一種利用DEM數(shù)據(jù)進行數(shù)字線劃圖生產(chǎn)的方法

王 媛,梁 濤

(1. 西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司,陜西 西安 710054; 2. 陜西省地理空間信息工程技術研究 中心,陜西 西安 710054)

一種利用DEM數(shù)據(jù)進行數(shù)字線劃圖生產(chǎn)的方法

王 媛1,2,梁 濤1,2

(1. 西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司,陜西 西安 710054; 2. 陜西省地理空間信息工程技術研究 中心,陜西 西安 710054)

圍繞基于DEM數(shù)據(jù)的地貌要素提取，對DEM的精度評價方法，基于DEM數(shù)據(jù)的地形特征提取原理及典型算法進行了研究，總結了基于DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字線劃圖的技術特點，設計了作業(yè)流程，并進行了生產(chǎn)試驗。試驗表明，在采用高分辨率DEM數(shù)據(jù)的情況下，基于DEM的數(shù)字線劃圖生產(chǎn)可滿足基本等高距大于2 m、比例尺小于1∶2000的數(shù)字線劃圖生產(chǎn)，可以作為攝影測量的一種補充技術。

數(shù)字高程模型；特征點；特征線；數(shù)字線劃圖

近年來，隨著全數(shù)字攝影測量、激光雷達、干涉雷達等測量技術的普及推廣，DEM數(shù)據(jù)獲取的成本已大大降低。隨著GIS技術和圖像處理技術的應用和發(fā)展，自動提取山頂點、鞍部點、山脊線的技術研究都較為活躍并取得了大量的科研成果[1-6]。但研究成果沒有在實際工程中得到充分應用。

本文選取試驗區(qū)測試基于DEM自動提取地形特征點、地形特征線的方法，并利用提取到的地形特征點、線輔助數(shù)字線劃圖地貌要素部分的生產(chǎn)，探索基于DEM數(shù)據(jù)進行數(shù)字線劃圖生產(chǎn)的方法。

1 技術路線

選取具有典型地貌特點的測區(qū)作為試驗區(qū)。按以下步驟進行試驗：①利用不同分辨率、不同高程精度的DEM數(shù)據(jù)提取等高線，研究DEM分辨率和高程精度對提取等高線高程精度的影響；②研究DEM分辨率和高程精度對提取地形特征點位置精度、高程精度的影響；③研究DEM分辨率和高程精度對提取地形特征線位置精度的影響。DEM提取地貌要素在ArcGIS10.0軟件環(huán)境下進行。

通過對基于DEM提取地貌要素成果與常規(guī)立體采集成果進行對比分析，研究利用DEM提取地貌要素的精度；制定基于DEM數(shù)據(jù)數(shù)字線劃圖的作業(yè)流程，探索該方法在實際生產(chǎn)中的適用范圍。

2 試驗過程

2.1 試驗數(shù)據(jù)概況

試驗區(qū)位于內蒙古中部，地形類別為山地和平地，植被主要為草地和旱地，面積約6.7 km2，DEM數(shù)據(jù)采用航空攝影測量方式獲取，航攝參數(shù)如下：

航攝儀：DMC，地面分辨率：0.18 m，測區(qū)影像圖如圖1所示。

測區(qū)地形主要為山地和平地，測區(qū)DEM示意圖如圖2所示。

2.2 基于DEM提取等高線的精度分析

結合試驗區(qū)的特點，提取等高線精度分析試驗分為平地地區(qū)和山地地區(qū)兩類分別開展[7-8]。利用多種格網(wǎng)間距、不同精度的DEM數(shù)據(jù)分別提取等高線，在數(shù)字攝影測量工作站中用立體模型對不同分辨率DEM提取的等高線進行精度檢查。

圖1 影像圖

圖2 DEM示意圖

2.2.1 平地地形提取等高線精度試驗

平地地形選在南部的平地地區(qū)進行，試驗區(qū)域大小約0.25 km2，基本等高距設置為1 m。

提取的等高線成果如圖3所示。

圖3 平地地區(qū)提取等高線與DOM套合效果圖

對圖3進行分析可得：①提取等高線可表現(xiàn)地形特點；②提取的居民地及建筑區(qū)內部等高線明顯不合理，需要進行人工編輯；③提取的等高線存在部分短小閉合線，影響圖面美觀。

