DEM高程基準轉換方法及應用

李月華 孫 超

(1. 北京華為數字科技有限公司, 北京 100085; 2. 浙江合信地理信息技術有限公司, 河北 石家莊 050000)

0 引言

隨著航空攝影測量、地理信息系統(Geograhic Information System, GIS)的迅速發展,電子地圖[1]具有動態性、交互性和超媒體集成性等特點,為電力行業地圖的使用設計提供了一種嶄新的工作模式。而在電子地圖應用中,數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)在電力行業應用需求越來越廣泛。

通過航空攝影等測量手段獲取高精度的DEM,為電力行業線路選線及線路優化提供基礎數據。將DEM與數字正射影像圖(Digital Orthophoto Mop,DOM)數據結合,構建真實三維場景,可為桿位埋設、房屋拆遷、樹木砍伐、斷面測量等電力需求提供科學依據。利用DEM地圖進行電力線路的選線設計,一定程度上解決了傳統方式中已有資料陳舊、作業工期長、采集數據困難、對環境保護不力等問題,可以大量節約設計成本,同時縮短了勘測設計時間[2]。

基于DEM的行業地圖數據,在電力企業及運營公司得到了大力推廣使用在空間信息的可視化、電力巡檢和通視分析中發揮了重要作用。在軟件集成商在結合電力應用中,發現了地圖DEM的平面和高程基準不統一問題,依據在應用攝影測量方法生產DEM過程中,DEM采集使用的立體模型與成果間也往往存在數學基礎不統一的問題,如何快速完成DEM坐標系統的轉換,常常給電力需求部門造成困擾。

本文針對DEM平面和高程基準不統一的問題,提出了相應的處理方法,同時通過自動化檢測工具對轉換后DEM精度進行統計,為電力行業DEM地圖應用具有重要意義。

1 DEM與電力行業應用

1.1 DEM在電力行業的應用

數字高程模型,是定義在X、Y域離散點上以高程數據實現對地面地形的數字化模擬。DEM包括平面位置和高程兩種信息,它通過有效的高程采集數據,來逼真準確的記錄反映地形表面,是地形信息(地形是一個嚴密的三維有序系統,高程是地形的基礎)的載體。通常所說的DEM是指具有規則格網間距的高程數據集,一般以柵格數據的形式表示[3]。DEM地圖采集的方法很多,主要方法是利用航空和航天遙感技術立體觀測采集方式,立體觀測模式是以前視、正視、后視三臺全色傳感器組成的三線陣推掃式進行地形信息獲取[4]。

DEM在電力行業的基礎設施建設、選址、輸電和配電規劃等領域均有廣泛應用,具體包括:

(1)輸電配電規劃、選線等;

(2)計算電力工程中挖填土石方量;

(3)在電力領域為電力巡檢系統等顯示地形的三維圖形和植被高度;

(4)將地形起伏數據與專題數據如土壤、土地利用、植被等進行組合分析。

1.2 電力行業應用中存在的問題

DEM地圖是電力行業應用分析的基礎,但在實際應用中,卻經常出現對DEM地圖的理解不深刻及電力應用人員缺乏相應的地圖知識,導致地圖無法使用或錯誤使用,嚴重影響分析效果。DEM地圖生產使用過程中的問題大體分為數學基礎、時效性、屬性等問題。以下主要針對在數據應用過程中數學基礎不統一問題進行研究。

在某個電力帶狀DEM制作項目中,要求DEM高程中誤差為0.5 m,網格間距為1.0 m,提交成果為2000國家大地坐標系,1985國家高程基準。項目作業獲取的立體模型成果為WGS84橢球下UTM投影、高程基準為大地高的立體模型,存在投影不同,坐標系不同,高程基準不同。技術難點是解決立體模型采集的數據與提交的成果間存在的高程基準和平面坐標系統不一致的問題。

2 DEM基準轉換方法

DEM地圖出現的數學基礎問題亟待解決。雖然電力行業應用部門對地圖數據能力進一步增強,也加大了相關地圖的質檢力度,但是由于電力行業沒有出具相應的電力行業標準來統一地圖數學技術的技術要求。

