本文是一篇工程硕士论文，本文提出了形态特征约束的地形鞍部点提取方法，从等高线的空间拓扑关系出发，融入鞍部点的形态特征，研究利用等高面提取中轴线并配合致密等高线进行鞍部点识别和提取的方法，该方法可以实现对地形特征点鞍部点进行精确提取，所获取的鞍部点符合地貌学认知。
第1章 绪论
1.1 选题背景与意义
1.1.1 选题背景
在长期的地貌演化过程中，山顶点、鞍部点、径流节点等地形特征点之间形成了其独特的、具有演化意义的、彼此有联系的整体。罗明良[1]认为地形特征点簇是指山顶点、鞍部点及其连接的径流节点构成的具有距离、方位及拓扑约束的有机结构体。
已有学者对点簇的构建与分析展开了研究，近年来，地形特征点簇的研究多以点要素的属性统计分析、空间关系上的量化表达为重点，缺乏对地形特征点簇要素之间在空间拓扑结构关系上的恢复与相关新指标的引入研究。地形特征点簇具有对地貌地形整体抽象的优势，在实现地貌划分、描述地形特征、分析地形空间结构上有较大的潜质[2-4]。
然而，目前地形特征点簇存在两个不完善之处：首先，当前的地形特征点要素的提取算法不严密，提取的点要素位置不精确[5-18]。现有的研究中，顾留碗[19-20]等人通过逐渐降低基准面，以最大起伏度作为阈值约束，借助不断循环判断山顶点的最大控制范围，直至基准面下降到海平面，提取山顶点，此提取算法严密。此外，径流节点也有严密的提取算法[21-26]，但当下鞍部点还没有严密的提取方法，目前最常见的一种方法是基于规则格网DEM设置移动分析窗口来提取鞍部点，然而这种方法受到分析窗口大小尺度的限制，难以估计整体地形变化，易产生大量噪声，精度结果不达标[27-29]。黄楠等[30]考虑鞍部点的地形形态特征，从等高线入手，提出一种鞍部点提取算法，考虑到等高线的闭合特性与规则，借助等高面的空间拓扑位置关系实现递归查找来自动提取，遗憾的是该算法默认将两座山峰中最近点的中点作为鞍部点，提取的鞍部点位置存在一定的误差。总体来讲，现有的基于DEM的鞍部点提取算法，没有实现对鞍部点形态特征的准确判断，从而导致提取结果存在不同程度的欠缺，提取算法不够严密；其次，目前已有的构建地形特征点簇存在面向对象以及区域限制的问题。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 山顶点提取算法研究现状
山顶点是指局部区域面积内海拔高程的最高值点（如图1-1所示），沿各方向的剖面图都凸起[31]。山顶点具有控制性作用，对地表形态、水文植被等等都有不可忽视的影响[32]。常用的提取是由Toriwaki.J等[33-34]提议的断面高程极值法和局部高差比较法，但受地形误差与地形起伏度的影响，提取效果不如人意。对此，陈盼盼等[5-6,35]提出依靠窗口分析，并结合闭合等高线来识别判断山顶点，这在剔除伪山顶点上具有一定效果。
总体来说，现有的常见的山顶点提取方法在山区、丘陵区有较好的应用性，而在局部复杂地区下常见的山顶点提取方法不适用，缺乏有效的控制指标。而顾留碗等[19-20]通过逐渐降低基准面，以最大起伏度作为阈值约束，借助不断循环判断山顶点的最大控制范围，直至基准面下降到海平面，提取山顶点，此提取算法严密。
第2章 研究基础
2.1 研究区概况
本文研究核心为地形特征点簇的构建与分析，考虑到实验数据的地貌多样性，因此选取陕西省内的陕北黄土高原地貌区中的典型样区作为本文的实验区，数据来源为：陕西省测绘地理信息局，该区域是水流侵蚀区的典型代表，其位于北灵山、药王山以及黄龙山一带以北，是我国黄土高原地貌的核心部位，面积约为9.25万km2，该区域地形地势西北高、东南低，以丘陵山地为主，沟多坡陡，地形起伏破碎，周围被山地围绕。
陕北黄土高原主要地貌类型是黄土塬、梁、峁、沟等[53-57]。黄土塬区地形表面顶部中心地带平坦或微弱起伏，逐渐向四周边部倾斜，塬的周边受深切的沟谷地形单元的影响逐渐侵蚀成锯齿状，受现代沟壑切割后形成的高原面。
黄土塬受水流切割出现沟壑逐渐形成梁、峁地貌。空间布局上，黄土梁与周围的沟谷地形单元平行，为桥梁状高地，梁的长度一般可达数公里至十几公里，梁顶宽度为数十米到数百米，呈鱼脊背状往两面沟谷微倾，多为低山、丘陵。黄土梁是陕北黄土高原主要的地貌类型和独特景观，分布广泛。从地理位置上来说，黄土梁处于黄土塬的边缘，梁与梁之间有沟。
受水土流失的加重，大多数峁由梁演化而来，黄土峁独立且形状浑圆，占地面积较小。黄土梁和峁的界限没有那么分明。沟大部分是由流水集中进行线状侵蚀并伴以滑塌的结果。
2.2 实验数据选择
本文的数据来源为：陕西省测绘地理信息局。5 m分辨率以下的DEM数据不易获取，且陕北黄土高原区域面积辽阔，当前多方面的考量下较难获得覆盖整个陕北区域的5 m分辨率以下DEM数据，因此需要在陕北黄土高原区域选取典型样区进行研究
