数字高程模型_DEM_的构建及其应用

数字高程模型(DEM)的构建及其应用

张瑞军,杨武年,刘汉湖,曾 涛

(成都理工大学遥感与GIS 研究所,成都 610059)

摘要:

数字高程模型(DE M)是一定区域范围内规则格网点的平面坐标及其高程的数据集或者是经、纬度和海拔高度的数据集。DEM 用途广泛,数字地球、数字城市、数字区调等工作以及虚拟现实三维可视化都需要高精度的DEM 支撑。本文分析了DE M 的构建方法及利用地形图生成的DEM 的技术路线和数据转换的问题,论述了DE M 在数字区调中的应用,实践证明,该技术在一定程度上解决了高原区调面临的难题,为地质工作提供了一种新途径。关键词:数字高程模型;DE M;数据转换中图分类号:P216文献标识码:B

Abstract :DE M (Digital Elevation Model)is a data set of plane c oordinate or longitude,latitude,and elevation of the regular square grid points in some region.It is applied widely,Digital Earth,Digital City,Digital Regional Geological Survey and 3D virtual ima ges are all based on high precision DE M.This paper analyses the construc tional methods of DE M,the key technology and conversion of data of distilling DE M iwth relief map,and discusses its application in Digital Geological Survey.It is proved that this technique can resolve the difference in Altiplano Regional Geological Survey and give a ne w method for geological work.Key words :Digital Elevation Model;DE M;conversion of data 收稿日期:2004-12-20;修订日期:2005-07-10

作者简介:张瑞军(1980-),男(汉族),山西太原人,

硕士.

1 引言

随着计算机信息技术的发展,模拟地图(纸质地图)无法满足工程中自动化设计的要求,制约了地图制图自动化和3S 技术应用进程。DE M 是3S (GIS,GPS,RS)技术应用成果的主要产品之一。高精度的DE M 不仅可以非常直观的展示一个地区的地形、地貌,而且也为各种地形特征的定量分析和

不同类型专题图的自动绘制提供了基本数据[1]

。

DE M (Digital Elevation Model)是/4D 0(/4D 0指数字高程模型DE M 、数字正射影像DOM 、数字栅格地图DRG 和数组线划地图DLG)产品的一种。它是一定区域范围内规则格网点的平面坐标(X,Y)及其高程(Z)的数据集或者是经度K 、纬度5和海拔h 的数据集。该数据集从数学上描述了区域地貌形态的空间分布,通过计算机,采用一定的算法,能很方便地将DEM 数据转换为等高线图、坡度图、断面图、晕渲图以及与数字正射影像(DOM)复合形成景观图等各种专题图产品;或者按用户需求计算出体积、空间距离、表面覆盖面积等工程数据和

统计数据[2]

。由DEM 还可进一步产生坡度、坡向、沟谷、山脊、地表粗糙度等10多个地形要素,构成数字地面模型(DTM)数据。利用这些地表信息与植被、土壤、人文要素的相关性,建立不同的地学

应用模型。2 DE M 的生产方式

构建DE M 的方式众多,各有其特点。实践表明,1野外实测得到离散地面点数据直接构建TI N,建立DE M,采集的数据点密度是影响精度的关键:密度小,不能如实反映地形,密度大,不但增加工作量,而且效率不高,不适合大规模生产。o利用地形图数字化(等高线矢量化插值)提取DEM 是常用的方法之一。不同的精度要求可选用不同比例尺的地形图来满足,而且它主要工作量集中在等高线的矢量化上,其较高的生产效率、现有设备的可用性及技术上易操作的特性使得许多单位目前还都选择其作为生产DEM 的主要方法。?采用数字射影测量法利用航摄立体像对构建的DE M 空间分辨率(精度)主要取决于航片比例尺的大小:比例尺小,不能反映地形的细微差异,比例尺大,对小区域作业而言,成本又相对较高,因此可根据作业单位实际生产能力和任务进行选择。?采用数字射影测量法利用卫星图像立体像对构建的DE M 空间分辨率主要

受图像比例尺的影响,卫星图像覆盖面积较大,更适用于大面积获取DE M,与航摄相比,成本较低。?利用合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)获取DE M,具有全天候观测、穿透力强等优点,特别适

