大范圍DEM數(shù)據(jù)的快速生產(chǎn)

阮明

(南寧市勘測院，廣西南寧 530001)

大范圍DEM數(shù)據(jù)的快速生產(chǎn)

阮明?

(南寧市勘測院，廣西南寧 530001)

數(shù)字高程模型(DEM)作為基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)之一，在城市規(guī)劃和管理中有著廣泛的應(yīng)用，本文結(jié)合南寧市“水城”項目，提出了一種以地形圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從不同數(shù)據(jù)源統(tǒng)一采集高程信息，并構(gòu)建DEM的方法。為快速實現(xiàn)大范圍、高精度DEM數(shù)據(jù)的批量生產(chǎn)提供一定經(jīng)驗。

DEM；地形圖；快速生產(chǎn)；大范圍

1 引 言

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)，簡稱DEM，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，它可以通過三維的形式反映地面高程信息。近年來，數(shù)字高程模型受到廣泛的關(guān)注，在許多領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，如在工程建設(shè)上，可用于如土方量計算、通視分析等；在防洪減災(zāi)方面，DEM是進行水文分析如匯水區(qū)分析、水系網(wǎng)絡(luò)分析、降雨分析、蓄洪計算、淹沒分析等的基礎(chǔ)；在無線通訊上，可用于蜂窩電話的基站分析等。

目前南寧市正在規(guī)劃建設(shè)“中國水城”項目，為了提供高程信息用于項目的規(guī)劃設(shè)計，需要制作南寧市6 500 km2范圍的數(shù)字高程模型，而南寧市勘測院擁有覆蓋南寧市范圍的基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)。因此，筆者提出了一套利用現(xiàn)有的各種地形圖數(shù)據(jù)批量制作數(shù)字高程模型的方法。

2 數(shù)字高程模型的生產(chǎn)方法

目前，數(shù)字高程模型的構(gòu)建方法主要有3種:

(1)通過數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，利用航攝資料建立DEM。該方法受地面因素影響，獲取的DEM精度不理想，且須充足的像控資料，投入較大，但獲取的速度較快。

(2)由機載激光掃描系統(tǒng)直接掃描并經(jīng)過后續(xù)處理得到，其優(yōu)點是:直接測量地面要素高程，無需人工干預(yù)進行自動快速的數(shù)據(jù)處理，這種方法獲取數(shù)據(jù)的速度最快，并且也不受天氣影響；其缺點是投入較大，精度較低，需要專門的處理算法。

(3)野外實測得到離散地面點數(shù)據(jù)直接構(gòu)建TIN，建立DEM，該方法獲取的數(shù)據(jù)能達到很高的精度，但工作量大，效率不高，且費用昂貴，不適合大規(guī)模的DEM數(shù)據(jù)采集任務(wù)[1]。

3 基于地形圖的DEM生產(chǎn)流程

利用地形圖生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)的工作流程是通過采集地形圖上的地形地貌，包括等高線、高程點等數(shù)據(jù)，然后由線性插值生成格網(wǎng)形式的DEM數(shù)據(jù)[2]。這種做法具有以下優(yōu)點:

(1)南寧市勘測院的地形圖實時更新，具有現(xiàn)勢性，滿足現(xiàn)狀規(guī)劃設(shè)計的需要；

(2)大比例尺地形圖高程信息豐富，可以保證較高的精度；

(3)生產(chǎn)的周期較短、效率高、投入低，可以實現(xiàn)批量大范圍生產(chǎn)。

項目中數(shù)字高程模型的生產(chǎn)采用了南寧市勘測院已有的地形圖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源包括數(shù)字化地形圖、柵格地形圖和紙質(zhì)地形圖3種，覆蓋面積約為6 500 km2，平面坐標系為1954北京坐標系，高程基準為1956黃海高程系。不同的數(shù)據(jù)源高程數(shù)據(jù)采集的過程不盡相同，其中數(shù)字化地形圖占了絕大部分，是生產(chǎn)DEM的主要數(shù)據(jù)來源。