檢測采用抽檢的方法進行，檢查時在區(qū)域內均勻地選取25條等高線，在每條等高線檢測5處，取平均高程誤差作為本條等高線的高程誤差，對25條等高線的高程誤差進行計算，獲取提取等高線的高程中誤差。結果統(tǒng)計見表1。

表1平地不同分辨率DEM提取等高線精度統(tǒng)計m

序號格網(wǎng)尺寸高程中誤差最大誤差最小誤差中誤差DEM10．250．200．180．030．14DME20．50．190．220．040．16DEM310．180．310．050．24DEM420．210．420．040．31DEM550．221．210．120．76DEM60．250．480．590．100．46DEM70．50．510．560．160．49

對表1進行分析可得：①隨著DEM分辨率的降低，提取等高線的高程精度降低。②DEM高程精度的降低，明顯導致提取等高線高程精度的降低。③對于提取1 m基本等高距的等高線，為保證提取等高線的高程精度與DEM高程精度一致，應采用優(yōu)于0.5 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)；為保證提取等高線的高程精度優(yōu)于0.5 m，應采用優(yōu)于2 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)。

2.2.2 山地地形提取等高線精度試驗

山地地形選在試驗區(qū)北部山地,試驗區(qū)域大小約1.0 km2，基本等高距設置為2 m。

提取的等高線成果如圖4所示。

圖4 山地地區(qū)提取等高線效果圖

對圖4進行分析可得：①提取的等高線完全能夠反映地貌特點，并且可以較好地表現(xiàn)出微小地貌；②與立體采集的等高線相比，提取的等高線不夠圓滑，圖面美觀度稍差；③提取的等高線對地形特征線表現(xiàn)能力較差。

對山區(qū)等高線的高程精度進行檢測，結果統(tǒng)計見表2。

表2山地不同分辨率DEM提取等高線精度統(tǒng)計m

序號格網(wǎng)尺寸高程中誤差最大誤差最小誤差中誤差DEM10．250．500．580．440．51DME20．50．520．580．440．51DEM310．490．630．470．55DEM420．500．640．480．56DEM550．480．900．670．78

對表2進行分析可得：①隨著DEM分辨率的降低，提取等高線高程精度降低；②DEM高程精度的降低，明顯導致提取等高線高程精度的降低；③對于提取2 m基本等高距的等高線，為保證提取等高線高程精度與DEM高程精度一致，應采用優(yōu)于1 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)；④隨著DEM分辨率的降低，提取等高線與采集等高線的套合精度明顯降低。

2.3 基于DEM提取地形特征點的精度分析

選擇北部山區(qū)進行DEM提取地形特征點試驗。利用多種規(guī)格的DEM數(shù)據(jù)提取地形特征點，利用立體模型目視檢查提取特征點的地理位置偏差，利用立體模型檢測提取特征點的高程精度，分析DEM的分辨率、高程精度對地形特征點提取精度的影響。

2.3.1 山頂點(山谷點)精度分析

試驗利用多種規(guī)格的DEM數(shù)據(jù)進行山頂點(山谷點)提取試驗[9-11]，利用軟件自動提取的山頂點(山谷點)中存在多余點，套合等高線、DEM和DOM數(shù)據(jù)對自動提取的結果進行編輯，剔除錯誤的提取點后作為最終的山頂點成果。

山頂點提取成果如圖5所示。

圖5 提取山頂點與DEM套合情況示意圖

山谷點提取成果如圖6所示。

對提取結果進行精度檢查，用抽檢方法在區(qū)域內均勻選取了30個山頂點(山谷點)，利用立體模型目視檢查提取特征點的地理位置偏差，利用立體模型檢測提取特征點的高程精度。結果統(tǒng)計見表3。

圖6 提取山谷點與DEM套合情況示意圖

序號格網(wǎng)尺寸DEM高程誤差山頂點位置中誤差山頂點高程中誤差DEM110．502．50．54DME220．522．90．56DEM350．495．50．53DEM4100．5014．31．22DEM521．023．10．93DEM621．482．81．52

對圖5和表3進行分析可得：①利用DEM數(shù)據(jù)可以較好地提取山頂點(山谷點)，調整提取參數(shù)，可以提取不同位置的山頂點(山谷點)；自動提取的山頂點(山谷點)存在一些錯誤點，需要通過手工編輯剔除。②隨著DEM分辨率的降低，提取山頂點(山谷點)的位置精度降低；提取山頂點的位置精度與DEM數(shù)據(jù)的分辨率為同一數(shù)量級，并略低于格網(wǎng)間距。③隨著DEM高程精度的降低，提取山頂點(山谷點)的高程精度降低；提取山頂點(山谷點)的高程精度與DEM數(shù)據(jù)自身的高程精度一致。