用于常年积雪区,植被严重覆盖区的DE M 提取。InSAR 的应用,弥补了光学遥感技术的许多不足。表1是目前构建DE M 的几种主要方式的比较。

DEM 生产方式的比较

表1

编号方法

精度及优势

效率和成本

1野外实测得到离散地面点数据直接构建TIN,建立DEM

精度取决于采点密度,适合建立小范围大比便尺

区域的DEM

效率低,成本较高o利用地形图数字化(等高线矢量化插值)提取DEM

精度取决于地形图比例尺,方法较简便效率较高,成本较低?采用数字摄影测量法利用航摄立体像对建立D EM 精度取决于航片比例尺的大小效率较高,成本较高?采用数字摄影测量法利用卫星图像立体像对(如SPO T 图像等)建立D EM

精度较高,可大面积获取DEM

效率较高,成本较低?

利用合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)获取DEM

精度较高,尤其适用于常年积雪区、植被严重覆盖区的DEM 提取

效率较高,成本较高

相比而言,利用现有地形图生成DEM,方法简便,成本较低,对大多数用户来讲,应该是首选的方法之一。限于篇幅,以下主要介绍这种方法的技术路线及其特点。

3 基于现有地形图的DEM 构建

311 地形图矢量化

基于现有地形图的质量和等高线的密集程度,以分辨率300~400dpi,用扫描仪扫描成栅格图,以.TIF 等格式存储在计算机中。.TIF

格式的地形图在矢量化之前必须进行几何精校正,避免产生数字化的结果与原有地形图位置不相重合的问题。

矢量化的过程一般是以栅格图为底图,用矢量化软件对底图上的等高线及控制点、地形点等要素进行矢量化和定位。对等高线密集的区域可以采用

简化等高线的方式进行矢量化,即只勾绘能够反映地形变化的计曲线

或者每隔数条矢量化一条等高线。

如果地形复杂,要考虑冲沟、陡坎等地形特征和房屋、桥梁等地形点,将冲沟、陡坎处的等高线顺连,矢量化后结合原有地形图对数字化结果赋正确属性值(

主要是高程信息)。

笔者使用MapGI S6.2软件的/输入编辑0功能对经过配准的地形图矢量化,然后赋正确的高程属性,保存为软件默认的.wl 线文件。312 格式的转换

考虑到建模区域的复杂程度,及模型精度,笔者选择美国Golden 软件公司在Windows 环境下开发的、主要用于绘制等值线图和相应三维图形的地理数据绘图软件SURFER 来构建DEM 。

但是,SURFE R 软件读取的常用格式为ASCII Data

(.dar),而MapGIS 则是矢量化线文件(.wl),因此,如何将MapGI S 的.wl 文件转换成ASCII 码的.dat 成为构建DE M 的关键。

M apGIS 线文件.wl

GIS 数据方式输出DXF

CAD 可读的.dxf

ARCVIEW 编辑变换

ArcVIEW 的.shp

Arc Toolbox 格式转换工具

ArcGIS 的line coverage

DRDAS IMAGINE 三维数据导出

SURPER 可读的.dat

图1 数据格式转换流程图

如图1所示,将MapGIS 矢量化线文件按照/GIS 数据方式输出DXF 0输出;利用Arc VIEW 的扩展模块Cad Reader 读取1DXF 文件,转换成Shapefile;接着利用Arc Toolbox 工具把.shp 文件转换成Coverage 类型,这里的Coverage 文件是line coverage;最后用ERDAS I MAGI NE 的三维地形表面模块读取line coverage 文件,把线最终转换成离散点,导出SURFER 可读取的.dar 数据文件。313 DE M 的构建

DE M 有多种表示形式,主要包括规则格网

DE M和不规则三角网DE M。所谓规则格网(Regular Square Grid,RSG)DEM,是利用一系列在X、Y方向上都按等间隔排列的地形点的高程值Z表示地形,形成一个矩阵格网DE M。而不规则三角网(triangulated irregular network,TI N)DE M,是按一定的规则将离散点连接成覆盖整个区域且互不重叠、结构最佳的三角形,实际上是建立离散点之间的空间关系[3]。表2是这两种主要表示形式优缺点的比较。

DE M两种主要表示形式优缺点的比较表2不规则三角网(TIN)规则格网(R SG)

