制作1∶1萬DEM的認(rèn)識與體會

制作1:1萬DEM的認(rèn)識與體會李阿竹【摘要】數(shù)字高程模型DEM是表示地面高程的一種實體地面模型，是三維數(shù)字城市建設(shè)必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).隨著經(jīng)濟和城市建設(shè)的快速發(fā)展,DEM的市場應(yīng)用前景越來越廣泛.本文詳細(xì)闡述了數(shù)字高程模型DEM的內(nèi)涵、表現(xiàn)形式、實際應(yīng)用情況以及采集方法等內(nèi)容,并結(jié)合參與的1:1萬DEM更新項目的生產(chǎn)實例,主要介紹了高效引入、利用全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)VirtuoZo現(xiàn)有測圖成果中具有高程信息的三維數(shù)據(jù)、再通過增補添加特征點、線以更好控制地形的方法來制作生成DEM的工作過程，并對實際操作中應(yīng)注意的采集、精度、接邊等相關(guān)問題進行了說明.【期刊名稱】《北京測繪》【年(卷)，期】2016(000)005【總頁數(shù)】3頁(P137-139)【關(guān)鍵詞】全數(shù)字?jǐn)z影測量;DEM;4D產(chǎn)品;DEM精度【作者】李阿竹【作者單位】遼寧省基礎(chǔ)測繪院，遼寧錦州121003【正文語種】中文【中圖分類】P231.5數(shù)字高程模型DEM(DigitalElevationModel)是數(shù)字化測繪“4D”(數(shù)字正射影像圖DOM、數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字柵格地圖DRG、數(shù)字線劃地圖DLG)產(chǎn)品的重要組成部分之一，是重要的基礎(chǔ)地理空間信息數(shù)據(jù)。[1]DEM是以規(guī)則格網(wǎng)的形式表達地面高程，它是在一定區(qū)域范圍內(nèi)對地球表面地形地貌的一種離散數(shù)字表達，可更為直觀地顯示地球表面信息特征、描述地理景觀，是進行地形分析的核心數(shù)據(jù)。隨著數(shù)字地球、數(shù)字城市的深入研究、開展和應(yīng)用，社會對數(shù)字化產(chǎn)品的需求日益迫切，4D成果的重要性日益顯現(xiàn)。目前，DEM應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在測繪、地質(zhì)、國防建設(shè)、工程建設(shè)、城市規(guī)劃、資源與環(huán)境等各個領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。本文結(jié)合1:1萬DEM更新項目的生產(chǎn)實踐，探討了如何應(yīng)用全數(shù)字?jǐn)z影測量已有的測圖成果高效、快速地進行1:1萬DEM的制作過程。DEM的含義數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel）,簡稱DEM。DEM是用三維數(shù)字形式描述地形表面高程信息的模型，它利用高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對復(fù)雜地球表面的近似模擬[2],或者說是對地貌形態(tài)的虛擬表示，是以高程表達地面三維空間連續(xù)起伏形態(tài)的數(shù)字產(chǎn)品。DEM包括平面位置和高程數(shù)據(jù)兩種信息，它通過有效的高程采集數(shù)據(jù)，來逼真準(zhǔn)確的記錄反映地形表面,是地形信息（地形是一個嚴(yán)密的三維有序系統(tǒng)，高程是地形的基礎(chǔ)）的載體。通常所說的DEM是指具有規(guī)則格網(wǎng)間距的高程數(shù)據(jù)集，—般以柵格數(shù)據(jù)的形式表示。DEM主要描述的是地面高程信息，用于與高程有關(guān)的地貌形態(tài)的分析，是GIS（GeographicInformationSystem地理信息系統(tǒng)）、RS（RemoteSensing遙感，：是指非接觸的，遠(yuǎn)距離的探測技術(shù)）、VR（VirtualReality，即虛擬現(xiàn)實）等領(lǐng)域賴以進行三維空間數(shù)據(jù)處理與地形分析的核心內(nèi)容，是GIS空間分析的重要基礎(chǔ)。DEM最主要最常用的三種表現(xiàn)形式為：規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型（不規(guī)則三角網(wǎng)模型即TIN,TriangulatedIrregularNetwork，是表示數(shù)字高程模型的方法之一。