梁 思，張 亮，方 芳，周 艷

（1.精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079；2.湖北省航測(cè)遙感院，湖北 武漢 430074；3.湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074）

基于ArcGIS和DLG數(shù)據(jù)的DEM高效生產(chǎn)

梁 思1,2，張 亮1,3，方 芳2，周 艷2

（1.精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079；2.湖北省航測(cè)遙感院，湖北 武漢 430074；3.湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074）

基于湖北省第一次全國(guó)地理國(guó)情普查DEM數(shù)據(jù)制作的生產(chǎn)實(shí)際情況，介紹利用ArcGIS軟件和DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的工藝流程，重點(diǎn)研究基于ArcGIS平臺(tái)自動(dòng)批量增加特征點(diǎn)以及DEM反生等高線與DLG套合編修的方法。

數(shù)字高程模型；數(shù)字線劃圖；ArcGIS；特征點(diǎn)

數(shù)字高程模型（DEM）作為4D基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品中最重要的一種，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛[1]。利用已有數(shù)字線劃圖（DLG）生產(chǎn)DEM技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛使用，方法成熟[2-5]。由于生產(chǎn)平臺(tái)多樣性，DEM生產(chǎn)的速度、質(zhì)量等方面會(huì)有所差別，生產(chǎn)流程略有差別，也有許多可以改進(jìn)的地方[6]。ArcGIS是一套成熟專業(yè)的GIS應(yīng)用整合套裝軟件，有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理功能，在此平臺(tái)上生產(chǎn)DEM有一定優(yōu)勢(shì)。因此，本文總結(jié)了在ArcGIS平臺(tái)下利用DLG數(shù)據(jù)高效高質(zhì)量生產(chǎn)DEM的完整工藝流程，提出一些改進(jìn)措施，能有效減少人工工作量，提高大批量DEM生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

為滿足湖北省開展全國(guó)地理國(guó)情普查工作的需要，湖北省測(cè)繪地理信息局安排全省以1∶10 000比例尺分幅生產(chǎn)2 m格網(wǎng)DEM。湖北省面積約18．59萬km2，全省1∶10 000DEM生產(chǎn)要求在1 a內(nèi)完成，共計(jì)生產(chǎn)任務(wù)區(qū)圖幅5 602幅，補(bǔ)充省界接邊圖幅322幅?！昂笔〉谝淮稳珖?guó)地理國(guó)情普查1∶10 000DEM（5 672幅）”項(xiàng)目采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法制作，主要采用基于已有1∶10 000DLG和已有2 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)在立體模型上編輯這兩種技術(shù)方法生產(chǎn)DEM，其中約一半圖幅采用基于已有1∶10 000DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)的方法。本文在基于DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的常規(guī)做法基礎(chǔ)上，通過生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)一套完整的工藝流程，并運(yùn)用ArcToolbox功能和ArcGIS模型構(gòu)建器建模封裝成新工具，實(shí)現(xiàn)高效半自動(dòng)批量生產(chǎn)DEM。

1 DEM生產(chǎn)

1.1 1∶1萬DLG生產(chǎn)DEM的工藝流程

利用已有DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的原理是利用1∶1萬DLG上的地形、自然及人工地貌要素，包括等高線、高程點(diǎn)、部分湖泊、水庫(kù)等數(shù)據(jù)，通過構(gòu)TIN內(nèi)插生成格網(wǎng)形式的DEM數(shù)據(jù)[7]，具體流程如圖1所示。在生產(chǎn)DEM的整個(gè)流程中，修改水系層面縫隙和反生等高線套合DLG編修等高線、高程點(diǎn)、特征點(diǎn)和水系層等這兩個(gè)步驟需要在ArcGIS平臺(tái)上人工處理，其余步驟通過在ArcGIS平臺(tái)建?；蛘叨伍_發(fā)小工具可全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)批量完成。如果DLG原始數(shù)據(jù)是E00格式，則在數(shù)據(jù)提取前需要在Geoway中轉(zhuǎn)換為SHP格式。

