張騰騰

(廣東省國土資源測繪院, 廣東 廣州 510700)

0 引言

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Models,DEM)是進(jìn)行地形地貌信息提取和研究的重要手段。DEM數(shù)據(jù)的分辨率越高,對地形要素和分布特征的提取效果越好,然而受各種條件的限制和影響,原始的DEM數(shù)據(jù)在分辨率上不是很高,因而需要對原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理[1-4]。

楊燦燦等[5]以南京市某區(qū)1∶500地形圖為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對現(xiàn)有地形圖分類在城市DEM建模中的應(yīng)用進(jìn)行了分析;辛全波等[6]運(yùn)用多要素組合拓?fù)錁?gòu)面的方法對面狀地形要素的提取問題進(jìn)行了研究,認(rèn)為該方法提取效率和精度均較高;潘成軍[7]基于傾斜攝影模型,對1∶500地形圖要素提取方法進(jìn)行了分析,為傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地形圖測繪提供一定的借鑒;李阿竹[8]對1∶10 000 DEM的制作進(jìn)行了介紹,并對DEM數(shù)據(jù)采集、精度、接邊等問題進(jìn)行了闡述說明。

文章以1∶10 000 DEM精細(xì)化處理方法進(jìn)行了研究,并基于DEM精細(xì)化處理流程,并對比分析了最近鄰域法、雙線性內(nèi)插法以及三次卷積法三種重采樣方法對DEM精細(xì)化處理效果的影響,以期能為地形特征等數(shù)據(jù)的提取提供精度較高的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

廣東某地面積約為1 400 km2,下轄7個(gè)鎮(zhèn)、4個(gè)鄉(xiāng),總?cè)丝诩s35萬,屬亞熱帶濕潤氣候,年平均氣溫為22℃,年平均降雨量1 624 mm,地勢為南高北低,高程范圍為56～1 090 m,以丘陵、山地和高山地為主。所采用的研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為1∶10 000 DEM及 DLG(數(shù)字線地圖，Digital Line Graphic)數(shù)據(jù)組成,時(shí)間跨度為2009—2019年,數(shù)據(jù)采用的平面標(biāo)準(zhǔn)為2000年國家大地坐標(biāo)系,采用的高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn),其中網(wǎng)格間距為2.5 m的圖幅共計(jì)16幅,網(wǎng)格間距為5 m的共計(jì)44幅,網(wǎng)格間距為10 m的圖幅共計(jì)13幅。選用其中現(xiàn)勢性好、精度高的原始數(shù)據(jù)作為本文分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),并通過數(shù)據(jù)源的檢查,確保研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 DEM精細(xì)化處理方法及流程

對所選圖幅的坡度占比情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)精細(xì)化處理方法,具體情況為:(1)當(dāng)所選圖幅大于45°坡度的占比達(dá)到整個(gè)圖幅面積20%以上時(shí),采用原始1∶10 000的DLG數(shù)據(jù)作為精細(xì)化處理的數(shù)據(jù)源;(2)當(dāng)所選圖幅小于45°坡度的占比達(dá)到整個(gè)圖幅面積80%以上時(shí),選用1∶10 000的DEM數(shù)據(jù)作為精細(xì)化處理的數(shù)據(jù)源。

基于DLG數(shù)據(jù)的DEM精細(xì)化處理流程為:(1)進(jìn)行地貌要素和水系要素的提取和整理,獲得等高線、高程點(diǎn)以及靜置面狀水體等參數(shù);(2)進(jìn)行特征點(diǎn)、線數(shù)據(jù)采集與編輯;(3)生成DEM的矢量數(shù)據(jù)集(成果數(shù)據(jù)),并檢查生成質(zhì)量;(4)進(jìn)行數(shù)學(xué)內(nèi)插,得到內(nèi)插規(guī)則的格網(wǎng)DEM;(5)檢查內(nèi)插規(guī)則格網(wǎng)DEM的質(zhì)量,若滿足要求,則導(dǎo)出規(guī)則格網(wǎng)DEM成果數(shù)據(jù),若不滿足要求,則重復(fù)(3)～(5)步,見圖1。

