危來龍

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院江西南昌 330029）

鄱陽湖基礎(chǔ)地理測量DEM生產(chǎn)要求及實(shí)現(xiàn)

危來龍

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院江西南昌 330029）

作者根據(jù)鄱陽湖地理環(huán)境特點(diǎn)，為滿足高精度DEM生產(chǎn)要求和鄱陽湖地理信息系統(tǒng)建設(shè)的需要，設(shè)計(jì)了該區(qū)DEM生產(chǎn)技術(shù)要求。又由于不同格式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選擇了一種方便適用的軟件進(jìn)行DEM生產(chǎn)，經(jīng)法定權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)成果質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，可滿足鄱陽湖區(qū)建設(shè)的實(shí)際需要。

鄱陽湖；DEM；Geoway；CAD；ARCGIS

1 概述

鄱陽湖是我國第一大淡水湖泊，鄱陽湖平原是我國重要的商品糧棉油基地之一，它位于江西省北部，長江中下游南岸，古稱彭蠡澤。為給研究鄱陽湖、利用鄱陽湖、保護(hù)鄱陽湖提供科學(xué)的基礎(chǔ)性資料，服務(wù)于鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和推進(jìn)鄱陽湖水利樞紐工程建設(shè)，須在有效利用鄱陽湖數(shù)字線劃圖（DLG）的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)高精度數(shù)字高程模型（DEM）。高精度的數(shù)字高程模型（DEM）是進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，提取流域地形特征，進(jìn)行水文分析、洪水淹沒分析、動(dòng)態(tài)庫容計(jì)算的前提。

2 DEM生產(chǎn)技術(shù)要求

DEM包括規(guī)則網(wǎng)格模型Grid和不規(guī)則三角網(wǎng)模型TIN，廣義的DEM還包括等高線、三角網(wǎng)等所有表達(dá)地面高程的數(shù)字表示。在大型地理信息系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)量大，采用TIN進(jìn)行存儲(chǔ)，算法復(fù)雜，運(yùn)算速度極慢，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。通常采用Grid格式，鄱陽湖地理信息系統(tǒng)DEM采用規(guī)則網(wǎng)格模型Grid。

2.1 格網(wǎng)間距要求

鄱陽湖區(qū)內(nèi)堤防眾多，河流、草州、泥灘、島嶼等縱橫交錯(cuò)，以1985國家高程基準(zhǔn)21m為界，鄱陽湖區(qū)覆蓋面積達(dá)5000多平方千米。為實(shí)現(xiàn)如此大面積的洪水淹沒分析、動(dòng)庫容分析計(jì)算，DEM格網(wǎng)選擇是一個(gè)比較關(guān)鍵的內(nèi)容。格網(wǎng)間距越大，承載數(shù)據(jù)量越少，計(jì)算機(jī)處理速度越快。格網(wǎng)間距越小，數(shù)據(jù)量越多，對(duì)地形的逼近程度越高，卻不利于工程實(shí)際應(yīng)用?？梢哉f，數(shù)據(jù)量太大將不利于工程的實(shí)際需要，數(shù)據(jù)量太小又不能定量反映鄱陽湖區(qū)域高程實(shí)測精度。由于鄱陽湖區(qū)域堤防寬度一般為6～8m，要準(zhǔn)確表達(dá)堤防高度，同時(shí)參照GB/T 17941-2008《數(shù)字測繪成果質(zhì)量要求》對(duì)于1∶10000數(shù)字高程模型的要求（最高精度6.25米），選擇DEM格網(wǎng)間距為5m。

2.2 分幅與編號(hào)要求

鄱陽湖基礎(chǔ)地理測量DEM分幅與編號(hào)按GB/ T 13989-92執(zhí)行，即：按經(jīng)緯度分幅，經(jīng)差3′45″，緯差2′30″，采用高斯-克呂格投影，按3°帶分帶，測區(qū)在第39帶，中央子午線為117°。坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系。

2.3 質(zhì)量要求

(1)高程中誤差為：平地1.0m；丘陵地2.5m；山地5.0m；高山地10.0m。

(2)森林等隱蔽地區(qū)的高程中誤差可按規(guī)定的高程中誤差的1.5倍計(jì)，DEM內(nèi)插點(diǎn)的高程精度按格網(wǎng)點(diǎn)高程精度的1.2倍計(jì)。高程中誤差的兩倍為采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)最大誤差限，相鄰圖幅DEM的公共點(diǎn)高程必須一致。

2.4 數(shù)據(jù)格式要求

鄱陽湖基礎(chǔ)地理測量DEM以分幅方式提交，DEM為矩形，起止格網(wǎng)的坐標(biāo)計(jì)算公式為：

式中：X1，Y1，…，X4，Y4為四個(gè)圖廓點(diǎn)坐標(biāo)，XMAX，YMIN為DEM格網(wǎng)起始點(diǎn)（左上角）坐標(biāo)，XMIN，YMAX為DEM格網(wǎng)終止點(diǎn)（右下角）坐標(biāo)，式中以米為單位。

