專利名稱：一種根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于地形及地貌研究的技術領域，尤其涉及一種根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法。
背景技術：
在地學領域，如何從數(shù)字化等高線數(shù)據(jù)和數(shù)字地面模型(DEM)數(shù)據(jù)中自動提取隱含在其中的山脊線和山谷線，一直是一項很重要的研究工作。中外學者提出了許多適用于不同研究目的的特征信息自動提取方法，例如，從數(shù)字化等高線數(shù)據(jù)中提取山脊線和山谷線進行等高線成組綜合[費立凡.地形圖等高線成組綜合的試驗.武漢測繪科技大學學報，1993，18 (增刊)]，提取DEM中自然水系的 D8 法[Martz L ff, Garbrecht J.(1992)Numerical definition of drainagenetwork and subcatchment areas from digital elevation models.Computers andGeosciences.18(6).；Martz L W, Garbrecht J.(1999)An outlet breaching algorithmfor the treatment of closed depressions in a raster DEM.Computers andGeosciences.25 (6)]，從數(shù)字化等高線數(shù)據(jù)中提取山脊線和山谷線并將其用于高逼真度的地形表不[Auman G, Ebner H, Tang L.(1991)Automatic derivation of skeletonlines from digitized contours.1SPRS Journal of Photogrammetry and RemoteSensing.46 (5)]，從DEM中提取山脊線和山谷線的剖面識別和多邊形裂開方法[ChangY C, Song G S, Hsu S K.(1998)Automatic extraction of ridge and valley axesusing the profile recognition and polygon-breaking algorithm.Computers andGeosciences.24(1)],從DEM中提取山脊線和山谷線的頻率域一階方向導數(shù)方法[余生晨，劉大有，劉洪.山脊線與山谷線的計算機自動檢測.中國圖像圖形學報，1999,4(8)]。現(xiàn)有的與提取山脊線、山谷線相關專利主要集中在專用領域針對專用目的的實現(xiàn)，具體有我國在2010授予的一項發(fā)明專利[一種基于嫦娥DEM數(shù)據(jù)的自動識別山谷和山脊線的方法，申請?zhí)?專利號:201010578489.2，發(fā)明設計人:劉榮高]，該發(fā)明提供一種基于嫦娥DEM數(shù)據(jù)的自動識別山谷和山脊線的方法。該發(fā)明可以用于月球、火星等地物輪廓線的提取。還有我國在2012授予的一項發(fā)明專利[一種在不規(guī)則三角網(wǎng)上進行三維地形特征點生成的方法，申請?zhí)?專利號:201210107518.6，發(fā)明設計人:劉建軍，王東華，商瑤玲，趙文豪，蒯希]，提供了一種在不規(guī)則三角網(wǎng)上進行三維地形特征點生成的方法，可以廣泛用于地形數(shù)據(jù)細節(jié)精化優(yōu)化、地學分析、DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)等領域。