一種適用于山區(qū)DEM生產(chǎn)的地形特征點(diǎn)自動(dòng)提取技術(shù)研究與應(yīng)用

周揚(yáng)

摘 要：本文對山區(qū)DEM生產(chǎn)過程中地形特征點(diǎn)的自動(dòng)化提取技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了以三角網(wǎng)坡度閾值為條件提取地形特征點(diǎn)位置以及曲面擬合以及矢量柵格空間疊加分析優(yōu)化地形特征點(diǎn)高程值的方法，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的軟件進(jìn)行了測試驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用。通過綜合對比分析，此技術(shù)對山區(qū)DEM生產(chǎn)的生產(chǎn)效率和成果質(zhì)量方面均有顯著的提升。

關(guān)鍵詞：DEM；地形特征點(diǎn)；高程賦值

1 概述

傳統(tǒng)的DEM生產(chǎn)技術(shù)路線主要是使用包含等高線、高程點(diǎn)的DLG矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)TIN然后柵格化的方式生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是有時(shí)不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)與細(xì)部，無法準(zhǔn)確表示地貌。為克服其缺點(diǎn)，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點(diǎn)、山脊線、山谷線、斷裂線等，從而構(gòu)成完整精確的DEM。

地形特征點(diǎn)線對應(yīng)的都是地形變化劇烈，DEM插值極易產(chǎn)生錯(cuò)誤的區(qū)域。傳統(tǒng)的特征點(diǎn)線提取都是由人工從立體模型上進(jìn)行采集生產(chǎn)。對于山地、高山地地形區(qū)域，此項(xiàng)工作無疑是一項(xiàng)耗時(shí)巨大的工作。而且對于某些生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)只有DLG沒有立體模型和地形特征點(diǎn)線數(shù)據(jù)的項(xiàng)目，地形特征點(diǎn)線將無法提取，相應(yīng)的DEM精度也無法達(dá)到規(guī)范要求。

如果解決了利用現(xiàn)有的DLG數(shù)據(jù)，提取滿足精度要求的地形特征點(diǎn)并減少人工編輯的工作量的問題，將會(huì)使DEM的生產(chǎn)技術(shù)更加先進(jìn)，成本大幅降低，效率大大提升。

2 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外比較常用的DEM生產(chǎn)軟件主要有：ArcGIS、MapGIS、GeoWay、VirtuoZo、JX4等。

ArcGIS軟件的DEM生產(chǎn)模塊支持各類數(shù)據(jù)構(gòu)TIN并柵格化生產(chǎn)DEM和拓?fù)滢D(zhuǎn)柵格方式生產(chǎn)DEM（不通過構(gòu)TIN直接利用拓?fù)淝鏀M合的方式生成DEM）。但是缺點(diǎn)在于沒有特征點(diǎn)提取的功能，而且對參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)量大小也存在限制。

MapGIS軟件中DEM生產(chǎn)模塊提供了TIN基礎(chǔ)上的四剖面和八剖面插值，能夠減少部分特征點(diǎn)的需求，但人工采集和修改特征點(diǎn)線的工作量仍然很大，而且對數(shù)據(jù)量的大小也有限制，無法進(jìn)行自動(dòng)化批量生產(chǎn)。

GeoWay軟件中DEM生產(chǎn)模塊通過優(yōu)化構(gòu)TIN的成果，能夠使大部分情況在不需要特征點(diǎn)線的參與的情況下DEM也能達(dá)到精度要求，但是遇到地形復(fù)雜的地區(qū)（洼地、狹長山谷等），在有特征點(diǎn)線數(shù)據(jù)參與的情況下也需要多次修改才能滿足要求，通用性不是很好。

VirtuoZo和JX4是兩套全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)。它們的特點(diǎn)在于支持立體模型匹配生產(chǎn)DEM，必須人工采集特征點(diǎn)線，沒有專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也沒有批量化數(shù)據(jù)生產(chǎn)的功能支持。

以上幾款軟件都是國內(nèi)DEM生產(chǎn)經(jīng)常采用的軟件。它們存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通過對現(xiàn)有DEM生產(chǎn)軟件的分析可以發(fā)現(xiàn)，基本所有軟件都要求人工采集大量的特征點(diǎn)線。如果能用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化提取地形特征點(diǎn)線，則可以大幅度提高生產(chǎn)效率。

3 地形特征點(diǎn)位置提取技術(shù)研究

根據(jù)人工采集特征點(diǎn)線的經(jīng)驗(yàn)，需要采集特征點(diǎn)線的位置一般包括山頂、洼地、山脊、鞍部、狹長山谷等地形突變的地方。對沒有特征點(diǎn)線的DLG數(shù)據(jù)構(gòu)TIN并柵格化生產(chǎn)的DEM進(jìn)行反生成等高線與原始等高線對比也可以發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律。如圖1為一幅使用ArcGIS軟件利用等高線和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM反生成的等高線與原始等高線的對比效果圖?？梢钥闯鲈跊]有特征點(diǎn)的情況下，在山頂、山脊等地形突變的區(qū)域，反生等高線的套合誤差較大，反映出DEM成果無法滿足精度要求。

