基于傾斜模型的DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)方法研究

楊輝輝

(南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引言

近年來(lái),隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的普及和迅速發(fā)展,以及無(wú)人機(jī)設(shè)備的日益先進(jìn),無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代測(cè)繪行業(yè),已實(shí)現(xiàn)傾斜模型數(shù)據(jù)在大多數(shù)市、縣級(jí)等地的全區(qū)域覆蓋。相對(duì)于地形圖、正射影像等傳統(tǒng)測(cè)繪產(chǎn)品,傾斜模型數(shù)據(jù)擁有三維可視化效果好、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)。DEM(數(shù)字高程模型)是對(duì)地形表面形態(tài)的數(shù)字表達(dá),其在測(cè)繪、水文、地貌、地質(zhì)、土壤、工程建設(shè)、通訊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。DEM是研究和分析地形、流域、地物識(shí)別的重要原始資料,可用于繪制等高線、高程圖、坡度圖、水系圖、立體透視圖等。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目,以O(shè)SGB格式的原始傾斜模型為數(shù)據(jù)資料,討論了基于傾斜模型的大面積DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)方法[1]。

1 測(cè)區(qū)概況與要求

作業(yè)區(qū)域?yàn)閷幉ù认?地處浙東杭州灣南岸,東南接鎮(zhèn)海區(qū)和江北區(qū),西南連余姚市。慈溪地勢(shì)南高北低,呈丘陵、平原、灘涂三級(jí)臺(tái)階狀朝杭州灣展開。作業(yè)范圍總面積約524 km2。

項(xiàng)目建設(shè)范圍如圖1所示。

項(xiàng)目要求建設(shè)全域524 km2范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù),網(wǎng)格尺寸大小1 m×1 m,高程中誤差應(yīng)符合表1規(guī)定。

表1 DEM格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差

2 傾斜模型數(shù)據(jù)分析

已收集到測(cè)區(qū)內(nèi)524 km2的傾斜模型數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)由浙江省質(zhì)檢站檢驗(yàn)并出具質(zhì)檢合格報(bào)告[2]。數(shù)學(xué)精度如表2所示。

表2 原始傾斜模型數(shù)學(xué)精度

3 DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

基于傾斜模型進(jìn)行水系面采集,對(duì)每個(gè)水面賦予合理的高程值;對(duì)傾斜模型進(jìn)行預(yù)處理,包含傾斜模型底部懸浮物刪除和破損水面裁切;將處理過(guò)后的傾斜模型,轉(zhuǎn)換成LAS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù),在專業(yè)點(diǎn)云處理軟件中,通過(guò)自動(dòng)分類和人工判別篩選出地面真實(shí)形態(tài)的點(diǎn)云,由地面點(diǎn)云生成DEM數(shù)據(jù)[3-4];對(duì)賦予高程的水系面構(gòu)TIN,并構(gòu)建水面DEM數(shù)據(jù);DEM數(shù)據(jù)合、整理、輸出。生產(chǎn)流程圖如圖2所示。

1)使用清華山維EPS軟件進(jìn)行測(cè)區(qū)內(nèi)水系面采集。采集對(duì)象主要包括水塘、河流等,所有水系面高程置平,可根據(jù)水邊線合理賦予高程值。

2)傾斜模型預(yù)處理,使用SVS Model或DP Model等模型修飾軟件對(duì)模型底部存在懸浮物進(jìn)行刪除,如圖3所示;傾斜模型中水面為弱紋理區(qū)域,有模型起伏、塌陷或空洞的問(wèn)題,可以使用模型裁切工具,以水系面為參考矢量,將水面區(qū)域裁剪掉,如圖4所示。

3)使用專業(yè)轉(zhuǎn)換工具,將預(yù)處理完成后的傾斜模型轉(zhuǎn)換成LAS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5],一般設(shè)置點(diǎn)云采樣間隔為0.1 m,轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖5所示。傾斜模型轉(zhuǎn)換而來(lái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn):轉(zhuǎn)換便捷、成果可靠;具備可分辨的顏色和紋理信息,可直觀區(qū)分出建筑、道路、水系等地物,為可視化編輯提供便捷。