圖1 1∶10 000DLG生產(chǎn)DEM工藝流程

1.2 DLG數(shù)據(jù)預(yù)處理

DLG數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是數(shù)據(jù)提取，在ArcGIS中基于DLG原始數(shù)據(jù)自動(dòng)提取等高線和高程點(diǎn)分別建立terlk線層和點(diǎn)層，提取湖泊、水庫(kù)和池塘等靜面水建立hydnt面層。本項(xiàng)目用于生產(chǎn)DEM的DLG原始數(shù)據(jù)主要是SHP和E00格式。如果是SHP格式，可以用矢量要素提取工具直接自動(dòng)批量提取，生成等高線、高程點(diǎn)和靜面水3個(gè)層，分別命名為“圖幅號(hào)_TERLK_LN”、“圖幅號(hào)_TERLK_PT”和“圖幅號(hào)_HYDNT_PL”。在1．1中提到過，如果DLG原始數(shù)據(jù)是E00格式，則在數(shù)據(jù)提取前需要在Geoway中轉(zhuǎn)換為SHP格式。本項(xiàng)目平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，按3°分帶。如果DLG原始數(shù)據(jù)不是此坐標(biāo)系統(tǒng)，則在數(shù)據(jù)提取前還需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可利用均勻覆蓋全區(qū)的控制點(diǎn)文件在ArcMap中實(shí)現(xiàn)。

1.3 自動(dòng)批量增加特征點(diǎn)和構(gòu)TIN

自動(dòng)批量生成地形特征點(diǎn)是基于DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的關(guān)鍵和難點(diǎn)，對(duì)保證DEM的質(zhì)量非常重要。利用等高線和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)批量增加特征點(diǎn)生成特征點(diǎn)層，命名為“圖幅號(hào)_ breakpoint”。自動(dòng)生成的特征點(diǎn)中會(huì)有少量點(diǎn)的高程值錯(cuò)誤，在“反生等高線套合DLG編修”環(huán)節(jié)可對(duì)高程值錯(cuò)誤的特征點(diǎn)做相應(yīng)修改。利用等高線、高程點(diǎn)和特征點(diǎn)數(shù)據(jù)批量構(gòu)TIN并轉(zhuǎn)為柵格，特征點(diǎn)能有效消除TIN中的“平臺(tái)”。如圖 2所示，無特征點(diǎn)時(shí)在山頂、山脊、鞍部、山谷等地方有明顯的平臺(tái)，即地形細(xì)節(jié)不能很好地表達(dá)，DEM反生等高線與原始等高線不套合。在平臺(tái)處增加特征點(diǎn)后，“平臺(tái)”被消除，DEM反生等高線與原始等高線套合非常好，幾乎重合，如圖3所示。

圖2 無特征點(diǎn)時(shí)有“平臺(tái)”的DEM（紅色線為反生的等高線，黃色線為原始等高線）

構(gòu)TIN并轉(zhuǎn)為柵格是在運(yùn)用ArcToolbox功能和ArcGIS模型構(gòu)建器建模并封裝而形成的新工具中一步直接實(shí)現(xiàn)的，操作簡(jiǎn)單、高效、便捷。一般一幅1∶1萬地形圖可以生成2萬個(gè)左右的特征點(diǎn)，地形越復(fù)雜，真實(shí)表現(xiàn)地形特征需要的點(diǎn)越多，生成的特征點(diǎn)就越多，平均5 min能完成。

圖3 加入特征點(diǎn)后消除“平臺(tái)”的DEM（紅色線為反生的等高線，黃色線為原始等高線）

1.4 靜面水系層處理

將1．2節(jié)中提取出的單幅靜面水系層合并，并在ArcMap中處理面縫隙，可將單幅圖框加入，沿圖框相接處查找面縫隙，更省時(shí)省力。利用1．3節(jié)中生成的TIN計(jì)算水面高程即給水面賦高程值同時(shí)裁切為單幅靜面水系層輸出。由于TIN是由沒有經(jīng)過任何編修的數(shù)據(jù)生成的，因此計(jì)算的水面高程也會(huì)有個(gè)別錯(cuò)誤，同樣需要在后面統(tǒng)一編修。