圖1 基于DLG數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理流程 注:不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network,TIN)

基于DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行DEM精細(xì)化處理流程為:(1)對已有DEM數(shù)據(jù)源進(jìn)行檢查,然后將數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換為tif格式;(2)檢查圖幅間的接邊差、重疊差等,確保差值在2倍等高距之內(nèi);(3)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;(4)進(jìn)行圖幅鑲嵌,通過大量數(shù)據(jù)試驗(yàn),選用距離加權(quán)法進(jìn)行圖幅鑲嵌;(5)按格網(wǎng)大小進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣,將5 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)通過重采樣生成為2 m格網(wǎng)DEM;(6)進(jìn)行DEM的拼接和裁切;(7)檢查DEM生成質(zhì)量,若滿足要求,則導(dǎo)出精細(xì)化處理成果,見圖2。

圖2 基于DEM的精細(xì)化處理流程

3 重采樣方法的選取

在DEM精細(xì)化處理過程中,需要5 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)通過重采樣生成為2 m格網(wǎng)DEM,根據(jù)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),重采樣的方法主要包括最近鄰域法、雙線性內(nèi)插法和三次卷積法[9-11],由于重采樣方法的選擇受數(shù)據(jù)多方面因素的影響,因此,需要根據(jù)研究區(qū)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行合理的選取,否則會(huì)造成DEM精細(xì)化處理效果不佳的后果。

最近鄰域法:計(jì)算簡單,數(shù)據(jù)處理過程快捷,不改變輸入數(shù)據(jù)的任何數(shù)值,適用于離散數(shù)據(jù)的重采樣處理和分析,將與輸出格柵的像元中心點(diǎn)(正方形)距離最為接近的像元值(三角形)作為改點(diǎn)的采樣值;雙線性內(nèi)插法:考慮輸出像元中心點(diǎn)附近4個(gè)像元值的相互影響,通過計(jì)算4個(gè)距離值的加權(quán)平均值作為輸出像元值;三次卷積法:考慮像元中心點(diǎn)附近距離最近的16個(gè)像元值,通過計(jì)算16個(gè)距離值的加權(quán)平均值作為輸出像元值,如圖3所示。

圖3 不同重采樣方法像元值計(jì)算示意

采用不同重采樣方法所獲得的DEM成果見圖4。從圖4中可以看到:由于三次卷積法考慮了相對位置對象元值的影響,因此,相比于最近鄰域法和雙線性內(nèi)插法,三次卷積法計(jì)算涉及的像元更多,可以對數(shù)據(jù)邊緣起到銳化作用,因而生成的DEM圖像更加平滑。

圖4 不同重采樣方法DEM成果

由于重采樣生成的DEM圖像目視效果較差,難以區(qū)分三種方法的重采樣效果,故將生成的DEM數(shù)據(jù)反演生成等高線并與原始等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果見圖5。從圖中可以看到:相比于最近鄰域法,雙線性內(nèi)插法和三次卷積法反生成的等高線數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)基本重合,僅在局部地區(qū)出現(xiàn)曲線分離,因而,從計(jì)算精度來講,雙線性內(nèi)插法和三次卷積法更適合研究區(qū)的樣本數(shù)據(jù)。