4)對(duì)傾斜模型轉(zhuǎn)化而來(lái)的密集匹配點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理提取地面點(diǎn),是DEM生產(chǎn)的關(guān)鍵。本生產(chǎn)流程中利用TIN濾波算法進(jìn)行濾波處理,濾波算法模型圖見圖6。

通過(guò)P點(diǎn)與ΔV1V2V3的位置關(guān)系(相對(duì)地面三角的高度和地形角)來(lái)判斷P點(diǎn)是否為地面點(diǎn)。我們將P點(diǎn)到三角面的距離用d表示,P在三角形ΔV1V2V3面上的投影點(diǎn)記作O,其與地面三角形3個(gè)角點(diǎn)的連線產(chǎn)生3個(gè)夾角,分別為α1,α2和α3[6]。判斷P點(diǎn)是否為地面點(diǎn)參照式(1)。

d

(1)

其中,Sd為設(shè)置的相對(duì)高度;Sα為地形角閾值。分類地面點(diǎn)需根據(jù)地形特點(diǎn),如農(nóng)田區(qū)域、廠區(qū)建筑和居民地建筑等不同設(shè)置不同的閾值。如圖7所示為不同參數(shù)下的濾波效果。

5)以水系面矢量和手動(dòng)賦予的高程值為參考數(shù)據(jù),構(gòu)建水面DEM,如圖8所示。合并水面和其他部分DEM數(shù)據(jù),輸出測(cè)區(qū)內(nèi)整幅DEM成果。局部DEM成果圖9所示。

4 DEM成果精度檢查

對(duì)生產(chǎn)完成的DEM數(shù)據(jù)成果,在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻選取30個(gè)點(diǎn)位,包含鋪裝路面、農(nóng)田、房屋院落等位置,通過(guò)外業(yè)實(shí)測(cè)RTK點(diǎn)對(duì)DEM進(jìn)行精度檢查[7],精度檢查結(jié)果見表3。

表3 DEM精度評(píng)定表

5 總結(jié)與建議

通過(guò)本文的闡述,基于傾斜模型的DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中,需特別關(guān)注以下步驟:

1)傾斜模型中水系面破損嚴(yán)重,因此水系面DEM應(yīng)使用矢量面單獨(dú)生成;并預(yù)先處理傾斜模型,刪除懸浮物和破損水面模型,減少粗差點(diǎn)。

2)對(duì)于大面積建筑覆蓋區(qū)域,選擇合適的點(diǎn)云分類參數(shù)進(jìn)行處理,若分類結(jié)果不滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求,在三維模型中利用EPS進(jìn)行高特征點(diǎn)或特征線采集,確保DEM成果的精度[8-9]。

3)對(duì)DEM成果進(jìn)行整體補(bǔ)洞處理,補(bǔ)全水系面與堤岸之間的接邊等區(qū)域的漏洞。

6 結(jié)語(yǔ)

本文討論了以O(shè)SGB格式的原始傾斜模型為數(shù)據(jù)資料生產(chǎn)大面積DEM數(shù)據(jù)的方法,該方法結(jié)合部分人工編輯和自動(dòng)化處理,項(xiàng)目周期短、外業(yè)工作量少、生產(chǎn)成本低、作業(yè)效率高、易于實(shí)現(xiàn)。并結(jié)合了實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn),驗(yàn)證了該方法在大面積區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)的可行性,充分利用了原始傾斜模型數(shù)據(jù),為作業(yè)區(qū)提供更豐富的三維數(shù)據(jù)。

本次作業(yè)區(qū)域僅包含建筑房屋區(qū)、農(nóng)田區(qū)域、稀疏林地區(qū)等,基于原始傾斜模型進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)的可行性分析,從數(shù)據(jù)特征上而言,由于可見光無(wú)法穿透密集樹林,在山地植被密集區(qū)DEM數(shù)據(jù)精度有待下一步研究。