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)源，將DEM的生產(chǎn)流程分為5大步驟，主要為紙質(zhì)圖的掃描處理，高程數(shù)據(jù)矢量化，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與高程提取，接邊與糾錯，DEM的生成。DEM生產(chǎn)流程圖如圖1所示。

3.1 紙質(zhì)圖的掃描處理

(1)圖形掃描

由于部分圖紙長期保存，已造成折損，首先需要對圖紙進行整平還原的工作。圖形掃描就是將紙質(zhì)地形圖掃描成柵格圖，我們采用了大幅面掃描儀Color-Trace，掃描分辨率為300 dpi，掃描的圖像為TIFF格式，在等高線較密集或者圖紙不清晰的地方還可以提高局部的掃描分辨率，這樣可以保證掃描精度，減少后期矢量化和編輯工作。通過調(diào)整亮度、對比度等參數(shù)還可以獲得較好的圖像效果。

圖1 DEM生產(chǎn)流程

(2)圖像裁剪與糾正

首先需要對掃描成的圖形進行裁剪，減少冗余數(shù)據(jù)。其次，由于掃描的圖像不僅有紙張的變形誤差，還有走紙誤差和旋轉(zhuǎn)變形，并且存在比例誤差，因此需要對柵格圖進行坐標匹配和糾正。

采用MapGIS的影像匹配功能，通過標準圖框和公里格網(wǎng)的準確坐標，對柵格圖進行坐標的匹配，對于精度較高的柵格圖采用四點糾正法(即圖框的四個角點)，而對于精度較低的柵格圖采用公里格網(wǎng)糾正法，盡量保留小數(shù)點后的位數(shù)以減少誤差。影像匹配后的柵格圖的橢球基準是1954北京坐標系，而坐標類型是地理坐標，需要運用高斯正算公式將經(jīng)緯度換算到平面直角坐標，使柵格圖坐標系轉(zhuǎn)換為1954北京大地坐標系。

3.2 高程數(shù)據(jù)矢量化

對掃描后生產(chǎn)的柵格圖及已有柵格圖進行高程數(shù)據(jù)矢量化工作，高程數(shù)據(jù)矢量化是從柵格圖上提取高程信息的過程。我們采用ArcGIS矢量化工具ArcScan模塊進行屏幕跟蹤矢量化。矢量化前需要對柵格圖進行二值化處理。在作業(yè)過程中只要設(shè)置好跟蹤像素的寬度和二值化圖像的像素范圍，就可以實現(xiàn)較好的跟蹤效果，減少手工編輯，提高作業(yè)速度。

高程數(shù)據(jù)矢量化的工作包括等高線矢量化、高程點矢量化、等高線賦高程值、高程點賦高程值。

生產(chǎn)過程中按圖幅分幅矢量化，每幅圖的矢量化結(jié)果存儲為一個要素類，以“圖幅名－高程坐標系－等高距－生成年份”的方式命名，要素類中加入Elevation字段作為存儲高程信息，最終的輸出結(jié)果以Geodatabase數(shù)據(jù)庫的格式保存。

3.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與高程提取

由于數(shù)據(jù)源的不同，高程數(shù)據(jù)的采集過程也不盡相同，紙質(zhì)圖和柵格圖通過矢量化來獲得，它的存儲方式是ArcGIS的Geodatabas數(shù)據(jù)庫，而數(shù)字化地形圖都是以CAD的格式存儲，因此需要將二者統(tǒng)一。

我們生產(chǎn)DEM的主要數(shù)據(jù)來源是數(shù)字化地形圖，因此，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與提取是整個生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。

數(shù)字化地形圖的高程數(shù)據(jù)采集可以在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中一同完成，我們采用FME的管道技術(shù)來減少工作量，根據(jù)高程數(shù)據(jù)所在圖層、幾何類型以及高程屬性等過濾條件實現(xiàn)高程數(shù)據(jù)的提取，并轉(zhuǎn)換到Geodatabase數(shù)據(jù)庫中，只要在FME中定義好數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程，就可以利用Workbench模塊實現(xiàn)數(shù)字化地形圖的批量處理。如圖2所示是數(shù)字化地形圖中等高線的提取過程。