圖5 等高線數(shù)據(jù)反演結(jié)果

對三種重采樣方法進(jìn)行綜合對比:(1)時(shí)間效率方面:由于最近鄰域法、雙線性內(nèi)插法和三次卷積法在計(jì)算過程中分別考慮1個(gè)像元點(diǎn)、4個(gè)像元點(diǎn)和16個(gè)像元點(diǎn),因此三種方法的計(jì)算復(fù)雜程度呈指數(shù)遞增,故而最近鄰域法的計(jì)算時(shí)間效率>雙線性內(nèi)插法的計(jì)算時(shí)間效率>三次卷積法的計(jì)算時(shí)間效率;(2)數(shù)據(jù)精度方面:三次卷積法的計(jì)算精度>雙線性內(nèi)插法的計(jì)算精度>最鄰近內(nèi)插法的計(jì)算精度;(3)圖像效果方面:三次卷積法的圖像效果>雙線性內(nèi)插法的圖像效果>最鄰近內(nèi)插法的圖像效果。內(nèi)插法雖然計(jì)算速度最快、最簡便,但所得到的DEM圖像視覺效果最差,且誤差也最大,三次卷積法雖然在圖像效果和計(jì)算精度上表現(xiàn)最佳,但其計(jì)算過程較為費(fèi)時(shí),將大大降低工作效率,雙線性內(nèi)插法雖然未考慮灰度變化的影響,所獲得的圖像輪廓具有一定的模糊性,精度也沒有三次卷積法高,但總體而言重采樣所得到的2 m格網(wǎng)DEM滿足計(jì)算要求,且較三次卷積法能大大提升工作效率,故決定采用雙線性內(nèi)插法進(jìn)行DEM的重采樣。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)上文分析結(jié)果,采用雙線性內(nèi)插法將5 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)通過重采樣生成為2 m格網(wǎng)DEM,經(jīng)DEM拼接裁切最終生成DEM精細(xì)化處理成果圖,然后采用可視化法和檢查點(diǎn)法對精細(xì)化處理成果進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)過程中分別對研究區(qū)高山地、山地和丘陵地三種地形進(jìn)行了分類分析,可視化檢驗(yàn)結(jié)果見圖6。從圖6中可以看到,高山地、山地和丘陵地三種地形下的套合效果良好,不存在明顯偏差,等高線局部放大圖雖然存在一定數(shù)量的鋸齒外,反演生成的等高線也與原始地形圖中的等高線基本吻合,因此,從等高線套合結(jié)果來看,精細(xì)化生成2 m格網(wǎng)DEM精度較高;高山地、山地和丘陵地三種不同地形下的等高線與暈渲圖吻合度較高,層次結(jié)構(gòu)明顯,清晰度較高,能夠準(zhǔn)確地反映當(dāng)?shù)氐牡匦畏植继卣?且數(shù)據(jù)成果均滿足相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制要求。

精細(xì)化處理過后的高程數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從表中可以看到:規(guī)范要求2 m格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)中的高山地、山地以及丘陵地三種地形的高程精度(中誤差)應(yīng)該分別小于6.7、3.3和1.7 m,而經(jīng)精細(xì)化處理后的三種地形的中誤差分別為0.963、0.623和0.422 m,地形越高,誤差越大,但均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

從可視化法和檢查點(diǎn)法對DEM精細(xì)化處理過后的精度檢驗(yàn)結(jié)果來看:經(jīng)數(shù)據(jù)精細(xì)化處理后的DEM數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映不同地形的分布特征,清晰度較高,且精細(xì)化處理后的高程中誤差均在規(guī)范要求范圍內(nèi),可為研究區(qū)地形特征等數(shù)據(jù)的提取提供精度較高的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 檢查點(diǎn)法精度檢驗(yàn)結(jié)果 單位：m

5 結(jié)束語

(1)受各種條件的限制,原始的DEM數(shù)據(jù)不能滿足對分辨率的要求,需要對其進(jìn)行DEM精細(xì)化處理,根據(jù)45°坡度所占圖幅比例的比重,DEM精細(xì)化處理可分為基于DLG數(shù)據(jù)和基于DEM數(shù)據(jù)兩種DEM精細(xì)化處理方法。

(2)對不同重采樣方法下的DEM精細(xì)化處理效果進(jìn)行了對比分析,綜合時(shí)間效率、數(shù)據(jù)精度以及圖像效果等因素,認(rèn)為選擇雙線性內(nèi)插法的效果最好。

(3)從可視化法和檢查點(diǎn)法對DEM精細(xì)化處理過后的精度進(jìn)行檢驗(yàn)結(jié)果來講:精細(xì)化處理后的DEM數(shù)據(jù)能較好反應(yīng)不同地形的分布特征,且高程中誤差均在規(guī)范要求內(nèi),可提供高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。