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于利用一種根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法，旨在解決利用基于規(guī)則DEM數(shù)據(jù)的提取山脊線山谷線，在矢量等高線數(shù)據(jù)和規(guī)則的DEM數(shù)據(jù)轉換過程中會丟失很多地形特征信息，使得提取出來的山脊線山谷線等信息與實際地形有較大的差異的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法，所述根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法包括以下步驟:確定地形的特征點；對特征點分類，找出山脊點和山谷點；確定生成山脊線和山谷線的判斷因子；自動生成山脊線和山谷線。進一步、所述根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法的具體步驟如下:采用Split方法，先用等高線的最左邊和最右邊的兩個點作為起始點，將閉合等高線分為兩部分，對于非閉合等高線選擇其兩個端點作為起始點，順序計算等高線上位于兩個起始點之間的每一個點距兩個起始點連線的垂距，并找出其最大垂距點，若該點處等高線張角小于給定的閥值，則該點為特征點；利用直線與曲線中的折線求交的方法對山脊點、山谷點識別；按照參考點與待判斷點間的距離在一限值內，待判斷點與參考點的連線應處于等高線在參考點所張的夾角內，等高線在參考點與待判斷點處的張角方向應基本相同，山谷線、山脊線待判斷點的轉向角在一限值內的原則確定生成山脊線、山谷線的判斷因子；對山脊點、山谷點按其高程值大小進行排序，山脊點按高程值由小到大排序，山谷點按高程值由大到小排序，按高程值由高向低逐條線來搜索山谷線，然后連接山谷線，山脊線、山谷線的自動生成。進一步、所述生成山脊線、山谷線的判斷因子為:距離因子S，待判斷點與參考點間的距離，夾角因子α 1，待判斷點與參考點連線和參考點處等高線張角角平分線的夾角，夾角因子α 2，待判斷點與參考點兩點處的等高線張角角平分線的夾角，夾角因子α3，當前連接特征線段與前一連接完畢的特征線段間的轉向角。進一步、所述連接山谷線的搜索過程為:第一步、先從所有未連線的山谷點中找出高程最高的山谷點(當前參考點)；第二步、從比此點高程低且高差最小的那條等高線上找山谷點，若山谷點不滿足生成山脊線和山谷線原則中的任一條，則此點不予考慮，繼續(xù)考察下一點；從所有山谷點找出滿足上面提到的原則的那一點，則此點為此特征線上的點；第三步、將剛找出的這點與當前參考點相連結，組成此山谷線上的一個線段；第四步、從剛找出的那個山谷點開始，重復第二步、第三步，繼續(xù)向下一條等高線尋找；第五步、若在某山谷點搜索到的山谷線下一點已是別的山谷線上的點，或者在該山谷點處由于距離超限或角度超限，總之找不到山谷線的下一點時，說明此山谷線到此結束；第六步、重復以上五步，繼續(xù)提取下一條山谷線，直到結束。本發(fā)明提供的根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法，通過利用矢量等高線的曲線的特征和幾何形態(tài)分析的方法確定山脊點、山谷點等地形特征點，然后連接地形特征點形成山脊線、山谷線等地形特征線，本發(fā)明能夠有效地通過矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取隱含在數(shù)字化地形中的山脊線和山谷線，識別速度高，并且提取出來的山脊線和山谷線等地形特征線與實際地形變化也是相符合的，同時能有效避免人工提取所帶來的誤差，本發(fā)明可以用于從數(shù)字化地形資料中提取地形輪廓線，此外，本發(fā)明操作方便，方法簡單，有著很好的實際應用價值。


圖1是本發(fā)明實施例提供的根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法的實現(xiàn)流程圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的識別山脊點、山谷點原理圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的規(guī)則等高線的示意圖；圖4是本發(fā)明實施例提供的山頂或山谷底的示意圖；圖5是本發(fā)明實施例提供的不規(guī)則等高線的示意圖；圖6是本發(fā)明實施例提供的特征點位于地形鞍部處的示意圖；圖7是本