于并入的洼地,繼續按上述方法處理其出流點;對于并入的平地,搜索、考察其邊界點,判斷其是否為其他洼地出流點,即是否滿足上節條件,作相應處理;在洼地出流點處,滿足上節條件的,還應作擴散處理(按洼平地檢測時使用的種子算法。在實際操作中還有更復雜的情況,如兩洼地共用的出流點是平地邊界點等,依然可套用上述算法。將上面的步驟迭代進行,直至洼地形成獨立的平地;

11、所有洼地都執行此操作,即可完成水文模擬算法的填洼過程。314平地水流方向確定針對平地水流方向問題很多研究者提出了不同的方法:Martz 和Garbrecht 的微地貌起伏算法,對平地單元高程增加不同微量直至每個單元都有一個明確的水流方向;Tribe 提出了一種匯聚模式的賦流向方法,使河流在平原區內通過的距離最短;Jens on 的方法是從出水口出發首先確定與出口點相鄰的平地點的流向,然后處理這些點的鄰域點,如此迭代直到整個平地內所有點都被賦予流向。朱慶等對這些方法進行了比較4,提出了利用平地失量模型,從提取的出流點開始,由近至遠隨機選擇相鄰單元進而標定整個平地流水方向,使其匯聚于出流點,方便快

12、捷,還能有效消除平行和鋸齒,本文即是采用此法。4應用結果本算法成功應用于邙山小流域水土保持應用系統,利用獲得的邙山小流域DE M 數據(1131453278°1131622111°E 、341824191°341886296°N 、5m 精度,共3776行×1408列,面積95177k m 2進行了河網提取和流域劃分(圖5 。圖5邙山小流域河網提取、流域劃分結果圖從圖5可看出河網提取和流域劃分結果較好的匹配了原始DE M 影像。該算法在其他小流域的適用性有待進一步驗證。5結論本文提出了洼地、平地矢量結構模型,討論了它們之間關系,以面向對象的思想

13、設計了洼地填平以及平地水流方向確定的算法,與以往算法相比速度更快,也更客觀,并且在邙山小流域水土保持應用系統中運用,取得較好的成果。參考文獻1徐濤,胡光道1基于數字高程模型自動提取水系的若干問題J .地理與地理信息科學,2004,20(5:111412湯國安,劉學軍,閭國年1數字高程模型及地學分析的原理與方法M .北京:科學出版社,200513李志林,朱慶1數字高程模型M .武漢:武漢大學出版社,200114朱慶,趙杰,鐘正1基于規則格網DE M 的地形特征提取算法J .測繪學報,2004,33(1:778215周貴云,劉瑜,鄔倫1基于數字高程模型的水系提取算法J .地理學與國土研究,2000

14、,16(4:778116易紅偉,湯國安,劉詠梅1河網徑流節點及其基于DE M 的自動提取J .水土保持學報,2003,17(3:10811117任立良,劉新仁1數字高程模型信息提取與數字水文模型研究進展J .水科學進展,2000,11(4:4634691401測繪科學第32卷technique in visual studi o1net,takes Taihu lake watershed as a study area in order t o establish an unified,efficient and reliable sys2 te m f or data sharing1Th

15、e data sharing syste m p r ovides a great deal of data f or comp rehensive manage ment of Taihu lake watershed,and benefits f or the devel opment of the watershed1Key words:Taihu lake watershed;s mart client;data sharing; syste m i m p lementati on;FEN G L i,L I U X iao m ei,HE B aojing(Depart m ent

16、 of U rban and Res ources Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093,China;Nanjing I nstitute of geography and li m nol ogy, CAS Nanjing210008M erg i n g ASTER w ith T M/ET M+da t a to m on itor l and cover changeAbstract:Monit oring landuse and landcover change usually u2 ses high s patial res olut

17、i on i m ages,such as I K ONOS,QU I CK B I RD or SP OT51I n this paper,taking Haidian district f or exa mp le,the au2 thors merge ASTER with T M/ET M+median res oluti on i m ages by B r ovey transfor m and p rinci pal co mponent analysis(PC Amethods, atte mp ting t o make full use of multis pectral

18、and higher s patial res olu2 ti on characteristic of ASTER and T M/ET M+i m ages,even t o m ine their potential which can be used in landuse and landcover change1 This paper may p r ovide scientific reference for cos m ically monit oring landuse and landcover change1The authors have merged multis pe

19、ctral(bands3N,2,1ASTER i m age of2003with panchr o matic ET M+i m age of1999using B r ovey transf or m Method,and fused T M543col or co mpositi on i m ages of1992with ET M+P AN of1999by PC A method,finally,as a result,both fusi on i m ages can sho w change clearly1By tested,the p recisi on of change

20、 inf or mati on detecti on ar2 rived92150%,which accords with the de mand of app licati on1I n this study,the result sho ws that cheaper ASTER and T M/ET M+data fu2 si on may efficiently monit or landcover change,es pecially in the re2 gi on without high res oluti on data,which can save the cost of

21、dyna m ic monit oring1Mean while,it indicates that ASTER and T M/ET M+i m2 ages have large utility value,and deserve extensive use1Key words:ASTER;T M/ET M+;br ovey transf or m;PCA; landcover changeHE Fenqin,HU Z henqi,Y I N J ianzhong,FAN G Sh i bo(I nstitute of Land Reclamati on and Ecol ogical Re

