【ArcGIS|空间分析】利用DEM提取山脊、山谷线（水文分析、表面分析）

参考汤国安、杨昕等编著的《地理信息系统空间分析实验教程第二版》
利用水文分析（流量）和表面分析（坡向变率）得到山脊和山谷线

1、基本概念

正地形

是相对高于邻区或新构造上升地区的地形。山地、高原、丘陵都是正地形。世界上许多石油矿床与高地、丘陵、特别是穹隆或背斜构造形成的正地形有关。天然气、金属矿床常常形成或储存在上述正地形中。

负地形

是相对低于邻区或新构造下沉地区的地形。洼地、盆地都是负地形。负地形是沉积物堆积的有利条件，也是冲刷微弱的场所。煤、石油、铝土、铁、泥炭、盐类和锰结核等沉积矿床多形成在盆地、凹地、平原和洋盆等负地形中。

正负地形的影响

负地形的地貌格局决定了一些地区不断地接纳、汇聚、堆积，在外力作用下，由四周正地形区搬运迁移的陆相碎屑物。“夷平填洼”是不可改变的自然地理过程中外营力作用的运动规律，只要这种正负地形差异格局的存在，就将持续地进行下去，直至夷平或填平。

2、水文分析方法

2.1 基本思想原理

通过对零值的汇流累积值的栅格的提取就可以得到分水线，也就得到了山脊线。对于山谷线可以利用反地形的特点，可以利用一个较大的数值减去原始的DEM数据得到与原始地形完全相反的地形数据，使得原始的DEM中的山脊变成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就变成了山脊。山谷线的提取就可以在反地形中利用提取山脊线的方法进行提取。但是此方法提取出的山脊和山谷位置有些偏差，可以利用正、负地形加以纠正。

2.2 技术路线

2.3 操作步骤

2.3.1 正负地形的提取

1、 在ArcMap中加载样区的原始DEM数据.
2、 选择【Spatial Analyst工具】|【邻域分析】|【焦点统计】，以11×11的窗口计算平均值。
3、 选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，将原始DEM减去平均值DEM，获得正负地形数据。
4、 选择【Spatial Analyst工具】|【重分类】|【重分类】，分别进行两次重分类。一次将大于0的区域赋值为1（正地形），小于0的区域赋值为0，另一次将小于0的区域赋值为1（负地形），大于0的区域赋值为0。

2.3.2 利用水文分析思想和工具提取研究区域的山脊线

1、 在ArcMap中加载样区的原始DEM数据。
2、 洼地填充：选择【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【填洼】，输入表面栅格数据。选择将所有洼地全部填充，所以不需要计算洼地深度，Z limit为默认值。
3、 基于无洼地的水流方向计算：选择【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【流向】，输入填洼后的表面栅格数据。
4、 汇流累积量的计算：选择【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【流向】，输入水流方向数据。
5、 汇流累积量为零值的提取：选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，输入计算公式为facc0=（flowaa1==0），facc0为输出数据，flowaa1为汇流累积量数据。
6、 数据光滑处理：上一步提取数据中很多不是山脊线，选择【Spatial Analyst工具】|【邻域分析】|【焦点统计】，以3×3窗口做平均值计算。
7、 辅助判断山脊线位置：选择【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【等值线】和【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【山体阴影】。
8、 选择【Spatial Analyst工具】|【重分类】|【重分类】，以等高线图和山体阴影图判断山脊线位置，调整分级临界点，最终确定分界阈值为0.5541。将光滑处理后的数据二值化，接近1的部分赋值为1，其余部分赋值为0。
9、 消除存在于负地形区域中的错误山脊线：选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，将重分类后的数据与正地形数据相乘。
10、 获得最终山脊线：选择【Spatial Analyst工具】|【重分类】|【重分类】，将属性值不为1的赋值为NoData。

2.3.3 利用水文分析思想和工具提取研究区域的山谷线

1、 在ArcMap中加载样区的原始DEM数据。
2、 获取反地形：选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，计算公式为fandem=Abs(dem-2000),fandem为输出数据，dem为原始DEM数据。
3、 水流方向计算（无需填洼）：选择【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【流向】，输入填洼后的表面栅格数据。
4、 汇流累积量的计算：选择【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【流向】，输入水流方向数据。
5、 汇流累积量为零值的提取：选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，输入计算公式为facc0=（flowaa2==0），facc0为输出数据，flowaa2为汇流累积量数据。
6、 数据光滑处理：上一步提取数据中很多不是山谷线（反地形中山脊线为原地形中的山谷线），选择【Spatial Analyst工具】|【邻域分析】|【焦点统计】，以3×3窗口做平均值计算。
7、 辅助判断山谷线位置：选择【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【等值线】和【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【山体阴影】。
8、 选择【Spatial Analyst工具】|【重分类】|【重分类】，以等高线图和山体阴影图判断山脊线位置，调整分级临界点，最终确定分界阈值为0.65667。将光滑处理后的数据二值化，接近1的部分赋值为1，其余部分赋值为0。
9、 消除存在于负地形区域中的错误山谷线：选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，将重分类后的数据与负地形数据（不是反地形数据）相乘。
10、获得最终山谷线：选择【Spatial Analyst工具】|【重分类】|【重分类】，将属性值不为1的赋值为NoData。

2.3.4 利用水文分析提取山脊线和山谷线结果

3、表面分析方法

3.1 基本思想原理

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。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。

3.2 技术路线

3.3 操作步骤

1、 求DEM坡向变率数据：选择【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【坡向】，将得到的坡向数据再求一次坡度得到坡向变率数据，记为SOA1。
2、 求DEM最大值数据：选择【Spatial Analyst工具】|【邻域分析】|【焦点统计】，以11×11窗口做最大值计算得到DEM最大高程值。
3、 求反地形数据：选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，输入公式为H-DEM（H为DEM最大高程值数据，DEM为原始DEM数据）得到反地形DEM数据。
4、 求反地形坡向变率数据：选择【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【坡向】，基于反地形DEM数据求反地形DEM坡向变率数据，记为SOA2。
5、 求没有误差的DEM坡向变率：选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，输入公式为SOA=（（[SOA1]+[SOA2]）-Abs（[SOA1]-[SOA2]））/ 2 ，得到没有误差的DEM坡向变率数据。
6、 求DEM平均值：选择【Spatial Analyst工具】|【邻域分析】|【焦点统计】，以11×11窗口做平均值计算得到DEM最平均值。
7、 获得正负地形数据：选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，计算公式为C=DEM-B（C为输出数据，DEM为原始DEM数据，B为DEM平均值数据）得到正负地形数据。
8、 提取山脊线：选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，计算公式为shanji=[C]>0&SOA>70。
9、 提取山谷线：选择【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】，计算公式为shanji=[C]<0&SOA>70。