3 生產(chǎn)平臺(tái)選擇

3.1 基礎(chǔ)資料情況

由于水利樞紐工程對(duì)高程的特殊要求，根據(jù)鄱陽湖基礎(chǔ)地理測量進(jìn)度要求和存在大面積水域的實(shí)際情況，基礎(chǔ)資料的獲取采用以下三種方法進(jìn)行。

（1）航攝測地物、野外測高程注記點(diǎn)。保護(hù)區(qū)以外陸上部分采用VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)測地物、野外測高程注記點(diǎn)方法，經(jīng)過像控點(diǎn)的布設(shè)、像片控制點(diǎn)平面和高程施測、航片掃描、解析空三加密、數(shù)據(jù)采集、調(diào)繪、實(shí)測高程、數(shù)據(jù)編輯等各環(huán)節(jié)，高程精度滿足鄱陽湖基礎(chǔ)地理測量技術(shù)方案要求。

（2）RTK或全站儀進(jìn)行全野外解析測量。保護(hù)區(qū)部分，采用RTK或全站儀進(jìn)行全野外解析測量，為提高測點(diǎn)精度，將測區(qū)按高程異常分布規(guī)律分成5個(gè)區(qū)，合理篩分出各分區(qū)的水準(zhǔn)聯(lián)測GPS點(diǎn)和待擬合GPS點(diǎn)，采用外部平差軟件進(jìn)行嚴(yán)密分區(qū)擬合。將各分區(qū)的擬合系數(shù)提供給作業(yè)小組，在采集專題數(shù)據(jù)時(shí)嚴(yán)格按照分區(qū)進(jìn)行擬合系數(shù)的選擇。擬合分區(qū)結(jié)果表明，內(nèi)符合精度大部分在2～3cm左右，最差內(nèi)符合精度優(yōu)于8cm。為確保采集點(diǎn)高程精度，在采集數(shù)據(jù)時(shí)，掛靠最近已知點(diǎn)。

（3）RTK+水下測深儀進(jìn)行水下測量。對(duì)于水下部分測量，利用CORS系統(tǒng)，通過南方S86 RTK流動(dòng)站+中海達(dá)SDH-17型測深儀進(jìn)行，通訊信號(hào)未覆蓋地方仍采用基準(zhǔn)站布設(shè)。水下測量在導(dǎo)航軟件支持下，根據(jù)斷面法要求做好計(jì)劃線，斷面計(jì)劃線之間間距設(shè)置為50米，計(jì)劃線根據(jù)原地形圖布置成與等高線或水流方向大致成垂直的方向；水下地形點(diǎn)的密度能充分顯示水下地形特征，因?yàn)椴捎梅绞綖樽詣?dòng)化采集，所以水下地形點(diǎn)點(diǎn)距，設(shè)置為按距離采集，每5米采集一點(diǎn)。

由于采集方法的不同，采用成圖軟件也不一樣，有VirtuoZo、Geoway3.6、CASS9.0、MAPGIS等軟件參與作業(yè)，分別對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)格式，給DEM生產(chǎn)帶來不便。

3.2 DEM生產(chǎn)軟件優(yōu)劣對(duì)比

（1）VirtuoZo軟件。該軟件具有自適應(yīng)地形的DEM自動(dòng)高效提取功能，具有所見即所得的DEM交互編輯功能，但在大面積區(qū)域DEM生產(chǎn)中存在不足（IGS測圖模塊中地物不能超過60000個(gè)），且基于水利對(duì)高程精度的要求，增加了野外實(shí)測高程、等高線等內(nèi)容，需進(jìn)行數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入的工作，采用VirtuoZo生產(chǎn)DEM變得更加困難。

（2）Geoway3.6軟件、CASS9.0軟件。此兩種軟件均能進(jìn)行DEM生產(chǎn)，但由于該類軟件線劃圖編輯功能強(qiáng)大，DEM編輯功能相對(duì)較弱，在大規(guī)模進(jìn)行DEM生產(chǎn)時(shí)，存在運(yùn)算速度等問題，且基礎(chǔ)資料不同格式的數(shù)據(jù)之間需要轉(zhuǎn)換，難免會(huì)造成一些信息的丟失，針對(duì)實(shí)際情況，不宜采用此兩種軟件。