1.5 DEM生成及反生等高線與DLG套合編修

利用等高線、高程點(diǎn)、特征點(diǎn)和處理后靜面水系層數(shù)據(jù)（即DLG數(shù)據(jù)）批量構(gòu)TIN并轉(zhuǎn)為柵格，用生成的柵格DEM數(shù)據(jù)反生等高線，將等高線與DLG套合。若生成的DEM有問題，則反生的等高線會(huì)與DLG不套合，在ArcMap中人工檢查，不套合的地方一目了然。不套合的地方一般是DLG數(shù)據(jù)有問題，人工分析后可對(duì)數(shù)據(jù)作相應(yīng)編輯處理。通常是以下幾類問題：

1） 等高線不連續(xù)，如有坎、陡崖等的地方；

2） 等高線不合理，如等高線打折、不光滑、自相交、重復(fù)等；

3） 高程點(diǎn)和等高線點(diǎn)線矛盾；

4） 特征點(diǎn)高程值錯(cuò)誤；

5） 靜面水高程值錯(cuò)誤或與等高線相交；

6） 圖幅接邊沒處理好，特別是等高距不同的圖幅間。

DEM反生等高線與DLG套合編修的優(yōu)勢(shì)在于有問題的地方一目了然，可以針對(duì)性修改問題數(shù)據(jù)，省時(shí)省力，效率較高。如果按照通常做法[5,6]，在DLG預(yù)處理階段編修D(zhuǎn)LG數(shù)據(jù)，需要放大到一定比例尺，再全圖逐屏瀏覽，查找需要修改的地方，這樣做不僅人工工作量大、效率低，而且容易查漏查錯(cuò)，效果不好。

重復(fù)該環(huán)節(jié)步驟，直至反生的等高線與DLG套合差在限差內(nèi)。通常重復(fù)2～3次就能達(dá)到很好的效果。

1.6 DEM與水面柵格疊加并裁切

將1．5節(jié)中編輯好的水系層合并、融合高程并轉(zhuǎn)為柵格疊加覆蓋到1．5中最后生成的DEM上，裁切DEM即為最終產(chǎn)品，渲染后的效果如圖4所示。

圖4 渲染后的DEM

2 成果檢查

對(duì)制作1∶10 000 DEM成果進(jìn)行檢查。檢查采用內(nèi)、外業(yè)相結(jié)合的方式，外業(yè)采用的儀器設(shè)備為GPS RTK 接收機(jī)，內(nèi)業(yè)檢查采用的軟件平臺(tái)為4D Mapper V2．5、國(guó)普質(zhì)檢軟件QC Spatial 等。依據(jù) GB/T 18316-2008 《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收》規(guī)定，本次驗(yàn)收批量為1 446幅數(shù)字高程模型（共8個(gè)測(cè)區(qū)），根據(jù)隨機(jī)抽樣原則，分為11個(gè)區(qū)抽取175幅圖作為樣本進(jìn)行詳查。通過內(nèi)外業(yè)檢查，樣本圖幅的空間參考系、位置精度、邏輯一致性、時(shí)間精度、柵格質(zhì)量、附件質(zhì)量等均符合要求。

3 結(jié) 語

本文充分利用ArcGIS軟件功能，通過生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出一套完整且行之有效的工藝流程。自動(dòng)批量增加特征點(diǎn)的方法效率高，能有效提高DEM質(zhì)量。DEM反生等高線與DLG套合編修的方法比在生產(chǎn)DEM前編修D(zhuǎn)LG更省時(shí)省力，編修效果更好。通過檢驗(yàn)該工藝流程的產(chǎn)品精度，證明該方法可以實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量半自動(dòng)批量DEM生產(chǎn)，尤其適合大范圍DEM生產(chǎn)。不足之處在于自動(dòng)增加的特征點(diǎn)仍有一些錯(cuò)誤，需要人機(jī)交互修改，另外有些該增加特征點(diǎn)的地方?jīng)]有增加或者數(shù)量不夠?qū)е掠猩倭俊捌脚_(tái)”效應(yīng)，這些問題都有待今后進(jìn)一步研究和探索。

[1] 宋志勇,全曉萍．基于ArcGIS和DLG地形圖的DEM生產(chǎn)[J]．一線技術(shù),2007(18):173-174

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P208

B

1672-4623（2017）10-0067-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.10.021

2016-07-26。

項(xiàng)目來源：精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（PF2015-9）。

梁思，碩士，工程師，從事攝影測(cè)量生產(chǎn)和研究。