將反生等高線與TIN三角網(wǎng)疊加對比分析，發(fā)現(xiàn)套合誤差大的區(qū)域三角網(wǎng)的三角形都有共同的特征：坡度值為0度。

所以，一種簡單的提取地形特征點(diǎn)位置的技術(shù)路線即可采用：計(jì)算TIN三角網(wǎng)的每個(gè)三角形的坡度值，以0度為閾值提取相應(yīng)的三角形，然后以這些三角形的質(zhì)心坐標(biāo)作為地形特征點(diǎn)位置。如圖2所示。

4 地形特征點(diǎn)高程插值技術(shù)研究

地形特征點(diǎn)位置提取之后，還必須給點(diǎn)位賦高程值，而且賦值的準(zhǔn)確性直接會(huì)影響最終DEM產(chǎn)品的精度。經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)，最終形成的技術(shù)路線為：從曲面擬合生成的DEM數(shù)據(jù)中利用矢量柵格疊加分析提取特征點(diǎn)高程值初值，然后使用高程帶柵格統(tǒng)計(jì)分析對地形特征點(diǎn)高程值進(jìn)行粗差檢測和高程值優(yōu)化。具體的實(shí)現(xiàn)方法如下。

1）使用等高線和高程點(diǎn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用拓?fù)滢D(zhuǎn)柵格的曲面擬合算法生成柵格圖像，然后利用之前提取的地形特征點(diǎn)矢量文件與拓?fù)滢D(zhuǎn)柵格生成的柵格圖像進(jìn)行矢量柵格疊加分析，提取出地形特征點(diǎn)位置的柵格像元值作為地形特征點(diǎn)的高程值。

2）從賦值結(jié)果與等高線高程值對比可以看出，大部分的地形特征點(diǎn)的高程值符合地形變化的趨勢，但是仍然有部分地形特征點(diǎn)的賦值結(jié)果是錯(cuò)誤的，原因是因?yàn)榍鏀M合也無法表達(dá)所有的真實(shí)地形變化，而且在曲面擬合的柵格化過程中也存在精度的損失，格網(wǎng)大小的也會(huì)對賦值結(jié)果產(chǎn)生影響，使其與實(shí)際高程值比較超過限差值。

為了減小這種賦值誤差，同時(shí)減少人工修改的工作量，必須對賦值過程中帶來的粗差進(jìn)行檢測剔除并進(jìn)行高程值優(yōu)化。一種簡單的方案就是采用等高線轉(zhuǎn)面生成高程分帶矢量面文件；然后用面文件與之前拓?fù)滢D(zhuǎn)柵格生成的柵格圖像進(jìn)行矢量柵格疊加分析，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)高程帶面區(qū)域內(nèi)的柵格圖像的格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)值（最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等）保存在面文件屬性字段中；再然后采用地形特征點(diǎn)文件與高程帶面文件進(jìn)行矢量空間包含分析，將面的屬性字段賦予點(diǎn)文件，最后比較地形特征點(diǎn)的高程初值與面賦予的高程統(tǒng)計(jì)值，將差值超限的點(diǎn)剔除，差值在精度范圍內(nèi)的點(diǎn)按標(biāo)準(zhǔn)差向均值靠攏進(jìn)行優(yōu)化，最后得到符合地形變化趨勢的高程內(nèi)插值。

5 算法的功能實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用分析

作者使用PYTHON程序語言和ArcGIS平臺的arcpy庫對算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。檢驗(yàn)使用本文算法提取地形特征點(diǎn)參與生產(chǎn)的DEM成果與沒有地形特征點(diǎn)情況下生產(chǎn)的DEM成果對比如圖3所示。

從圖1和圖3對比分析可以看出，由自動(dòng)提取地形特征點(diǎn)參與生產(chǎn)的DEM數(shù)據(jù)幾乎無需人工修改就能達(dá)到山地、高山地地區(qū)DEM生產(chǎn)的精度要求，大大減少了人工修改的工作量，極大地提高了生產(chǎn)效率。

本算法經(jīng)過嚴(yán)格的批量成果生產(chǎn)精度檢驗(yàn)后，作為第一次全國地理國情普查貴州多尺度數(shù)字高程模型生產(chǎn)軟件的核心功能，完成了6000余幅一比一萬DEM精細(xì)化生產(chǎn)的輔助工作。軟件投入前后經(jīng)過對比分析，生產(chǎn)人員的工作效率提高了約5倍左右，從每人每天生產(chǎn)3—5幅提高到了15—25幅，對項(xiàng)目的順利完成起到了巨大的推動(dòng)作用，獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，并且在今后的DEM生產(chǎn)中打開了廣闊的應(yīng)用前景。

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