22、st ora2 ti on,China University ofM ining and Technol ogy,Beijing100083, China;State Key Laborat ory of I nf or mati on Engineering in Sur2 veying,M app ing and Remote Sensing,W uhan University,W u2 han430079,China;I nstitute of Botany,CAS,Beijing 100093,ChinaThe software m ethods rea li za ti on to

23、i m prov i n g rea lti m e re2 spon se i n e m bedded G I SAbstract:Due t o comp rehensive app licati on,it is very signifi2 cant t o research realti m e res ponse about e mbedded GI S1After choo2 sing an e mbedded CP U,there are s ome s oft w are methods t o i m p r ove realti m e res ponse1Map s p

24、ace data organizing structure,double buffer technique,s pecial arithmetic of drawing map sy mbols,etc are described in details in this article1Testing indicates that these ways are very effective1Key words:e mbedded GI S;realti m e res ponse;bl ocked and graded s pace data architecture;double buffer

25、 technique1HU Zem ing,YU E Chunsheng,WAN G Zhigang(I nfor ma2 ti on Engineer University,Zhengzhou in Henan Pr ovince,450002Syste m desi gn of veh i cle i n forma ti on manage m en t pl a tfor m and its key technology ana lysisAbstract:This paper is mainly about the infor mati on manage2 ment of vehi

26、cles based on GPS l ocati on infor mati on1Firstly,it gives the syste m design of vehicle inf or mati on trace and manage ment1 Then,it analyzes the relative key technol ogies1Finally,it gives the effective exa mp le and its perf or mance analysis1Key words:moving objects l ocati on;GPRS;W eb Servic

27、es; COM+;database connecti on poolHUAN G Guangyu,SHEN Zhanfeng,LUO J ianchengSHEN G Hao(School of the Earth Sciences and Res ources,Chi2 na University of Geosciences,Beijing100083,China;I nstitute of Re mote Sensing App licati ons,Chinese Acade my of Sciences,Beijing 100101,ChinaAn a lgor ith m for

28、extracti n g wa tershed fea tures ba sed on D E M Abstract:This paper p resents an algorith m f or watershed fea2 tures extracti on based on DE M1On the basis of hydr ol ogy si m ulati on algorith m,we p r opose a structural model of the dep ressi ons and flats,and study the t opol ogical relati ons

29、 when f or m ing the comp lex dep ressi ons1Then we design an algorith m t o fill dep ressi ons1This app r oach has been used in the p r oject of water and s oil p reservati on in Mangshan s mall watershed1And the result p r oves its efficiency and convenience1Key words:grid DE M;hydr ol ogy si m ul

30、ati on;t opographic fea2 ture;watershed featureL I Q inchao,L I Hongw ei,M EN G Chanyuan(I nsti2 tute of Surveying and Mapp ing,I nf or mati on Engineering University, Zhengzhou450052,China;Naval I nstitute of Hydr ographic Sur2 veying and Charting,Tianjin300061,ChinaPositi on and area prec isi on s

31、tudy of Spot5i m age correcti on i n urbanAbstract:I n order t o p r obe the positi on and area p recisi ons of the SP OT5i m age corrected with2D polynom ial in urban regi on,dif2 ferent p recisi on(acquired fr om GPS field surveying and1:10000 t opography mapand nu mber(25and6of gr ound contr ol p

32、oints (GCPswere used t o correct the SP OT5i m age with2D polynom ial functi on res pectively110GPS points were used as check points (CPst o test the positi on and area p recisi on of f our results1The conclusi ons were dra wn that:(1For urban SP OT5i m age,thr ough 2D2sd polynom ial functi on using

33、6high p recisi on GPS GCPs,better positi on p recisi on could be obtained1(2Satisfied positi on p recisi on could be reached using1:10000t opography map if GCPs are e2 nough and l ocati on of the m is well distributed1(3Satisfied area p recisi on could be reached on the i m ages corrected by GPS CPs

34、 and map CPs and that is enough for urban green s pace syste m surveying1 (4The relati onshi p bet w een positi on and area err ors is comp lex on the corrected i m ages,s o the area err ors cannot be deduced by point err ors according t o theory of err ors1Key words:RS;SP OT5;geometric correcti on;

35、point and area p recisi onFEI X ianyun,ZHANG Zhiguo,G AO X iangwei,Q I U J ianzhuang(College of I nf or mati on Science and Engineering, Shandong Agricultural University,Taian,271018;College of Re2 s ources and Envir on ment,Shandong Agricultural University,Taian, 271018;I nstitute of Land Recla mat

36、i on and Ecol ogical Reconstruc2 ti on,China University ofM ining and Technol ogy,Beijing100083The appli ca ti on of3D Zern i ke m o m en ts i n3D terra i n ma tch i n g Abstract:I n this paper the theory of matching research of3D terrain are given firstly1Then the definiti on of3D Zernike mo ments

37、is intr oduced1A3D terrain matching alg orith m based on3D Zernike mo2 ments is pr oposed1The i m p le mentati on of this alg orith m is presented1 Finally,as is revealed by our study,the alg orith m based on the3D Zernike mo ments is a mong the most successful technique at p resent1 Key words:3D te

38、rrain surface;3D Zernike mo ments;terrain matchingHU X iulin,CHE L ong,YE B in(Dep t1of E1I1,Huazhong University of Science and Technol ogy,W uhan430074,ChinaA lgor ith m s of shortest pa th for ra ster network ba sed on map a l2 gebraAbstract:The status quo of net w ork analysis and algorith m s of shortest path is discussed in this paper firstl