發(fā)明實施例提供的實驗區(qū)域特征點圖的示意圖；圖8是本發(fā)明實施例提供的實驗區(qū)域特征線圖的示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明實施例提供了一種根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法，該根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法包括以下步驟:確定地形的特征點；對特征點分類，找出山脊點和山谷點；確定生成山脊線和山谷線的判斷因子；自動生成山脊線和山谷線。作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法的具體步驟如下:采用Split方法，先用等高線的最左邊和最右邊的兩個點作為起始點，將閉合等高線分為兩部分，對于非閉合等高線選擇其兩個端點作為起始點，順序計算等高線上位于兩個起始點之間的每一個點距兩個起始點連線的垂距，并找出其最大垂距點，若該點處等高線張角小于給定的閥值，則該點為特征點；利用直線與曲線中的折線求交的方法對山脊點、山谷點識別；按照參考點與待判斷點間的距離在一限值內，待判斷點與參考點的連線應處于等高線在參考點所張的夾角內，等高線在參考點與待判斷點處的張角方向應基本相同，山谷線、山脊線待判斷點的轉向角在一限值內的原則確定生成山脊線、山谷線的判斷因子；對山脊點、山谷點按其高程值大小進行排序，山脊點按高程值由小到大排序，山谷點按高程值由大到小排序，按高程值由高向低逐條線來搜索山谷線，然后連接山谷線，山脊線、山谷線的自動生成。作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，生成山脊線、山谷線的判斷因子為:距離因子S，待判斷點與參考點間的距離，夾角因子α 1，待判斷點與參考點連線和參考點處等高線張角角平分線的夾角，夾角因子α 2，待判斷點與參考點兩點處的等高線張角角平分線的夾角，夾角因子α 3，當前連接特征線段與前一連接完畢的特征線段間的轉向角。作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，連接山谷線的搜索過程為:第一步、先從所有未連線的山谷點中找出高程最高的山谷點(當前參考點)；第二步、從比此點高程低且高差最小的那條等高線上找山谷點，若山谷點不滿足生成山脊線和山谷線原則中的任一條，則此點不予考慮，繼續(xù)考察下一點；從所有山谷點找出滿足上面提到的原則的那一點，則此點為此特征線上的點；第三步、將剛找出的這點與當前參考點相連結，組成此山谷線上的一個線段；第四步、從剛找出的那個山谷點開始，重復第二步、第三步，繼續(xù)向下一條等高線尋找；第五步、若在某山谷點搜索到的山谷線下一點已是別的山谷線上的點，或者在該山谷點處由于距離超限或角度超限，總之找不到山谷線的下一點時，說明此山谷線到此結束；第六步、重復以上五步，繼續(xù)提取下一條山谷線，直到結束。以下參照附圖，對本發(fā)明實施例根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法作進一步詳細描述。如圖1-圖8所示，本發(fā)明實施例的根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法包括以下步驟:SlOl:確定地形的特征點；S102:對特征點分類，找出山脊點和山谷點；S103:確定生成山脊線和山谷線的判斷因子；S104:自動生成山脊線和山谷線；本發(fā)明的具體步驟如下:步驟一、地形特征點的確定:山脊線和山谷線上的點在等聞線上的特征表現(xiàn)為等聞線局部曲率的最大點，即等高線彎曲變化的特征點。等高線上特征點的確定與線段的簡化、壓縮算法的原理相近，故幾乎所有的曲線簡化算法均可用于特征點的確定，這里采用Split方法，先用等高線的最左邊和最右邊的兩個點作為起始點(對于閉合等高線)，將閉合等高線分為兩部分，對于非閉合等高線選擇其兩個端點作為起始點。起始點確定后，順序計算等高線上位于兩個起始點之間的每一個點距兩個起始點連線的垂距，并找出其最大垂距點，若該點處等高線張角小于給定的閥值(采用165°，如果張角大于165°，則等高線在此處近似于直線，彎曲變化小)，則該點為特征點。