基于尺度空間的自適應(yīng)山谷山脊線提取方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)字地形分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于尺度空間的自適應(yīng)山谷山脊線 提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)是對地球表面的一種離散化 的數(shù)學(xué)表示，也是遙感和地理信息系統(tǒng)中進(jìn)行三維空間數(shù)據(jù)處理和數(shù)字地形分析的核心數(shù) 據(jù)之一。而山脊線和山谷線是可以從數(shù)字高程模型中提取的一種表示山地地形變化的重要 分界線，在地形表示、數(shù)字地形分析、測繪及工程設(shè)計中都有著重要的應(yīng)用。因此從DEM中自 動高效地提取山脊線和山谷線一直都是數(shù)字地形分析領(lǐng)域的一個重要課題。
[0003] 現(xiàn)有的提取方法從原理上可以分為整體算法和局部算法兩類。整體算法主要有各 種基于地形流水模擬的方法。整體算法具有較強的抗噪音的能力，但對于起伏較小的山脈， 提取效果較差，并且計算量大，算法計算量隨規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)量的增加成平方關(guān)系增長。這些 缺陷使得該方法用于山脊線和山谷線的提取有著許多不便之處。局部算法有地形斷面高程 極值法、曲面擬合的方法等，局部算法的主要特點是計算量小，速度快，但其不能夠顧及地 形的整體變化規(guī)律，使得提取結(jié)果也會有所遺漏，并且容易受到噪聲影響，會給后續(xù)山脊線 和山谷線的正確判定帶來不便。這兩類方法無法兼顧整體和細(xì)節(jié)，精度與效率，因此不能滿 足自動提取山脊線和山谷線的效率和精度要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有山脊(谷）線提取方法的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種快速有效的從 DEM中提取山脊(谷）的方法一一一種基于尺度空間的自適應(yīng)山谷山脊線提取方法，既能兼 顧山脊(谷)提取的整體趨勢及細(xì)節(jié)變化，保證提取的精度，又能快速地得到提取結(jié)果，保證 提取的效率。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種基于尺度空間的自適應(yīng)山谷山脊線 提取方法，包括以下步驟，
[0006] 步驟1，尺度空間的生成，包括首先對原始DEM過采樣作為處理的初始DEM，對初始 DEM進(jìn)行從低到高地不同程度的高斯平滑得到一組DEM的尺度空間，稱為第0組尺度空間；
[0007] 步驟2，DEM金字塔的建立，包括根據(jù)金字塔的總層數(shù)N，先挑選第0組尺度中空間尺 度最大的DEM作為DEM金字塔的最底層，記為第0層，然后將第0層DEM進(jìn)行降采樣，并相應(yīng)建 立第1組尺度空間，再從中挑選尺度最大的DEM作為DEM金字塔的第1層，依次類推，最終建立 N層DEM金字塔，最頂層記為第N-1層；
[0008] 步驟3,從DEM金字塔的頂層開始，進(jìn)行自適應(yīng)多角度地形斷面高程極值法提取，并 經(jīng)過后處理得到山脊線和山谷線，然后逐層精化提取結(jié)果;包括以下子步驟，
[0009] 步驟3.1，對第N-1層DEM利用自適應(yīng)多角度地形斷面高程極值法和后處理進(jìn)行提 取，得到第N-1層的提取結(jié)果;令當(dāng)前層標(biāo)記i =N-2;
[0010] 步驟3.2，對第i層DEM利用自適應(yīng)多角度地形斷面高程極值法進(jìn)行提取，將第i+l 級的提取結(jié)果映射到第i級DEM上，并與第i級DEM上的自適應(yīng)多角度地形斷面高程極值法提 取結(jié)果進(jìn)行疊加，然后進(jìn)行后處理，得到第i級DEM上的提取結(jié)果；
[0011] 步驟3.3,判斷是否i = 0,是則輸出結(jié)果，否則令i = i-l，返回步驟3.2;
[0012] 所述自適應(yīng)多角度地形斷面高程極值法，是利用一個窗口大小根據(jù)地形起伏度自 適應(yīng)變化的模板在多個方向?qū)EM進(jìn)行剖面分析，找出各個斷面上的極大值點，對DEM中任 一格網(wǎng)點，若同時在多個斷面中判斷為極大值點，則當(dāng)作山脊線的候選點;找出各個斷面上 的極小值點，對DEM中任一格網(wǎng)點，若同時在多個斷面中判斷為小值點，則當(dāng)作山谷線的候 選點。
[0013] 而且，所述后處理包括形態(tài)學(xué)閉操作和Hilditch算法細(xì)化。
[0014]而且，所述窗口大小根據(jù)地形起伏度自適應(yīng)變化，實現(xiàn)方式為首先將DEM均勻分塊 為公里格網(wǎng)，然后通過求各分塊的地形起伏度，在進(jìn)行剖面分析時，根據(jù)正在分析的格網(wǎng)點 所在分塊的地形起伏度及DEM分辨率計算該點的窗口的大小，