2.3.2 鞍部點精度分析

鞍部點提取試驗采用與上述相同的數(shù)據(jù)和步驟[12]，鞍部點提取成果如圖7所示。

圖7 提取鞍部點與DEM、等高線套合情況示意圖

對圖7進行分析，可以得出以下結論：對于大比例成圖中的局部鞍部點，利用DEM數(shù)據(jù)很難準確提取，自動提取的正確率低、錯漏率高。

2.4 基于DEM提取陡坎的精度分析

試驗利用多種規(guī)格的DEM數(shù)據(jù)進行陡坎提取試驗。自動提取的陡坎為陡坎所在區(qū)域，需要人工對提取結果進行編輯，編輯時將提取陡坎區(qū)域與等高線、DEM和DOM數(shù)據(jù)套合，確定陡坎的坎上線、坎下線的具體位置，繪制最終的陡坎線。提取陡坎成果如圖8、圖9所示。

圖8 提取陡坎與DEM套合示意圖

圖9 提取陡坎與DOM套合示意圖

利用立體模型對提取的陡坎結果進行檢查，分析統(tǒng)計陡坎提取結果的正確率和錯漏率。結果統(tǒng)計見表4。

表4 提取陡坎結果準確情況統(tǒng)計表 m

對圖8、圖9和表4進行分析可得：①陡坎提取的自動化程度較低，人工編輯工作量較大。②陡坎提取的正確率較高，但丟漏較多，編輯時必須進行圖面查漏工作。③DEM數(shù)據(jù)分辨率的提高，可以減少陡坎提取的丟漏，但分辨率過高時，會導致正確率降低；基于DEM數(shù)據(jù)提取陡坎時應根據(jù)地形特點選擇合適的DEM分辨率，一般平坦地區(qū)采用高分辨率DEM，陡峭地形采用低分辨率DEM。④DEM數(shù)據(jù)高程精度降低，會導致陡坎提取正確率降低，錯漏率增加。

3 基于DEM的數(shù)字線劃圖生產(chǎn)方案

通過對提取地貌要素的精度所作出的分析，設計了一套基于DEM的數(shù)字線劃圖生產(chǎn)作業(yè)流程，如圖10所示。

圖10 基于DEM的數(shù)字線劃圖生產(chǎn)作業(yè)流程

按照作業(yè)流程進行基于DEM的數(shù)字線劃圖生產(chǎn)試驗，并將基于DEM數(shù)據(jù)生成的數(shù)字線劃圖和航空攝影測量生產(chǎn)的數(shù)字線劃圖進行對比，總結出基于DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字線劃圖的技術特點敘述如下。

基于DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字線劃圖的優(yōu)點包括：①自動化程度高，作業(yè)效率高；②不依賴于數(shù)字攝影測量工作站，節(jié)約生產(chǎn)投入；③能夠將多種遙感數(shù)據(jù)用于數(shù)字線劃圖生產(chǎn)，有利于新技術的應用。

基于DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字線劃圖的缺點包括：①地貌要素采集時沒有立體模型采集方式直觀，較難理解。②作業(yè)時常常需要處理高分辨率的DEM數(shù)據(jù)，需要高性能計算機的支持。③與常規(guī)立體模型采集方式獲取等高線相比，提取等高線的美觀性較差；陡坎難以直接獲取且位置精度較差。④地貌要素的精度受各種閾值設置的影響較大，要求作業(yè)人員具備一定的理論、實踐基礎。

4 展 望

隨著遙感技術的發(fā)展，快速獲取DEM數(shù)據(jù)的分辨率和精度將會大大提高，基于DEM的數(shù)字線劃圖生產(chǎn)是非常值得研究的課題之一[14-17]。

研究結果表明，在采用高分辨率DEM數(shù)據(jù)的情況下，基于DEM的數(shù)字線劃圖生產(chǎn)可滿足基本等高距大于2 m，比例尺小于1∶2000的數(shù)字線劃圖生產(chǎn)，可以作為攝影測量的一種補充技術。

基于DEM數(shù)據(jù)的數(shù)字線劃圖生產(chǎn)技術已可以用于一定范圍內的測繪生產(chǎn)，為使該技術在測繪生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用，還需要在以下幾方面作進一步研究和改進：①研究鞍部點的提取算法；②研究陡坎的提取算法;③開發(fā)基于DEM數(shù)據(jù)提取地貌要素的集成軟件，簡化操作步驟，提高作業(yè)效率。

[1] 湯國安,李發(fā)源,劉學軍.數(shù)字高程模型教程[M].2版.北京:科學出版社,2010.