TIN模型根據(jù)區(qū)域有限個點集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內(nèi)。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型，在整個區(qū)域內(nèi)連續(xù)）。DEM的應(yīng)用DEM數(shù)據(jù)通過計算機采用一定的算法，能夠很方便地將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為等高線、坡度圖、斷面圖以及專題圖等各種產(chǎn)品；也可與DOM或其他專題數(shù)據(jù)疊加復(fù)合生成景觀圖等產(chǎn)品，用于與地形相關(guān)的生產(chǎn)和實踐的分析及應(yīng)用，同時它本身還是制作DOM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；或者根據(jù)需求獲取空間距離、表面覆蓋面積等數(shù)據(jù)。如今DEM在經(jīng)濟建設(shè)、人文和自然科學(xué)等很多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。DEM的采集方法目前DEM高程數(shù)據(jù)的采集、獲取方式主要包括以下幾個方面：（1）直接從地面測量，利用自動記錄的測距經(jīng)緯儀等儀器設(shè)備的野外實測，如用GPS、全站儀、野外測量等；其特點是：野外實測數(shù)據(jù)精度較高，但工作量大，費用較高，效率不高，適用于小范圍大比例尺DEM生產(chǎn)。［3］（2）根據(jù)航空或航天影像，通過攝影測量途徑獲取，如利用立體測圖儀或數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)等進行人工、半自動或全自動的量測來獲取數(shù)據(jù)；其特點是：影像數(shù)據(jù)更新速度快，對于大范圍、大批量的數(shù)據(jù)獲取是一種主要常用的方法，且通過立體實測，數(shù)據(jù)精度較高。（3）利用已有DLG成果生成DEM；其特點是：地形圖數(shù)據(jù)信息豐富、容易獲取，可以保證較高的精度，采集速度比較快，易于大批量作業(yè)。各種方式均有其優(yōu)勢，本文主要介紹應(yīng)用全數(shù)字?jǐn)z景分則量（FullDigitalPhotogrammetry，是基于數(shù)字影像和攝影測量的基本原理，應(yīng)用計算機技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識別等理論與方法，提取所攝對象以數(shù)字方式表達的信息）系統(tǒng)VirtuoZo的已有數(shù)據(jù)成果來構(gòu)建、更新DEM的過程及注意事項，這樣可以借助于立體模型對DEM進行可視化編輯、修改，能夠達到制作高精度DEM的要求。近年來1:10000地形圖的更新需要提交DLG、DOM、DEM和入庫成果等多套產(chǎn)品。利用已有測圖成果中具有高程信息的三維數(shù)據(jù)，如等高線（等高線是表示地形最常見的形式，對地形形態(tài)的變化具有很好的反映；它是通過對地球表面的水平切割而產(chǎn)生的連續(xù)曲線，通過等高線組表示地貌形態(tài)；單條等高線無法直接反映地貌形態(tài)）、高程點等地貌要素以及道路、水涯線（根據(jù)實際情況采集上、下沿線）、水域面和地貌坎等反映地表信息的實測現(xiàn)勢數(shù)據(jù)，能夠保證DEM的產(chǎn)品精度和質(zhì)量以及DEM數(shù)據(jù)與DLG數(shù)據(jù)的套合。由于實地的特征是千變?nèi)f化的，為了使DEM能更加準(zhǔn)確、逼真地反映實際地形特征（是對地形形態(tài)描述具有重要意義的點、線、面；它是地形形態(tài)的骨架，決定著地形的類型、空間分布狀況,是地形描述的核心）還需要在地形變化處增補添加一定量的特征點、特征線，最后生成DEM。3.1DEM制作流程應(yīng)用全數(shù)字?jǐn)z影測量VirtuoZo已有測圖數(shù)據(jù)制作DEM的流程如下：打開原有測區(qū)模型一提取可用測圖數(shù)據(jù)一采集特征點、線-DEM數(shù)據(jù)精度檢查-編輯DEM數(shù)據(jù)并自查-DEM接邊-提交DEM成果3.2采集注意事項從現(xiàn)有的VirtuoZo測圖成果中提取的參與DEM生產(chǎn)的地形數(shù)據(jù)，如道路、水域線面和人工地貌等，更加豐富了DEM數(shù)據(jù)的內(nèi)容，保證了DEM精度。但對特殊地形如山頂、鞍部、洼地、溝底等地形特征點，特征線（包括山脊線、山谷線、坡度變換線等）進行立體三維數(shù)據(jù)采集以控制地形。