基于地理國情普查中DEM精化技術(shù)方法研究

熊淑雅+索菲+王寶

摘 要：通過對(duì)已有DEM、DLG數(shù)據(jù)的分析，研究了一套基于ArcGIS、PixelGrid以及MapMatrix平臺(tái)快速生成多尺度數(shù)字高程模型的工藝流程，并針對(duì)不同方法制作DEM的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析討論，得出了具體的結(jié)論和成果。對(duì)大批量快速制作不同尺度的DEM提供實(shí)用的參考價(jià)值和制作方法。

關(guān)鍵詞：DEM；DEM精化；多尺度；坡度分析

DEM是對(duì)地形地貌的一種離散的數(shù)字表達(dá)，是對(duì)地面特性進(jìn)行空間描述的一種數(shù)字方法、途徑，它的應(yīng)用可遍及整個(gè)地學(xué)領(lǐng)域。

1 數(shù)據(jù)源分析

基于已有5米格網(wǎng)DEM進(jìn)行精細(xì)化生產(chǎn)相對(duì)簡單，但只適用于單幅坡度小于45°且占比達(dá)到80%以上面積的圖幅，因此在決定采用哪種數(shù)據(jù)源之前需要做好坡度分析工作。

利用ArcGIS空間分析工具Spatial Analyst對(duì)DEM進(jìn)行基于單元的GIS運(yùn)算，即坡度分析。坡度分析完成后，單幅坡度45°以下，且面積的占比達(dá)到80%的圖幅，就可以直接利用ArcGIS軟件中的柵格處理模塊（Raster Processing），對(duì)已有DEM成果數(shù)據(jù)（即5米格網(wǎng)DEM）進(jìn)行格網(wǎng)重采樣（Resample）為2米格網(wǎng)DEM成果，采樣方式一般采用雙線性內(nèi)插算法（BILINEAR）。

坡度45°以下且面積占比未達(dá)到80%的圖幅，需要基于DLG數(shù)據(jù)源進(jìn)行DEM精化，所用的軟件除常用的ArcGIS外，還有MapMatrix和PixelGrid。利用PixelGrid中的批量拼接和接邊功能，將DEM數(shù)據(jù)在PixelGrid里打開后，同時(shí)開啟對(duì)應(yīng)的等高線（等高距可選擇），參照等高線和對(duì)應(yīng)DEM對(duì)接邊處進(jìn)行修測。MapMatrix在控制地形、處理地形細(xì)微處和地形變換頻繁突兀處可以保證數(shù)據(jù)成果的精度。

2 基于DLG生產(chǎn)DEM

基于DLG數(shù)據(jù)源進(jìn)行DEM生產(chǎn)時(shí)，一般原理是在 1：10000數(shù)據(jù)庫中選取其中的等高線、高程點(diǎn)、水系等要素以及已有的地形特征數(shù)據(jù)，對(duì)選取要素進(jìn)行編輯、拼接、分幅裁切，然后按照統(tǒng)一設(shè)計(jì)的2米格網(wǎng)大小，采用合適的數(shù)學(xué)內(nèi)插方法生成DEM。

2.1 基于ArcGIS快速生產(chǎn)多尺度數(shù)字高程模型

針對(duì)本次地理國情普查項(xiàng)目的進(jìn)度要求，快速制作DEM采用了兩種試驗(yàn)方法：一是利用ArcGIS模塊中的 3D分析工具（Raster Interpolation）；二是在航天遠(yuǎn)景（MapMatrix）中通過加適量特征線快速制作DEM。利用ArcGIS的Raster Interpolation分析工具選取等高線、水系、高程點(diǎn)以及沖溝、陡坎等方向線，設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，運(yùn)行Topo to Raster命令生成指定格式的DEM成果數(shù)據(jù)。此法簡單、易行且做出來的DEM整體精度高、過渡平滑美觀，但因?yàn)楸敬螖?shù)據(jù)源缺少特征線，導(dǎo)致生成的DEM在地形細(xì)節(jié)方面（主要是地形變換突兀處、微地形處）套合精度較差，且一次不能處理太大范圍。

2.2 基于MapMatrix快速生產(chǎn)多尺度數(shù)字高程模型

在航天遠(yuǎn)景（MapMatrix）里操作相對(duì)簡單，只需取用三維等高線數(shù)據(jù)，加適量特征線和控制線即可。基于等高線生成DEM的步驟為：

（1）在“MapMatrix-特征采集處理專家”文件新建特征文件，生成*.fdb文件，設(shè)置工作區(qū)屬性，導(dǎo)入*.dxf文件。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后進(jìn)行矢量外包，全屏顯示，將數(shù)據(jù)范圍設(shè)置為當(dāng)前工作范圍。

（2）使用平行移動(dòng)工具，對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行平行線操作，在原等高線正負(fù)向0.2米距離處生成一對(duì)平行線，給定不同的圖層和色值，輸入對(duì)應(yīng)高程值（與原等高線0.5米高差）。數(shù)據(jù)操作完成后，統(tǒng)一檢查修改平行線相交處、地形漏繪處以及等高線接邊。

（3）地形復(fù)雜區(qū)域，利用畫線工具沿著山脊和山谷添加特征線。

（4）導(dǎo)出數(shù)據(jù)“圖號(hào).Dxf”，利用小程序把*.dxf轉(zhuǎn)成*.dem，設(shè)置X、Y間距（2米）。

（5）在MapMatrix界面下，利用工具 DEM轉(zhuǎn)換，把*.dem輸出指定的格式。反生等高線進(jìn)行檢查若有粗差或套合超限處，重新進(jìn)入“MapMatrix-特征采集處理專家”進(jìn)行處理，直至滿足要求為止。

