实验五 地形特征要素提取
一、实验目的和要求
- 了解地形特征要素的分类体系及基于DEM 的提取原理
- 熟悉ArcGIS 软件各个地形要素的提取方法及相关空间分析
二、实验内容和步骤
5.2 地形结构线的提取
5.2.1 山脊线提取
山脊线实际上是分水线，主要根据流域边界以及所处的坡位（正地形）来综合提取。
首先利用之前的实验计算获得的正负地形图，在属性表中选中正地形（值为1），将栅格图转为矢量多边形，即可生成正地形矢量多边形。
其次，使用裁剪工具，输入的数据为之前实验获得的1000阈值分水线（WaterShed_line）,裁剪要素为正地形的矢量多边形。即将分水线处于正地形的部分提取出来，生成山脊线。
5.2.2 沟沿线的提取
沟沿线是黄土地貌上的一种地形特征线，它是沟间地和沟谷地的分界线。可以采用正负地形的坡位数据进行进一步提取。
首先对正负地形进行洼地填充，目的是去除正地形内部可能存在的负地形。实际上，正地形内部应该都是正地形，所存在的负地形栅格多是一些细碎的小多边形。
在属性表中选中正地形（值为1），将栅格图转为矢量多边形，即可生成正地形矢量多边形。
在属性表中新增Area字段，计算正地形多边形面积后，删除面积小于250m2的细碎多边形。
将处理好的正地形多边形转为矢量线即可得到沟沿线。
5.3 基于坡面形态要素的地形分割
基于坡面形态要素的地形分割，实际上是对地表坡面的划分。Ruhe根据坡面几何形态特征将坡面分为9 种类型，这9 种类型分别是平、凹、凸在水平与垂直方向上的组合；此外还存在一种平缓坡，即平地。根据各种坡形的形态，可以得到其平面曲率和剖面曲率特征，据此对地形表面进行划分。
表 5-1 坡面形态类型及其几何特征 (ND 为末定义)
5.3.1 提取平地
提取坡度小于3的区域为平地
5.3.2 提取9种坡面几何形态类型
基于前面的实验计算得到的坡度、平面曲率和剖面曲率，结合表5-1中坡形分类规则来对DEM分类，实现地形分割。直接使用栅格计算的批处理工具进行分类操作。
5.3.3综合分析区域
用栅格计算器来对整个区域的坡形赋值，将1-10的数值分别赋予10种坡面形态，即可以得到整个区域的坡形分布图。
实验六 DEM可视性分析
一、实验目的和要求
- 了解地形可视化的基本原理
- 熟悉ArcGIS 中各类地形可视化分析工具
二、实验内容和步骤
6.3 可视性分析
6.3.1 一维可视性分析
在ArcGIS中可视域分析工具位置为：【3D Analysis工具】-【可见性】-【通视分析】。输入DEM表面栅格，以及待分析的观察视线，包括两个折点（即直线的两个端点），分别代表用于确定可见性的观测点和目标位置。
输出的线数据将沿着输入视线的可见与不可见部分进行划分，还可以选择输出视线上的障碍点。
6.3.2 可视域分析
在ArcGIS中可视域分析工具位置为：【3D Analysis工具】-【可见性】-【视域】。输入DEM表面栅格，以及用于识别观察点位置的点要素或折线要素。此处输入了折线要素。因此，输出的数据种将只记录DEM中每个像元位置对于折线的折点可见的次数。观测频数将记录在输出栅格属性表的VALUE项中。
三、拓展实验
首先利用DEM数据提取地面的平面曲率及地表的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上平面曲率的大值为山谷。对于山脊线的提取，尝试采用平面曲率与坡形组合法。但在实际应用中，由于平面曲率的提取比较繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。
步骤为：利用已有的正负地形栅格数据、SOA坡向变率数据，采用栅格计算器工具，计算公式为：( P_N_terrain > 0 ) & (SOA>80)。
使用表面分析方法求山脊线和山谷线的步骤如下图所示：
这里的坡向变率阈值根据实际地形的情况来判断，通过观察SOA结果图，尝试选择80和85的阈值来计算。
SOA阈值为80的山脊线提取结果：
SOA阈值为85的山脊线提取结果：
四、实验结论
将表面分析与水文分析两种提取山脊线的方法对比来看，可以得出以下结论：
- 在线段的连续性上，水文分析的方法提取的山脊线为连续不间断的，而基于表面分析提取的山脊线存在不连续的线段，需要经过数字图像学的后处理方法将其连接起来。
- 使用水文分析方法提取山脊线时，因为使用了领域分析的焦点分析的缘故，会将栅格图像边缘也划分为分水线，造成与实际情况不符，这山脊线需要后期手动编辑去除。
- 基于表面分析的方法可以较好的把山脊线勾勒出来，并且提取过程简单，但是提取结果的精度会受到SOA阈值选取的影响。可以使用迭代的思路，借助ArcPy或是模型构建器，迭代提取山脊线，寻找最佳的阈值。