[0015] 計算地形起伏度如下式，
[0016] Rm, n = MaXm, η-Minm, η
[0017] 其中，Rm,n為地形起伏度，m，r^別為當(dāng)前公里格網(wǎng)的行列編號，MaXm, n為當(dāng)前公里 格網(wǎng)內(nèi)部高程最大值，Minm, n為當(dāng)前公里格網(wǎng)內(nèi)部高程最小值；
[0018] 計算窗口大小如下式，
[0020] 其中，wm,n為適宜窗口大小，Lm, n，Wm,n為DEM格網(wǎng)的實際長度和寬度，Rm, n為地形起伏 度，GSDd^SDEM的分辨率，m，n分別為當(dāng)前公里格網(wǎng)的行列編號。
[0021] 而且，所述在多個方向?qū)EM進(jìn)行剖面分析，包括對DEM中每個格網(wǎng)點在0°、45°、 90°、135°四個方向上進(jìn)行剖面分析。
[0022] 而且，金字塔的總層數(shù)N按下式確定，
[0023] N=max( (log2 (min (width，height)) )-〇min-3，1)
[0024] 其中width為DEM的橫向格網(wǎng)數(shù)目，height為DEM的縱向格網(wǎng)數(shù)目，〇min為預(yù)設(shè)參數(shù)。
[0025] 本發(fā)明還提供一種基于尺度空間的自適應(yīng)山谷山脊線提取系統(tǒng)，包括以下模塊， [0026]初始化模塊，用于首先對原始DEM過采樣作為處理的初始DEM，對初始DEM進(jìn)行從低 到高地不同程度的高斯平滑得到一組DEM的尺度空間，稱為第0組尺度空間；
[0027] DEM金字塔建立模塊，用于根據(jù)金字塔的總層數(shù)N，先挑選第0組尺度中空間尺度最 大的DEM作為DEM金字塔的最底層，記為第0層，然后將第0層DEM進(jìn)行降采樣，并相應(yīng)建立第1 組尺度空間，再從中挑選尺度最大的DEM作為DEM金字塔的第1層，依次類推，最終建立N層 DEM金字塔，最頂層記為第N-1層；
[0028] 提取模塊，用于從DEM金字塔的頂層開始，進(jìn)行自適應(yīng)多角度地形斷面高程極值法 提取，并經(jīng)過后處理得到山脊線和山谷線，然后逐層精化提取結(jié)果;包括以下單元，
[0029] 初始提取單元，用于對第N-1層DEM利用自適應(yīng)多角度地形斷面高程極值法和后處 理進(jìn)行提取，得到第N-1層的提取結(jié)果;令當(dāng)前層標(biāo)記i =N-2;
[0030] 疊加單元，用于對第i層DEM利用自適應(yīng)多角度地形斷面高程極值法進(jìn)行提取，將 第i+1級的提取結(jié)果映射到第i級DEM上，并與第i級DEM上的自適應(yīng)多角度地形斷面高程極 值法提取結(jié)果進(jìn)行疊加，然后進(jìn)行后處理，得到第i級DEM上的提取結(jié)果；
[0031 ]迭代單元，用于判斷是否i = 0，是則輸出結(jié)果，否則令i = i-Ι，命令疊加單元工作； [0032]所述自適應(yīng)多角度地形斷面高程極值法，是利用一個窗口大小根據(jù)地形起伏度自 適應(yīng)變化的模板在多個方向?qū)EM進(jìn)行剖面分析，找出各個斷面上的極大值點，對DEM中任 一格網(wǎng)點，若同時在多個斷面中判斷為極大值點，則當(dāng)作山脊線的候選點;找出各個斷面上 的極小值點，對DEM中任一格網(wǎng)點，若同時在多個斷面中判斷為小值點，則當(dāng)作山谷線的候 選點。
[0033] 而且，所述后處理包括形態(tài)學(xué)閉操作和Hilditch算法細(xì)化。
[0034]而且，所述窗口大小根據(jù)地形起伏度自適應(yīng)變化，實現(xiàn)方式為首先將DEM均勻分塊 為公里格網(wǎng)，然后通過求各分塊的地形起伏度，在進(jìn)行剖面分析時，根據(jù)正在分析的格網(wǎng)點 所在分塊的地形起伏度及DEM分辨率計算該點的窗口的大小，
[0035]計算地形起伏度如下式，
[0036] Rm, n = MaXm, η-Minm, η
[0037] 其中，Rm,A地形起伏度，m，n分別為當(dāng)前公里格網(wǎng)的行列編號，Maxm,n為當(dāng)前公里 格網(wǎng)內(nèi)部高程最大值，Min m, n為當(dāng)前公里格網(wǎng)內(nèi)部高程最小值；
[0038] 計算窗口大小如下式，
[0040] 其中，wm,n為適宜窗口大小，Lm,n，W m,n為DEM格網(wǎng)的實際長度和寬度，Rm,n為地形起伏 度，GSDd^SDEM的分辨率，m，n分別為當(dāng)前公里格網(wǎng)的行列編號。
[0041 ]而且，所述在多個方向?qū)EM進(jìn)行剖面分析，包括對DEM中每個格網(wǎng)點在0°、45°、 90°、135°四個方向上進(jìn)行剖面分析。
[0042] 而且，金字塔的總層數(shù)N按下式確定，
[0043] N=max( (log2(min(width，height)) )-〇min-3，1)
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