鉴于此，本文选定陕北黄土高原13个典型地貌类型样区作为实验数据，进行地形结构点要素的提取、点簇的构建与分析研究。实验样区的选定关乎到最后结论是否科学与真实，应贯彻科学性、典型性、可获取性、完整性准则。 鉴于此，实验样区选取应均匀分布且具有代表性，地貌类型应足够丰富，此外在满足本研究需要的基础上，考虑到工作量等因素，本论文的实验数据选取位于陕北黄土高原的13个不同地貌单元作为本文的实验样区（如图2-1所示）。其中，流水侵蚀剥蚀的山地地貌选取了四个实验样区：陇县、黄陵县、甘泉县、黄龙县；黄土长梁地貌选取了两个实验样区：志丹县、吴旗县；黄土残塬地貌选取了一个实验样区：定边县；黄土梁峁地貌选取了两个实验样区：子长县、神木县南部；黄土峁梁地貌选取了两个实验样区：横山县、延安市；侵蚀剥蚀的黄土丘陵地貌选取了两个实验样区：清涧县、神木县东南部。图2-2(a)至图2-2(m)为5 m分辨率的13个样区DEM数据展示。实验样区包含六种地貌差异明显的地形单元，空间位置均匀分布于陕北境内，满足对地形的空间分异规律研究的要求。
第3章 地形特征点要素提取 ................................... 15
3.1 山顶点的提取 .............................. 15
3.1.1 山顶点的概念与地形特征 ................................. 15
3.1.2 基于最大起伏度阈值提取山顶点 ........................ 16
第4章 地形特征点簇的构建 .................................... 29
4.1点簇的组织方法与数据结构 .................................... 29
4.1.1 点簇的组织方法 .............................. 29
4.1.2 点簇的数据结构 ............................... 30
第5章 不同地形单元地形特征点簇分析 ............................... 43
5.1 不同地形单元地形特征点簇提取结果 ........................... 43
5.2 地形特征点簇量化分析指标选取 ........................... 47
第5章 不同地形单元地形特征点簇分析
5.1 不同地形单元地形特征点簇提取结果
基于本论文第四章所提出的点簇构建方法，依次选取陕北黄土高原流水侵蚀剥蚀的山地区域、黄土峁梁区域、黄土梁峁区域、黄土残塬区域、黄土长梁区域、侵蚀剥蚀的黄土丘陵区域内的典型小流域，使用分辨率为5 m的DEM依次按照第三章节中点要素提取方法提取出山顶点、鞍部点以及径流节点，最后进行不同地形单元内地形特征点簇的提取及构建。构建结果依次如下图5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6所示：
结论与展望
一、本文主要工作与结论：
（1）地形特征点簇构成要素的精确提取
在对山顶点、鞍部点以及径流节点的地形形态特征充分了解的基础上，基于DEM数据，依次对陕北黄土高原13个典型样区进行地形特征点要素的提取，其中山顶点的提取通过逐渐降低基准面，以最大起伏度作为阈值约束，借助不断循环判断山顶点的最大控制范围，直至基准面下降到海平面，提取山顶点。鞍部点提取上，由于目前提取算法还不严密，有待新的突破。因此，本文提出了形态特征约束的地形鞍部点提取方法，从等高线的空间拓扑关系出发，融入鞍部点的形态特征，研究利用等高面提取中轴线并配合致密等高线进行鞍部点识别和提取的方法，该方法可以实现对地形特征点鞍部点进行精确提取，所获取的鞍部点符合地貌学认知。径流节点的提取上，完善了径流节点的提取，径流节点的定义与类别有很多，但是在地形特征点簇的构建中，并不是全部的径流节点都参与构建，以往的径流节点的定义不适宜于用在地形特征点簇的构建中，考虑到径流节点的提取算法比较成熟，采用常见的水文分析方法提取。两个山谷的河流交汇区域，即：两个山谷形成一个交汇点，此交汇点就是径流节点。完善后的径流节点能更准确服务在地形特征点簇的鞍部点-径流节点的构建连通中。
（2）地形特征点簇自动构建方法研究
以恢复地形的空间结构关系为目的，基于地形特征点簇要素之间相互依赖的地理空间关系，提出点簇的组织方法与数据结构，此外，通过实现鞍部点与山顶点的连通、鞍部点与径流节点的连通，将离散点连成结构点簇线，从而构建地形特征点簇。在正地形下的鞍部点与山顶点的连通过程中，提出了多种连通方法，包括空间拓扑关系连接法、剖面图法，最后从效率和连通完成度的角度考虑，选取并重点介绍了邻域最大值法；对于负地形下的鞍部点和径流节点的连通，提出了沿着水流方向去依次遍历连接每一个径流节点的想法，实验结果表明本文