[2] 倪星航.基于規(guī)則格網(wǎng)DEM提取地形特征線的方法研究[D].成都：西南交通大學,2008.

[3] 應文淵.DEM地形特征分析及應用[D].西安:西安建筑科技大學,2010.

[4] 毋河海,龔健雅.地理信息系統(tǒng)(GIS)空間數(shù)據(jù)結構與處理技術[M].北京：測繪出版社,1997.

[5] 王光霞,朱長青,史文中，等.數(shù)字高程模型地形描述精度的研究[J].測繪學報,2004，33(2)：168-173.

[6] 湯國安,陶旸,王春,等.等高線套合差及在DEM質量評價中的應用研究[J].測繪通報,2007(7):65-67.

[7] 鐘業(yè)勛,魏文展,李占元.基本地貌形態(tài)數(shù)學定義的研究[J].測繪科學, 2002,27(3):16-18.

[8] 易煒.基于DEM的地形特征提取算法研究及應用[D].西安:西安建筑科技大學,2012.

[9] 蒼學智,湯國安,仲騰,等.山頂點類型及其形態(tài)特征數(shù)字表達[J].南京師范大學學報(自然科學版),2010, 33(1)：29-34.

[10] 仲騰,湯國安,周毅,等.基于反地形DEM 的山頂點自動提取[J].測繪通報,2009(4):35-37.

[11] 黃培之.提取山脊線和山谷線的一種新方法[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2001,26(3):239-246.

[12] 張維,湯國安,陶旸,等.基于DEM 匯流模擬的鞍部點提取改進方法[J].測繪科學, 2011,36(1):158-159.

[13] 朱慶,趙杰,鐘正,等.基于規(guī)則格網(wǎng)DEM的地形特征線的提取算法[J].測繪學報,2004,33(1):77-82.

[14] 程鵬飛,趙有松,尹粟,等.海島(礁)DEM成果質量檢驗關鍵技術研究[J].測繪通報,2015(9):48-50,56.

[15] 馬保東,吳立新,許志華,等.利用資源三號測繪衛(wèi)星立體像對提取DEM及精度評價——以神東礦區(qū)大柳塔礦為例[J].測繪通報,2013(11):68-70.

[16] 王光霞,朱長青,史文中,等.數(shù)字高程模型地形描述精度的研究[J].測繪學報,2004,33(2):168-173.

[17] 孫亞飛,江利明,柳林,等.TanDEM-X雙站InSAR地形提取及精度評估[J].武漢大學學報(信息科學版),2016,41(1):100-105.

ResearchontheMethodofDLGProductionwithDEM

WANG Yuan1,2,LIANG Tao1,2

(1. Xi′an Arsc Information Industory Co,Ltd, Xi′an 710054,China; 2. Geoinformation Engineering Research Center of Shaanxi, Xi'an 710054,China)

This paper focuses on the geomorphic feature extraction based on DEM while inuestigates its accuracy evaluation methods, principles and typical algorithms of terrain feature extraction on DEM. Furthermore, it summaried the technical characteristics of the DLG's production using DEM data, designed processes and conducted a production test. Tests show that DLG production with DEM can meet the needs of basic contour interval greater than 2 meters, the scale less than 1∶2000 DLG production in the case of high-resolution DEM data, which can be used as a complementary technology of photogrammetry.

digital elevation model; topographic feature points; terrain characteristic line; digital line graph

P283

A

0494-0911(2017)01-0139-05

王媛,梁濤.一種利用DEM數(shù)據(jù)進行數(shù)字線劃圖生產(chǎn)的方法[J].測繪通報，2017(1)：139-143.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0031.

2016-04-22；

2016-07-27

王 媛(1983—)，女，碩士，工程師，主要從事航空攝影測量工作。E-mail：123048072@qq.com