圖2 數(shù)字化地形圖中等高線的提取過程

3.4 接邊糾錯

由于地形圖都是以圖幅的方式存儲，因此，在進行完所有高程數(shù)據(jù)提取以后，還需要將每幅圖進行接邊，保證在Geodatabase數(shù)據(jù)庫中的高程數(shù)據(jù)都是無縫連接，并且需要改正錯誤數(shù)據(jù)，例如高程值為零或為負值，高程出現(xiàn)特別大值等情況，對部分區(qū)域高程值進行修正，如橋梁、高架橋、河流、湖泊等，盡量避免后期DEM生成時出現(xiàn)不合理的情況。

3.5 DEM的生成

將所有地形圖的高程數(shù)據(jù)提取出來以后，我們就可以進行DEM的制作，主要分為3個步驟:內(nèi)插生產(chǎn)TIN；采樣生成GRID；檢查后生成DEM。

(1)采用ArcGIS的3D Analyst模塊中的Create TIN from Features命令，將高程數(shù)據(jù)庫內(nèi)線型插值生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。圖3所示是某區(qū)域的不規(guī)則三角網(wǎng)。

圖3 青秀山的不規(guī)則三角網(wǎng)

(2)運用3D Analyst模塊中的TIN to Raster命令，對TIN采樣生成格網(wǎng)(GRID)DEM數(shù)據(jù)。為滿足城市規(guī)劃建設(shè)的需要，柵格圖像的分辨率設(shè)為10 m。圖4所示是柵格DEM數(shù)據(jù)。

(3)通過ArcToolbox中的Raster to ASCII命令，將生成好的GRID數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USGS格式的DEM數(shù)據(jù)。

圖4 青秀山的柵格DEM數(shù)據(jù)

最終的DEM數(shù)據(jù)還需進一步的檢查，通過Raster to Features命令，將柵格數(shù)據(jù)反算出等高線，然后與原始地形圖反色疊合[2]，檢查有無錯漏、偏移，不合格的地方要重新編輯生成，檢查無誤后方可提交成果。

4 結(jié) 論

數(shù)字高程模型在測繪、水文、氣象、地貌、地質(zhì)、土壤、工程建設(shè)、通訊等國民經(jīng)濟和國防建設(shè)以及人文和自然科學領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。采用地形圖制作DEM的方式可以實現(xiàn)大面積批量生產(chǎn)，且精度高、速度快，勘測院的數(shù)據(jù)還可以保證現(xiàn)勢性。根據(jù)項目的需要，后期我們對DEM數(shù)據(jù)進行了加工，加入了其他地形數(shù)據(jù)，如水系、湖泊和水庫等，更加豐富了DEM數(shù)據(jù)內(nèi)容，為“水城”項目中主要河流水位的確定以及城區(qū)內(nèi)澇影響分析評估提供高程數(shù)據(jù)上的支持。

[1] 李志林，朱慶.數(shù)字高程模型[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社，2000

[2] 王茜，薛懷平等.利用地形圖批量生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)的方法[J].上海師范大學學報(自然科學版)，2003，32(02)

[3] 馬瑞堯，盧岡，趙小祥.數(shù)字高程模型的生產(chǎn)及更新[J].現(xiàn)代測繪，2004(04)

Large－scale DEM Data for Rapid Production

Yuan Ming
(Nanning Exploration＆Survey Institute，Nanning 530001，China)

Digital Elevation Model(DEM)is one of the basic spatial data，widely used in city planning and management.In Nanning“waterside town”item，this paper advance a way to produce DEM data by using topographic map and collecting elevation data from different data source.It has a better popularizing value that it provides the experience of rapidly produce the large－scale and high－density DEM data.

DEM；topographic map；rapid production；large－scale

1672－8262(2011)01－102－03

P283.7

B

2010—02—15

阮明(1983—)，男，碩士，主要從事地理信息系統(tǒng)方面研究。