使用上述方法生成的DEM具備如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）DEM反生的等高線與原始DLG套合精度極高，且地形細(xì)微處的表現(xiàn)很細(xì)致。

（2）數(shù)據(jù)整體質(zhì)量好，等高線自然平滑。

（3）制作過程簡單、快捷且數(shù)據(jù)檢查、修改起來方便、易行。

3 實(shí)例驗(yàn)證及分析

3.1 坡度分析

首先選取實(shí)驗(yàn)圖幅I48G006001，基于已有5米DEM數(shù)據(jù)成果做坡度分析，分析結(jié)果主要用于選擇DEM精化的方法。具體分析工作在ArcGIS Spatial Analyst中進(jìn)行，主要分為三步：基于Surface的坡度提取（Slope）；基于Reclass的坡度分級(jí)（Reclassify），以45°為界分為兩級(jí)；基于Conversion Tools的柵格轉(zhuǎn)面（Raster to polygon），用于統(tǒng)計(jì)坡度級(jí)別面積的占比。以45°為分界點(diǎn)進(jìn)行面積占比統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下所示。

3.2 基于DLG生產(chǎn)DEM的兩種方法比較

第一種方法是利用ArcGIS模塊中的3D分析工具（Raster Interpolation），選取DLG數(shù)據(jù)中的等高線、水系、高程點(diǎn)，設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)。

第二種方法是利用MapMatrix-特征采集處理專家，導(dǎo)入DLG數(shù)據(jù)中的等高線，添加控制線和特征線，運(yùn)行過程如圖所示。

圖中白線為原始等高線數(shù)據(jù)，兩側(cè)的紅綠平行線為地形控制線，黃線為特征控制線，通過這種方法做出來的DEM既與實(shí)際地形的符合程度很高，又很好地保留了細(xì)部特征。以上兩種方法生成的DEM結(jié)果對(duì)比如下：endprint

從圖5可以看出方法二生成的DEM地形細(xì)部特征和局部套合明顯優(yōu)于方法一生成的DEM成果，由此也驗(yàn)證了上述提到的基于MapMatrix快速生產(chǎn)多尺度數(shù)字高程模型的優(yōu)點(diǎn)。

3.3 DEM精化數(shù)據(jù)接邊

DEM批量數(shù)據(jù)制作好后，直接在PixelGrid打開DEM，進(jìn)行拼接和接邊操作。數(shù)據(jù)拼接前注意統(tǒng)一所有DEM的坐標(biāo)投影系統(tǒng)，每幅圖除了給定大地基準(zhǔn)、投影與分帶，還要定義高程基準(zhǔn)，以便正確拼接和檢查修改。DEM拼接好后，開啟對(duì)應(yīng)的圖幅結(jié)合表和等高線，參照5米等高距對(duì)應(yīng)的等高線和成果DEM對(duì)圖幅接邊處進(jìn)行檢查和修測。針對(duì)不同期數(shù)據(jù)的接邊，此方法立顯直觀、快捷，且接邊后的數(shù)據(jù)過渡平滑、美觀、精度高，能做到隨時(shí)檢查修改。

3.4 DEM精化數(shù)據(jù)處理及裁切

針對(duì)數(shù)據(jù)不滿幅的情況，零值的處理顯得尤為重要。不同期數(shù)據(jù)拼接好后，無值區(qū)可能會(huì)顯示多種不同的值，為了正確顯示圖像，需統(tǒng)一處理。

3.5 DEM精化問題處理

在等高線套合差檢查過程中發(fā)現(xiàn)在山區(qū)陡崖等位置，不論基于已有DEM重采樣還是基于DLG精細(xì)化處理的DEM成果，其反演的等高線與DLG成果中的等高線套合差較大，有橫穿等高線現(xiàn)象，經(jīng)分析原因是因?yàn)闁鸥窕蟮腄EM格網(wǎng)空間大小為2米，而陡崖等區(qū)域原始的等高線之間的距離間隔遠(yuǎn)小于2米，反演后的等高線無法準(zhǔn)確反映該區(qū)域的三維地形信息，這些區(qū)域不做檢查依據(jù)。原則上每幅DEM起止點(diǎn)坐標(biāo)必須位于起止像素的中心點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)有不滿足要求的圖幅（非滿幅或通過已有DEM重采樣），可以通過重采樣的方式對(duì)拼接好的DEM整體做角點(diǎn)坐標(biāo)的適當(dāng)調(diào)整，從而達(dá)到單幅裁剪后滿足起止點(diǎn)坐標(biāo)位于像素中心點(diǎn)的要求。

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)檢測了本文設(shè)計(jì)的一整套DEM精化方案，充分發(fā)揮了相關(guān)軟件（MapMatrix、ArcGIS、PixelGrid）的優(yōu)勢，著重研究了利用DLG快速批量生產(chǎn)DEM的作業(yè)方法。生產(chǎn)過程中通過添加適當(dāng)特征線來提高DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量精度，實(shí)驗(yàn)證明，這種方法投入低、效率高、數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量好且生產(chǎn)周期快，非常適合大規(guī)模DEM生產(chǎn)。不足之處是目前的特征線是手工添加的，存在人工判斷的誤差，導(dǎo)致特征線添加遺漏或冗余的情況出現(xiàn)，在特征線的自動(dòng)化判斷和添加方面需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] GDPJ 08-2013《多尺度數(shù)字高程模型生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定》.endprint