戴 騰，周漢華，陳 慶，張 亮，堯志青，鄭玉恒

（1. 湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074；2.蔡甸區(qū)勘察測(cè)繪院，湖北 蔡甸430100；3.湖北省地圖院，湖北 武漢 430074）

數(shù)字高程模型（DEM）是重要的4D產(chǎn)品之一，應(yīng)用廣泛[1]。數(shù)字時(shí)代DEM產(chǎn)品生產(chǎn)有更高的要求，比如成本、速度及質(zhì)量等。DEM制作方法中，利用現(xiàn)有的DLG生成DEM，不需要投入大量設(shè)備和人力，成本較低，速度較快，并且容易更新[2]。本文對(duì)利用DLG數(shù)據(jù)生成DEM過(guò)程中如何更快速、更好質(zhì)量的方法進(jìn)行探索與實(shí)驗(yàn)。

1 DLG數(shù)據(jù)預(yù)處理

從等高線生成規(guī)則格網(wǎng)DEM一般有2種方式：一是將等高線直接內(nèi)插形成DEM，二是以等高線上的點(diǎn)作為參考點(diǎn)生成TIN進(jìn)而內(nèi)插形成DEM[3]。相比而言，前者比較簡(jiǎn)單、高效，多適用于區(qū)域性的、小比例尺應(yīng)用，不足是對(duì)于很破碎的地形情況，很容易產(chǎn)生地形失真。而TIN模型比較精確，可以適應(yīng)各種數(shù)據(jù)分布，能很好地表達(dá)不連續(xù)的地表數(shù)據(jù)，清晰地表現(xiàn)地形特征，進(jìn)而生成質(zhì)量較高的DEM。本文采用的方式即是這一種。

DEM產(chǎn)品質(zhì)量控制貫穿于整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程[4]。DLG數(shù)據(jù)預(yù)處理是為了提高原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證DEM產(chǎn)品精度。這一過(guò)程主要是清理原始數(shù)據(jù)的粗差、補(bǔ)充重要地形特征細(xì)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是恩施測(cè)區(qū)1︰1萬(wàn)全要素DLG，為e00格式。我們按照代碼方案導(dǎo)入軟件Geoway先作局部整理[5]：

1）從DLG中提取參與生產(chǎn)DEM的源數(shù)據(jù)。提取等高線、高程點(diǎn)單獨(dú)建立terlk層，提取圖上面積大于1 cm2的封閉靜態(tài)水域(本實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)水不參與)如湖泊、水庫(kù)建立hydnt層，并根據(jù)相鄰等高線或高程注記點(diǎn)估讀其水涯線高程。

2）曲線連通并補(bǔ)采特征點(diǎn)。對(duì)原圖上等高線不連續(xù)的地方，如坎、陡崖等，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理，能夠連接的盡可能連上；重要地貌特征如山頭、鞍部、洼地以及彎曲等高線兩側(cè)、自由圖邊的邊角等處，根據(jù)需要補(bǔ)采高程點(diǎn)并估讀其高程值。在CAD中，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)半自動(dòng)的采點(diǎn)程序，即將terlk層數(shù)據(jù)從Geoway中導(dǎo)出為dxf格式，在CAD中人工判讀并選擇需要補(bǔ)點(diǎn)的位置，建立人工高程點(diǎn)層rgc層，并根據(jù)周圍等高線自動(dòng)給特征點(diǎn)賦值。這種環(huán)境下補(bǔ)采特征點(diǎn)非常快速，尤其是需要大量補(bǔ)充特征點(diǎn)的圖幅，避免了人工打點(diǎn)又賦值的低效率處理，并能保證賦值的準(zhǔn)確性。一般情況下，一幅1︰1萬(wàn)地形圖需補(bǔ)采300個(gè)重要特征點(diǎn)，5 min就能完成。

3）圖層內(nèi)及圖層間的要素檢查。將補(bǔ)好點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入Geoway，利用其質(zhì)檢功能檢查水域與等高線、高程點(diǎn)之間關(guān)系是否合理、協(xié)調(diào)，如所有高程點(diǎn)不應(yīng)該有點(diǎn)線矛盾，屬性項(xiàng)與高程信息要正確，水域與等高線不得相交。對(duì)于等高線不合理的地方要處理，保證其光滑、實(shí)在，無(wú)明顯打折、自相交，重復(fù)數(shù)字化及點(diǎn)線要素位移量不能超限。