這個特征點將原等高線分為兩部分，對每一部分確定新的起始點，即用該特征點分別與原兩個起始點構成兩對新的起始點，用相同的方法對這兩段曲線找出各自的特征點。步驟二、山脊點、山谷點識別:找出地形特征點后，還要對其進行分析判斷，找出哪些特征點是山脊點、哪些特征點是山谷點。最直觀判斷山脊點、山谷點的方法如圖2所示，即計算特征點C處等高線張角范圍內某點D的高程，并與C點高程比較，如果D點的高程大于C點高程，則C點為山脊點；反之，C點為山谷點。此種方法看似簡單，但由于計算D點高程過程復雜，計算量大，影響判斷效率。本發(fā)明利用直線與曲線中的折線求交的方法(等高線由若干折線構成)，簡化了計算過程。為減少計算量，提高計算效率，選用了一個距離閥值(本發(fā)明采用的是等高距的12倍)，這樣就把求交判斷限定在很小的一個范圍，從而減少了計算量，提高了計算的效率。山脊點、山谷點的判斷分以下3種情況進行。1、如圖3所示，等高線為常規(guī)的規(guī)則形狀，C點為步驟⑴找出來的一個地形特征點，A點、B點為與C點同一條等高線上位于C點左右兩側且與C相鄰的點(曲線擬合的點或數(shù)字化點)，D點為由AB連線的中點向C點相反方向所作垂線與相鄰等高線的交點,D點的高程為該等高線的高程。如果D點的高程大于C點高程，則C點為山脊點；反之，C點為山谷點。2、如圖4、圖5所示，按第一種情況所述方法得到的D點為同一等高線上的點，則D點的高程與C點的高程相等，無法判斷C點是山脊點或山谷點，說明該特征點(C點)位于山頂或山谷底處，或者特征點處的等高線為極不規(guī)則的等高線。對于此種情況，由AB連線的中點向C點相同方向作垂線，得到與相鄰等高線的交點D'(如圖3、圖4所示)，D'點的高程為該等高線的高程。如果D'點的高程小于C點高程，則C點為山脊點；反之，C點為山谷點。3、如圖6所示，由第二種情況得到的D'點的高程與C點的高程仍然相等，但是此時D'點與C點分屬于不同的等高線，則特征點位于地形鞍部處。通過以上幾個步驟，就可找出所有的山脊點和山谷點，為了方便而快速地生成山脊線和山谷線，將山脊點和山谷點用不同的鏈表分別存放。步驟三、生成山脊線、山谷線的判斷因子的確定:生成山脊線、山谷線應遵循如下原則:①參考點與待判斷點間的距離在一限值內；②待判斷點與參考點的連線應處于等高線在參考點所張的夾角內等高線在參考點與待判斷點處的張角方向應基本相同山谷線、山脊線待判斷點的轉向角在一限值內。從以上原則可以得出生成山脊線、山谷線時對應的4個判斷因子:①距離因子S，待判斷點與參考點間的距離；②夾角因子α 1，待判斷點與參考點連線和參考點處等高線張角角平分線的夾角；③夾角因子α 2，待判斷點與參考點兩點處的等高線張角角平分線的夾角；④夾角因子α 3，當前連接特征線段與前一連接完畢的特征線段間的轉向角。步驟四、山脊線、山谷線的自動生成在生成特征線之前，應先對山脊點、山谷點按其高程值大小進行排序，山脊點按高程值由小到大排序，山谷點按高程值由大到小排序。連接山谷線是按高程值由高向低逐條線來搜索的，其搜索過程如下:第一步、先從所有未連線的山谷點中找出高程最高的山谷點(當前參考點)。第二步、從比此點高程低且高差最小的那條等高線上找山谷點，若山谷點不滿足步驟(3)提到的4條原則中的任一條，則此點不予考慮，繼續(xù)考察下一點；從所有山谷點找出滿足上面提到的4條原則的那一點，則此點為此特征線上的點。第三步、將剛找出的這點與當前參考點相連結，組成此山谷線上的一個線段。第四步、從剛找出的那個山谷點(此時，該點為當前參考點)開始，重復第二步、第三步，繼續(xù)向下一條等高線尋找。
第五步、若在某山谷點搜索到的山谷線下一點已是別的山谷線上的點，或者在該山谷點處由于距離超限或角度超限，總之找不到山谷線的下一點時，說明此山谷線到此結束。第六步、重復以上五步，繼續(xù)提取下一條山谷線，直到結束。連接山脊線是高程值由低向高逐條線來搜索的，其搜索的原理和方法與連接山谷線時的相同。圖7為用本發(fā)明所提供的方法檢測到的實驗區(qū)域等高線特征點圖，圖8為用本發(fā)明所提供的方法法得到的實驗區(qū)域山脊線、山谷線圖。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法，其特征在于，所述根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法包括以下步驟: 確定地形的特征點； 對特征點分類，找出山脊點和山谷點； 確定生成山脊線和山谷線的判斷因子； 自動生成山脊線和山谷線。