目前尚未發布相應的行業標準,通過與電力行業的集成商研討共同制定電力行業DEM地圖的制作標準規范,來解決DEM地圖規范化和標準化的問題。建議進行標準編寫工作,形成了一整套標準化設計規范[5],對DEM行業生產規范進行標準化約束,方便地圖提供商快速完成整個電力行業規范、統一、兼容的DEM地圖,從而為提高行業應用分析,優化行業整體精度等提供強有力的技術支撐。

2.1 思路與方法

總體解決方案是先把目前的立體模型數據導入到采集軟件中,采集WGS84坐標系、大地高的特征線及高程點數據;通過ArcGIS軟件將特征線轉為點文件并保留點的連接關系;收集當地的控制資料計算轉換參數,將轉換后的高程點通過參數計算轉為1985高程基準的點文件;將點文件按照已有的點線連接關系將點重新組成特征線和點;生成不規則三角網(Triangulated Irregular Network,TIN)文件,并導出符合要求的DEM柵格成果,通過自動統計工具對DEM柵格成果進行精度檢驗,如圖1所示。

圖1 高程基準轉換流程圖

2.2 關鍵步驟

2.2.1數學基礎求解

根據行業標準和客戶要求,選擇合適的數學基礎(橢球、高程等)信息,本解決方案求其不同橢球和高程基準間的轉換參數。根據需求和DEM范圍,考慮其均勻分布,共收集22個控制點,控制點為2000國家大地坐標系,高程基準包括大地高和1985國家高程基準。

(1)平面轉換

平面系統由于WGS84橢球與2000國家大地坐標橢球參數基本一致對轉換精度影響有限,同一點在CGCS 2000 橢球和WGS 84 橢球下經度相同, 緯度的最大差值約為3.6×10-6″, 相當于0.11 mm。這里主要是指橢球參數的不同而引起的同一點經緯度的差異, 給定點位在某一框架和某一歷元下的空間直角坐標, 投影到CGCS 2000 橢球和WGS 84 橢球上所得的緯度的最大差異相當于0.11 mm[6]。可通過ArcGIS軟件將特征數據在WGS84橢球下從UTM投影直接轉為高斯克呂格投影,并重新將特征數據定義為2000國家大地坐標系下的高斯投影。

(2)高程轉換

高程基準的轉換參數采用布爾莎七參數轉換模型,將WGS84參考框架大地高轉換成1985高程基準,七參數包括1個尺度變化參數,3個平移參數(ΔX、ΔY、ΔZ)和3個旋轉參數(X旋轉、Y旋轉、Z旋轉)。當有3個或3個以上公共點時,采用最小二乘法求解七參數[7],經檢查控制點精度滿足數據轉換要求,參數可靠。

2.2.2高程信息轉換

高程基準不同,需要采用特征線轉換的方式。特征線采用立體模型采集的特征點組成,主要為地表的高程點數據;特征線主要為不能用單一高程點表示的地形地貌,包括:坡腳線、山脊線、道路邊線、溝(渠)頂線、溝(渠)底線等。

(1)特征點數據可以直接通過轉換參數從大地高轉為1985高程基準,重點是特征線數據的高程基準轉換方法,制定的轉換流程見圖2所示,特征線的局部圖見圖3所示。

圖2 特征線的高程轉換

(2)將特征線通過ArcGIS軟件的“要素轉點工具”,轉為點文件,將點文件添加XY坐標并導出。導出的坐標文件要保留好點號對應的線編號,用于后續關聯,見表1所示。

圖3 特征線(局部)

(3)將表中OBJECTID、X、Y、Z值導出,通過七參數計算出每個點的1985高程基準的高程,并將大地高替換為“85高”。根據更新高程后的點文件,通過ArcGIS“點集轉線工具”重新生成線文件。

2.2.3 DEM重新生成

DEM的制作是通過對等高線或相似立體模型進行數據采集(包括采樣和量測),然后進行數據內插而形成的[8]。DEM生成的過程主要包括:特征點、特征線數據導入、構建不規則三角網(TIN)、設定網格間距、導出DEM成果、成果檢查修改等內容。

