基于既有不動產測圖數據的地形級實景三維構建

劉天清，萬阿芳

摘? 要：地形級實景三維主要由數字高程模型與數字正射影像經實體化，并融合實時感知數據構成。高程模型（DEM）作為一種重要的基礎地理測繪產品，其生產及快速更新具有重要意義。本文對特征線自動提取與處理和道路面高程恢復及異常處理等關鍵技術進行了研究，形成了湖南省基于既有不動產測繪成果生產省域2 m格網高精度DEM的技術方法，實現實用型地形級實景三維建設。實驗表明該方法可有效提高地形級實景三維的生產效率和成果精度。

關鍵詞：地形級實景三維；航空攝影測量；DEM；精度

中圖分類號：P231? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-5603（2023）03-100-05

Terrain-3DRS Generation Based on Existed Real-estate Mapping Data

Liu Tianqing，Wan Afang

（The First Surveying and Mapping Institute of Hunan Province， Changsha Hunan 410119）

Abstract：Terrain-3DRS is mainly generated from digital elevation model and digital orthophoto， and real-time monitoring data integrated as well. DEM（digital elevation model） is an important basic data in surveying and mapping field，? and its? updating has? significant meaning. This paper discussed the key points of automatic feature line extraction and road-surface elevation recovery in DEM generation， and formed an effective way of 2-meter-grid high-precision DEM generation based on the existed real estate mapping data of Hunan Province， and obtained practical terrain-3DRS. The experiment analysis shows that the proposed way in the paper could improve the productive and prescion of terrain-3DRS.

Keywords：terrain-3DRS; aero-phtotgarmmatry; DEM; precision

1 概述

1.1 研究背景

數字高程模型（DEM）是利用離散的有序數值陣列對地表形態進行的一種數字化表達，一種對空間起伏變化的連續表示方法，是地形級實景三維建設的重要底板數據。隨著經濟社會精細化、智能化水平程度的不斷提高，對DEM更新時效性和精度也提出了更高的要求[1-2]。目前國內DEM生產主要方式有航空（航天）攝影測量和利用LiDAR點云兩種。數字線劃圖與DEM表達方式存在很大差異，利用已有DLG數據生產DEM需要大量的人工干預[3-4]。

本文以湖南省2 m格網高精度數字高程模型（DEM）建設項目為背景，研究基于既有不動產測圖數據自動化生產DEM的關鍵技術，解決了自動化生成山頂、山脊、山谷鞍部等特征部位地形線和消除道路面高程異常關鍵難點，為地形級實景三維構建提供了借鑒意義。

2 技術路線

湖南省2 m格網高精度數字高程模型（DEM）建設項目，以1∶2000不動產數字線劃圖和空三成果為基礎數據源，提取相關貼地面要素后，進行要素預處理，在航測立體環境下補充采集其他相關特征要素，形成地貌特征矢量數據集，構建TIN內插DEM[5-7]。比對分析DEM反生的等高線與原始同名等高線的套合程度及DEM高程點與立體的切合程度，對DEM精度不符合要求的區域，進行細部修改，重新內插DEM，最后分幅裁切生成精細化的DEM成果數據，總體生產流程如圖1所示。

3 矢量特征線自動化處理

3.1 地貌特征線自動生成

山脊、山谷線等地貌特征線的自動生成是無需人工采集及干預的情況下，利用已有的等高線、高程點數據自動獲得，其具有效率高、閾值少、人工干預少等特點[8-10]。該項目中通過大量數據驗證，地貌特征線自動生成提升了DEM生產階段人工采集地形特征線100%的生產效率，方法如圖2所示。

該關鍵技術具體流程包括以下步驟：

S1，利用等高線、高程點、以及其他帶有高程的數據，共同構建不規則三角網TIN；

S2，據三角網中頂點的高程Z和邊的類型，提取3R三角形；

S3，依次遍歷3R三角形，跟蹤相鄰平三角形，生成節點二叉樹；

S4，沿二叉樹生成地形控制線；

S5，地形控制線的簡化與平滑：需在保持起始點不變前提下重構轉折點，并采用距離加權平均的方法，依次計算地形控制線高程，同時提高計算效率；

S6，地形控制線賦高程：根據控制線上各節點離首尾節點的線上距離，內插計算出各節點高程、以及其他帶有高程的數據，構建不規則三角網TIN。

利用自動提取的地貌特性線生成DEM，對比無地貌特性線DEM反生等高線和提取地貌特性線DEM反生等高線與原始等高線套合情況，對比效果如圖3所示。

3.2 道路面高程自動恢復及異常處理

利用空三加密成果及原始影像提取的DSM測制DLG時，道路高程會出現異常突變現象，且由于恢復的道路面兩邊高程不一致，DEM成果在道路處存在凸凹變形，利用該成果制作的實景三維模型道路也存在大量失真[11-13]。

利用道路高程算法從DSM數據中提取道路中心線逐點高程，通過行道樹清理算法處理道路面高程異常情況，將道路中心線高程賦值給道路兩邊邊線，依據修改后的道路生產更新DEM成果，使生成的DEM成果在道路區域的變形消除，其方法如圖4[12-16]。

本方法遍歷道路上所有節點，計算連續5個點高程的平均值，將計算結果賦值給中間點，計算公式如下：

[Zi=Zi?2+Zi?1+Zi+Zi+1+Zi+25]? ?（式1）

圖5和圖6中，藍線代表當前道路的高程，單位為米，橙線代表當前的坡度，單位為度。本示例中將坡度閾值設置為10°，距離閾值設置為25 m。從圖5中可以看出，A、B兩點之間很多點坡度超出坡度閾值，是A、B兩點之間為道路高程異常區域，將A、B兩點之間的節點按照距離內插計算高程，即可清除高程異常。圖7是清除道路高程異常前后的地形級實景三維效果對比圖。

4 結語

4.1 精度分析

根據《數字高程模型質量檢驗技術規程》（CH/T 1026—2012），針對項目作業區選取了平地、丘陵地、山地、高山地四種不同地形DEM成果，采取野外實測法，即外業實地選取檢測點，同一平面選取格網并記錄其高程值進行比對，開展成果高精度檢測[17-20]。中誤差計算公式如下：

M=±[i=1nΔi2n]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（式2）

式中，M為成果中誤差；Δi為較差；n為檢測點數量。

按規范要求每幅圖選取大于20個高程檢測點，經湖南省測繪產品質量檢驗中心實體外業檢測統計DEM高程中誤差精度情況，見表1。

由檢測結果可知，基于既有不動產測圖數據，通過自動提取地貌特性線和消除道路異常技術處理后生產的DEM成果精度優于規范（CHT9008.2-2010）《基礎地理信息數字1：500、1：1000、1：2000數字高程模型》中1：2000 DEM三級精度要求，能夠滿足并服務于地形級實景三維地理場景更新。

4.2 結論

本文在總結湖南省2 m格網高精度數字高程模型（DEM）建設項目生產過程的基礎上，討論了基于既有不動產測圖數據成果高效構建地形級實景三維地理場景的問題，重點探討了其中“地形特征線簡化、路面高程平滑處理”等問題。通過項目內外業檢驗，本文所提出方法具有自動化程度高、整體精度好等特點，能夠用于地形級實景三維場景的快速制作更新。

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