2.如權利要求1所述的根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法，其特征在于，所述根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法的具體步驟如下: 采用Split方法，先用等高線的最左邊和最右邊的兩個點作為起始點，將閉合等高線分為兩部分，對于非閉合等高線選擇其兩個端點作為起始點，順序計算等高線上位于兩個起始點之間的每一個點距兩個起始點連線的垂距，并找出其最大垂距點，若該點處等高線張角小于給定的閥值，則該點為特征點； 利用直線與曲線中的折線求交的方法對山脊點、山谷點識別； 按照參考點與待判斷點間的距離在一限值內，待判斷點與參考點的連線應處于等高線在參考點所張的夾角內，等高線在參考點與待判斷點處的張角方向應基本相同，山谷線、山脊線待判斷點的轉向角在一限值內的原則確定生成山脊線、山谷線的判斷因子； 對山脊點、山谷點按其高程值大小進行排序，山脊點按高程值由小到大排序，山谷點按高程值由大到小排序，按高程值由高向低逐條線來搜索山谷線，然后連接山谷線，山脊線、山谷線的自動生成。
3.如權利要求1所述的根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法，其特征在于，所述生成山脊線、山谷線的判斷因子為:距離因子S，待判斷點與參考點間的距離，夾角因子α 1，待判斷點與參考點連線和參考點處等高線張角角平分線的夾角，夾角因子α2，待判斷點與參考點兩點處的等高線張角角平分線的夾角，夾角因子α 3，當前連接特征線段與前一連接完畢的特征線段間的轉向角。
4.如權利要求1所述的根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法，其特征在于，所述連接山谷線的搜索過程為: 第一步、先從所有未連線的山谷點中找出高程最高的山谷點； 第二步、從比此點高程低且高差最小的那條等高線上找山谷點，若山谷點不滿足生成山脊線和山谷線原則中的任一條，則此點不予考慮，繼續(xù)考察下一點；從所有山谷點找出滿足上面提到的原則的那一點，則此點為此特征線上的點； 第三步、將剛找出的這點與當前參考點相連結，組成此山谷線上的一個線段； 第四步、從剛找出的那個山谷點開始，重復第二步、第三步，繼續(xù)向下一條等高線尋找； 第五步、若在某山谷點搜索到的山谷線下一點已是別的山谷線上的點，或者在該山谷點處由于距離超限或角度超限，總之找不到山谷線的下一點時，說明此山谷線到此結束；第六步、重復以上五步，繼續(xù)提取下一條山谷線，直到結束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法，所述根據(jù)矢量等高線數(shù)據(jù)自動提取地性線的方法包括以下步驟確定地形的特征點；對特征點分類，找出山脊點和山谷點；確定生成山脊線和山谷線的判斷因子；自動生成山脊線和山谷線；本發(fā)明通過利用矢量等高線的曲線的特征和幾何形態(tài)分析的方法確定山脊點、山谷點等地形特征點，然后連接地形特征點形成山脊線、山谷線等地形特征線，識別速度高，并且提取出來的山脊線和山谷線等地形特征線與實際地形變化也是相符合的，同時能有效避免人工提取所帶來的誤差，本發(fā)明可以用于從數(shù)字化地形資料中提取地形輪廓線，此外，本發(fā)明操作方便，方法簡單，有著很好的實際應用價值。
文檔編號G06K9/46GK103177258SQ20131012177
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權日2013年3月29日
發(fā)明者靳海亮, 張光勝, 許傳陽, 馬春艷, 傅建春, 李曉霞 申請人:河南理工大學