（3）MapGIS軟件。MapGIS可對(duì)離散的、隨機(jī)采樣的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，具有數(shù)據(jù)插密功能等許多DEM生產(chǎn)的強(qiáng)大功能，在處理等值線數(shù)據(jù)、離散點(diǎn)數(shù)據(jù)均有相應(yīng)功能，但在處理同時(shí)含有等值線數(shù)據(jù)、離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的文件時(shí)，微顯不足，需統(tǒng)一成離散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，且基礎(chǔ)資料中MapGIS格式文件相對(duì)較少，也不宜采用此軟件。

（4）ARCGIS軟件。A RC GIS是美國ESRI公司開發(fā)的一套功能強(qiáng)大的GIS軟件，為用戶提供了一套完整的生成DEM數(shù)據(jù)和進(jìn)行各種DEM分析的對(duì)象庫和接口，在進(jìn)行DEM生產(chǎn)時(shí)具有強(qiáng)大的功能?？紤]到鄱陽湖地理信息系統(tǒng)采用ARCGIS平臺(tái)，所有數(shù)據(jù)均需轉(zhuǎn)換成ARCGIS格式，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式下，進(jìn)行DEM生產(chǎn)較為方便，故采用ARCGIS進(jìn)行DEM生產(chǎn)。

4 生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在相應(yīng)軟件支持下，均能按要求輸出ARCGIS格式。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，均有不同程度的數(shù)據(jù)損失。為防止數(shù)據(jù)丟失，可打開原圖，逐類進(jìn)行比較，對(duì)于存在數(shù)據(jù)丟失的類，可先轉(zhuǎn)換成自定義類，當(dāng)正確轉(zhuǎn)換成ARCGIS格式后，再更改相應(yīng)類名。在CASS9.0轉(zhuǎn)換成ARCGIS格式時(shí)，由于CASS9.0不支持填充圖案的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換該層時(shí)，應(yīng)采用FME軟件進(jìn)行處理。

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)字線劃圖DLG中等高線、高程點(diǎn)、堤防、陡坎、斜坡等地貌特征線表示高程變化，在制作DEM時(shí)，需對(duì)特征點(diǎn)、線進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。特征點(diǎn)為山頂、凹地、鞍部、山谷及地形突變點(diǎn)；特征線為山脊線、山谷線、水系、水域線、斷裂線及地形變換線或等高線等等。為保證DEM生成精度，采集的矢量數(shù)據(jù)范圍四周要大于DEM的實(shí)際范圍約300米左右為好，因TIN網(wǎng)是按臨近原則找點(diǎn)的，若數(shù)據(jù)不夠，易導(dǎo)致邊緣的DEM數(shù)據(jù)出錯(cuò)；

4.3 利用矢量數(shù)據(jù)SHP制作TIN、G rid

（1）在ArcMap中新建一個(gè)地圖文檔，添加等高線、高程點(diǎn)等矢量數(shù)據(jù)。

（2）激活3D Analyst擴(kuò)展模塊，啟動(dòng)3D分析工具條；執(zhí)行工具欄[3D分析]中的菜單命令[3D分析]〉〉[創(chuàng)建/修改TIN]〉〉[從要素生成TIN]。

（3）在[從要素生成TIN中]對(duì)話框中定義每個(gè)圖層的數(shù)據(jù)使用方式；在需要參與構(gòu)造TIN的圖層名稱前的檢查框上打上勾，并指定每個(gè)圖層中作為高度源的字段，設(shè)定三角網(wǎng)特征輸入方式。

（4）生成Tin。如果有特征點(diǎn)，可通過Add Features to Tin來添加。

（5）利用Convert-〉Tin to Raster將Tin轉(zhuǎn)為Raster。

（6）在ArcMap中，將生成的Raster數(shù)據(jù)保存為GeoTiff的Grid DEM。

5 精度評(píng)定

野外使用網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)地采集地形、地貌點(diǎn)的坐標(biāo)、高程值，在4D-checker軟件中通過比對(duì)檢查，統(tǒng)計(jì)受檢成果的高程中誤差；將DEM反生成的等高線與數(shù)字地形圖的等高線套合，檢查超限數(shù)量；內(nèi)業(yè)在軟件中通過接邊檢查功能，檢查數(shù)字高程模型接邊圖幅同名格網(wǎng)高程值不符合要求的個(gè)數(shù)。經(jīng)過多種方法進(jìn)行比較，高程中誤差在±0.30m以內(nèi)，精度指標(biāo)遠(yuǎn)高于相應(yīng)比例尺規(guī)范要求。

6 結(jié)束語

高精度DEM的建立，可為鄱陽湖區(qū)洪水淹沒分析計(jì)算、三維模型建立、動(dòng)態(tài)庫容計(jì)算等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，標(biāo)志著鄱陽湖區(qū)的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)逐漸走向完善。

［1］劉學(xué)軍，王彥芳，晉蓓，馬錦絹，等.顧及數(shù)據(jù)特性的格網(wǎng)DEM分辨率計(jì)算［J］.地理研究，2010，29（5）.

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