(1)創建TIN

利用“創建TIN工具”將轉換高程基準的特征點、特征線導入生成TIN數據不規則三角網數據使用ArcGIS模塊中3D Analyst 生成TIN[9],見圖4所示。

圖4 生成TIN(局部)

表1 坐標文件表 單位:m

(2)生成DEM

對TIN檢查合格后,用TIN轉柵格工具生成1.0 m×1.0 m網格的DEM成果見圖5所示。再根據需求范圍對DEM成果進行裁剪,輸出DEM柵格數據。DEM地圖的不同格式可以通過Global Mapper軟件進行格式轉換,比如提交數據格式為*.tif。

圖5 DEM成果(局部)

3 結果檢驗

DEM高程誤差主要通過曲面內差得到的DEM成果與實地測量數據間的差異,包括采集的特征線位置、合理性、采集誤差等。 為了能夠快速計算檢測點與DEM柵格間的差值,利用Python腳本語言編寫ArcGIS工具來實現。

腳本代碼如下:

# Import arcpy module

import arcpy

arcpy.CheckOutExtension("spatial")

外業檢測點=arcpy.GetParameterAsText(0)

if 外業檢測點=='#' or not 外業檢測點:

外業檢測點="檢查點"

DEM柵格數據=arcpy.GetParameterAsText(1)

if DEM柵格數據=='#' or not DEM柵格數據:

DEM柵格數據="吉林DEM200 m.tif"

精度檢測表=arcpy.GetParameterAsText(2)

if 精度檢測表=='#' or not 精度檢測表:

精度檢測表="C:UsersAdministratorDesktop新建文件夾123.xls"

# Local variables:

Extract_shp3=外業檢測點

Extract_shp3__2_=Extract_shp3

檢查點__3_=Extract_shp3__2_

Extract_shp3__3_=檢查點__3_

精度檢測=Extract_shp3__3_

#柵格值提取至點

arcpy.gp.ExtractValuesToPoints_sa(外業檢測點, DEM柵格數據, Extract_shp3, "NONE", "VALUE_ONLY")

#添加字段

arcpy.AddField_management(Extract_shp3, "檢查點高程", "FLOAT", "10", "2", "", "", "NULLABLE", "NON_REQUIRED", "")

arcpy.AddField_management(Extract_shp3__2_, "差值", "FLOAT", "10", "2", "", "", "NULLABLE", "NON_REQUIRED", "")

arcpy.CalculateField_management(檢查點__3_, "檢查點高程", "[RASTERVALU]", "VB", "")

arcpy.CalculateField_management(Extract_shp3__3_, "差值", "[檢查點高程]-[Field7]", "VB", "")

# 導出精度檢測表

arcpy.TableToExcel_conversion(精度檢測, 精度檢測表, "NAME", "CODE")

通過356個實測高程與DEM成果進行高差對比,計算得到的高程中誤差為0.22 m,滿足項目要求的0.5 m高程中誤差的要求。

高程中誤差計算采用公式(1)執行。

(1)

式(1)中:M為成果中誤差;n為檢測點(邊)總數;Δi為較差。

4 結束語

本文通過對DEM高程基準的問題及轉換方法進行了詳細的闡述,通過將特征線轉為點文件,利用七參數轉換模型將點的Z值從大地高轉為“85高”,利用點、線間的關聯關系重新成特征線,從而完成了高程基準的轉換。采用此方法可以很好地解決利用立體模型生產DEM過程中,因模型高程基準與成果要求不一致導致的高程基準轉換問題。對電力行業高程分析提供了有利的技術支撐。

從電力行業地圖長遠的發展來看,DEM標準能從根本上解決當前出現的各種問題。電力行業需要按照測繪行業規定好DEM的高程基準,為電力的行業建設提供一定的科學依據。

2000國家大地坐標系越來越廣泛的應用,解決了當前工程設計、測繪、監管等多部門大地基準不統一問題,對于電力測量來說,它能夠符合大地基準的發展趨勢,有利于地球空間信息產業的發展,能夠滿足當前與未來我國電力測繪及其他相關產業、經濟建設和國防建設與社會發展對大地坐標系的要求[10]。