采集時需要注意以下幾點：（1） 高于地面的道路（如公路和鐵路）的DEM特征線應(yīng)采集道路的路肩以及路堤與地面的變換處；（2） 堤壩、陡坎、斜坡、沖溝等人工地貌應(yīng)在地形變化處采集下邊緣線或是溝底線等特征線控制其地形走勢、真實反映地形特點；（3） 利用立體測圖矢量文件數(shù)據(jù)作為特征點、線生成DEM時，要對該文件數(shù)據(jù)中高于地面的點、線進行處理，如：橋、涵洞、下跨道和堤壩上的高程點以及高于地面的地物邊線等，盡量避免后期DEM生成時出現(xiàn)不合理的情況；（4） 對于面狀靜止水域的水涯線（如池塘、湖泊和水庫），要賦統(tǒng)一高程值，置平水面;⑸在山頂、山谷、洼地、山脊等高程信息薄弱的地區(qū)補充特征點線。切準(zhǔn)地面采集的特征點、線可以更詳細(xì)有效如實地描述地貌形態(tài)，有效利用每一特征點線參與構(gòu)TIN并生成DEM，這樣可以直接、有效地提高DEM的產(chǎn)品質(zhì)量，也是提高作業(yè)效率的重要措施。DEM精度高精度DEM數(shù)據(jù)能精準(zhǔn)地表示地球表面空間連續(xù)起伏狀態(tài)，DEM的保真性是地形模擬表達的基本標(biāo)準(zhǔn)，因此對DEM成果的精度有較高的要求。DEM精度指DEM地形表述的準(zhǔn)確性［4］，它取決于地形圖上地貌要素的高程精度。對于1:1萬圖幅的DEM，精度不可超過1/3等高距，精度越高，產(chǎn)品質(zhì)量越好。要提高DEM的絕對精度應(yīng)該結(jié)合數(shù)字?jǐn)z影測量，補采添加重要的特征線、特征點等表達地面高程的重要信息源來補充特殊地形特征細(xì)節(jié)以消除構(gòu)TIN產(chǎn)生的〃平臺效應(yīng)”，更好地逼近真實地形。DEM數(shù)據(jù)的質(zhì)量（是指DEM地形描述的準(zhǔn)確程度）直接影響應(yīng)用DEM進行分析的結(jié)果及其可靠性。［5］DEM數(shù)據(jù)自查在CASS下將所有參與DEM制作的已有測圖數(shù)據(jù)和新補好的高程數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入進來，利用一系列程序和操作步驟進行圖層內(nèi)及圖層間的要素檢查，有點線矛盾檢查（保證高程點、等高線值之間關(guān)系是否合理、協(xié)調(diào)，等高線無明顯打折、自相交）、水面置平檢查、水系倒流檢查（如河流要順勢自上游流向下游，上下游不可能高程同值）、0高度檢查、線上增加三維點等程序、步驟。DEM接邊地形圖都是以圖幅的方式存儲，因此在提取采集完高程數(shù)據(jù)后還需要將每幅圖進行接邊，保證所有參與DEM制作的這些高程數(shù)據(jù)在圖幅邊、角處都無漏洞、是無縫連接（即平面無縫和高程無縫）。在CASS中將圖幅套上標(biāo)準(zhǔn)圖廓后,與相鄰地形圖的等高線、道路、特征線等地形要素接邊。相鄰圖幅之間特征線等應(yīng)嚴(yán)格接邊，這里所說的嚴(yán)格不是指線與線平面接邊，而是指線的高程要接邊。［6］接邊處的高程值要一致，對于錯誤數(shù)據(jù)如高程值為0等需要修改調(diào)整，盡量避免生成DEM時出現(xiàn)不合理的情況。數(shù)字高程模型DEM是地形數(shù)字化的最終表達形式，空間數(shù)據(jù)的三維顯示及有廣泛應(yīng)用價值的地形特征分析都是以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)的，因此它在空間信息系統(tǒng)中具有重要的作用，是重要的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。隨著經(jīng)濟和城市建設(shè)的快速發(fā)展，土地利用狀況也在發(fā)生巨大變化，使得高保真的數(shù)字高程模型更新日趨迫切。通過合理有效利用原有高程信息數(shù)據(jù)，縮短了產(chǎn)品的制作周期，是一種便捷、省力、實行一體化作業(yè)的方法；同時利用各軟件間的高度配合及其自身功能可以更好地實現(xiàn)高精度DEM數(shù)據(jù)的更新。為了更好滿足新的生產(chǎn)需要，隨著科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，DEM的制作方法和生產(chǎn)過程也越來越先進，而且還在不斷進步、發(fā)展、更新著。實踐、探索高質(zhì)高效的制作方法、使測繪產(chǎn)品能越來越高效智能的完成、把人力從繁雜的工作中更大更好地抽離出來是值得我們不斷學(xué)習(xí)、交流和探討的！【相關(guān)文獻】［1］ 周春峰.格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)誤差處理方法探討.北京測繪.2014(3):137-140.［2］ 趙秀杰.顏東海.基于DOM、DEM的大比例尺測圖方法