4）矢量數(shù)據(jù)接邊。保證圖幅之間位置接邊和屬性接邊。

5）挑出檢測(cè)點(diǎn)。從全圖原始高程點(diǎn)中均勻挑出28個(gè)點(diǎn)不參與構(gòu)網(wǎng)，僅作為dem精度檢查之用。檢測(cè)點(diǎn)要盡量避開(kāi)重要特征點(diǎn)。若選取了重要特征點(diǎn)，需在附近位置補(bǔ)采高程點(diǎn)。

2 第二次自動(dòng)加密點(diǎn)模型和DEM生成

數(shù)據(jù)在Geoway中整理好后，將其導(dǎo)出為shp格式，并設(shè)置好投影。使用Arcgis10工具箱中的“3D Analyst—TIN管理—?jiǎng)?chuàng)建TIN”工具，對(duì)話框中加載等高線層、高程點(diǎn)層，分別設(shè)置所選擇圖層的Height Field。這里均用ELEV作為高程屬性字段，SF-type類型分別選硬斷線和離散點(diǎn)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)前期的預(yù)處理，尤其是補(bǔ)采重要特征點(diǎn)這一步，可基本保證構(gòu)建的TIN在山谷、山頂、鞍部等位置能夠很好地逼近真實(shí)地形。對(duì)DEM產(chǎn)品無(wú)太高質(zhì)量要求下，常規(guī)的方法是運(yùn)用水系面編輯TIN后，直接由ArcGIS自帶的線性插值方法轉(zhuǎn)柵格。仔細(xì)觀察TIN會(huì)發(fā)現(xiàn)，在等高線彎曲度大的地方，多表現(xiàn)在山脊處有部分小“平臺(tái)”（其實(shí)是多個(gè)小“平三角形”），“平臺(tái)”的高程值與對(duì)應(yīng)生成的等高線高程一致，由TIN反生的等值線可以讓“平臺(tái)”看得更加清晰（圖1）?？梢?jiàn)，由等高線所表示的山脊在TIN模型中沒(méi)有被明顯地表達(dá)出來(lái)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須在“平臺(tái)”上根據(jù)等高線再增加一定數(shù)量的特征點(diǎn)。使用手工方式增加特征點(diǎn)，無(wú)論在效率方面，還是在完整性、合理性等方面，都是很有限的，因此有必要設(shè)計(jì)特別的方法自動(dòng)提取特征點(diǎn)。

圖1 “平臺(tái)”（綠色線：原始等高線，紅色線：TIN反生的等高線）

2.1 基于ArcGIS平臺(tái)TIN自動(dòng)加密點(diǎn)模型

第二次自動(dòng)加點(diǎn)模型的原理是在ArcGIS中，基于TIN反生的等高線與原始等高線的差集（主要是“平臺(tái)”），提取這些差集中所有“平三角形”的面點(diǎn)并賦值。該方法首先求得原始等高線與TIN反生等高線的差集，將差集轉(zhuǎn)面（這里需設(shè)置容差，保證距離相差很小的也能構(gòu)成面），然后單獨(dú)構(gòu)TIN，得到TIN_DIFF，再將TIN_DIFF轉(zhuǎn)三角形，最后通過(guò)要素轉(zhuǎn)點(diǎn)，獲取每個(gè)小三角形的中心點(diǎn)。注意，這里差集構(gòu)TIN沒(méi)有任何高程意義，其目標(biāo)是盡可能地保證在平臺(tái)上增加的點(diǎn)的密度且位置合理。獲取這些點(diǎn)的高程的方法是：將原始數(shù)據(jù)構(gòu)建的TIN內(nèi)插成DEM，然后用“值提取至點(diǎn)”初步獲取這些點(diǎn)的高程值。很明顯，此時(shí)同一個(gè)“平臺(tái)”上所有增加的點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的等高線等高，為保證地貌的合理性需要抬高這些點(diǎn)，因此對(duì)這些點(diǎn)的高程再做一步運(yùn)算。這里，根據(jù)“平臺(tái)”在兩條等高線間的位置，采取在它們已有高程值基礎(chǔ)上加半個(gè)等高距離以內(nèi)的隨機(jī)數(shù)的方法。顧及數(shù)據(jù)等高距及分布特點(diǎn)，針對(duì)此實(shí)驗(yàn)最終選定的增值范圍是[1,3.5]。最后對(duì)這些點(diǎn)再做一次點(diǎn)線矛盾檢查，保證點(diǎn)值的合理性。此方法所有流程可直接運(yùn)用ArcToolbox功能，然后運(yùn)用ArcGIS模型構(gòu)建器將這些地理處理工具串聯(lián)在一起形成工作流（圖2），并托管中間數(shù)據(jù)，相當(dāng)于一個(gè)新的綜合處理工具。只需要提供參數(shù)入口，一鍵完成，操作起來(lái)簡(jiǎn)單、嚴(yán)密、高效、便捷。

圖2 ArcGIS中基于TIN自動(dòng)加密點(diǎn)模型

如果曲線上的點(diǎn)本身比較密集，可以將很小面積的“平三角”過(guò)濾掉減輕計(jì)算量。運(yùn)用此模型，圖1中第二次加點(diǎn)效果如圖3所示。前后兩次補(bǔ)點(diǎn)不僅保證了原始采樣點(diǎn)的密度與分布，同時(shí)也顧及了地形特征，重新構(gòu)造的TIN模型能很好地逼近實(shí)際地形(圖4)。

圖3 “平臺(tái)”自動(dòng)加的點(diǎn) 圖4 第二次加點(diǎn)后的TIN

2.2 DEM生產(chǎn)工藝流程

TIN內(nèi)插生成DEM后，經(jīng)過(guò)DEM接邊、質(zhì)量檢查再提交成果。對(duì)于相同的原始數(shù)據(jù)，不同的內(nèi)插方法對(duì)DEM的精度并無(wú)顯著影響[6]。鑒于ArcGIS平臺(tái)提供的線性內(nèi)插比較常用，也不需要太多的計(jì)算量，并能滿足精度要求，本數(shù)據(jù)中的TIN內(nèi)插DEM均采用了此算法。DEM完整的生產(chǎn)工藝流程如圖5[7]。

圖5 DEM制作流程

2.3 質(zhì)量檢查

DEM產(chǎn)品的質(zhì)量檢查方法有多種，根據(jù)文獻(xiàn)[8]的要求，我們采用的是測(cè)繪行業(yè)最常用的質(zhì)檢軟件4Dchecker。在此軟件下，導(dǎo)入對(duì)應(yīng)圖幅28個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的txt文本，對(duì)DEM進(jìn)行精度檢查，生成精度檢查報(bào)告，包括接邊報(bào)告等。它可以從定量的角度來(lái)體現(xiàn)DEM的精度，同時(shí)也采用等高線回放方式，即將DEM數(shù)據(jù)再內(nèi)插生成等高線與原圖等高線進(jìn)行疊合[9]，定性檢查有無(wú)偏移超限。實(shí)驗(yàn)證明，這種工藝流程制作的DEM每幅圖70%的高程點(diǎn)精度在0到1/3中誤差之內(nèi)，滿足《數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定和質(zhì)量評(píng)定》，且精度較高，產(chǎn)品質(zhì)量較好。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM是最直接也最便捷的方法之一，本文充分發(fā)揮相關(guān)GIS軟件功能，重點(diǎn)研究了既快速又高質(zhì)量生產(chǎn)DEM的方法。前后對(duì)DLG數(shù)據(jù)進(jìn)行2次加點(diǎn)來(lái)提高數(shù)據(jù)質(zhì)量精度，實(shí)驗(yàn)證明，這種方法成本低，效率高，數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)周期快，非常適合大規(guī)模DEM生產(chǎn)。不足之處是在自動(dòng)加點(diǎn)過(guò)程中，會(huì)有少數(shù)“平臺(tái)”出現(xiàn)，原始TIN反生的等高線與初始等高線套合很好，導(dǎo)致這些“平臺(tái)”沒(méi)有加上點(diǎn)，初步判斷原因是ArcGIS中TIN反生等值線的算法所致，需要進(jìn)一步研究。

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[8]GB/T 18316-2008. 數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收[S].

[9]孫文進(jìn).1∶10 000基礎(chǔ)測(cè)繪DEM制作方法的探討[J].江蘇測(cè)繪，2012(1)：27-28