优点克服数据冗余;具有可变分辨率;较好的表示复杂地形数据结构简单;计算简单;存储量小,便于管理;复杂地形反映清晰缺点数据结果复杂;算法复杂;计算时间长;管理困难不能精确表示地形复杂程度;地形起伏较大区域存在数据冗余

比较构建DE M的两种主要方式的优缺点,结合SURFER软件本身的特性,笔者选择规则格网DE M。虽然规则格网DE M表示复杂地形时,数据量大,但可以进行压缩,而且易于管理。

SURFER软件生成DE M的过程,其实也是插值和格式转换的结合。笔者选择克里金(Kriging)插值法,它首先考虑的是空间属性在空间位置上的变异分布,确定对一个待插点有影响的距离范围,然后用此范围内的采样点来估计待插点的属性值。该方法是数学上可对所研究的对象提供一种最佳线性无偏估计(某点处的确定值)的方法[4]。对于格网数的设置视建模区域情况和模型精度而定,如果设置过大,不但会有海量数据,而且计算时间长,同时对计算机硬件要求也较高;数据量过小,又不能表示出复杂区域的地形差异,因此度的把握首应考虑。

4DE M精度评定

DE M的精度是指数字高程模型(DE M)与实际地形表面的逼近程度。DEM表面上点的误差是数字地面建模过程中所传播的各种误差的综合,它主要受以下几个因素的影响:地形表面特征、DE M原始数据的密度、分布等属性、DE M表面建模的方法、DE M表面自身的特性[5]。其中决定以地形图构建的DE M精度的主要因素是原始数据的属性特性。

对于以地形图为数据源的数字高程模型而言,地形的复杂程度是我们无法选择的,只有通过加密采样点来弥补;数据源误差主要是地形测图误差和图纸伸缩误差;高程内插精度主要取决于采样间隔;至于DE M表面自身特性对精度的影响相对很小,而且可通过加密采样点来弥补。

数字高程模型精度评定的方法有检查点法、剖面法、等高线法。精度评定途径主要有两条。其一是试验的途径。即从数据源随机抽取样区或凭专家经验选择典型地貌样区,或用各种采点方法,依据选用的高程内插数学模型,来估算所建数字高程模型的精度。其二是试验和推导相结合的途径。这条途径的特点是寻求对地表起伏复杂变化的统一量度和对各种内插数学模型的通用表达方式,使评定方法以及评定所得的精度和某些带规律性的结论,有比较普遍的理论意义[5]。

采用检查点法对本文介绍的利用地形图数字化提取的DEM进行精度评定,在不同的地貌样区采样,其格网点高程中误差都不大于相应比例尺地形图的2/3等高距(GB/T1794111)2000数字测绘产品质量要求第一部分:数字线划地形图、数字高程模型质量要求)[6],满足精度要求。

5DE M在数字区调中的应用

我国西部地区如青藏高原的特点是山高路险,环境恶劣,交通不便,许多地区甚至人、车无法到达,区调工作十分艰难。杨武年提出的基于DE M的遥感图像地质解译三维可视化及影像动态分析方法[7],就是综合利用3S技术(RS、GIS和GPS)、遥感图像数字处理技术、虚拟现实和全数字摄影测量等高科技,通过遥感图像的正射影像处理、多类型遥感图像数据融合、高精度DE M生成和影像复合等工序,按照一定比例尺和飞行路线生成测区的虚拟三维影像动画系列图,以解决高原区调工作者面临的实际问题,弥补其不足[7]。制作的高精度的三维影像动画系列图(图像2),对于宏观观察者(如领导干部、项目决策者等)而言,其实际效果相当于乘坐在一定高度的飞行器上进行航空路线观察(飞行高度可调);对于遥感图像解译者(具体的区调工作人员)而言,高精度的三维影像动画系列图提供了可供反复使用的真实、客观、信息连续的宏观分析地面景观影像。其中,高精度DEM的提取是关键技术之一。

6结论

数字高程模型(DEM)构建的方式多种多样,

采用遥感影像立体像对或InSAR 技术获取DE M,对大面积区域优势明显,但由此方法构建的DE M 精度取决于采用的遥感影像的空间分辨率,低空间分辨率影像价格合适但精度低,而高空间分辨率影像价格高且对图像处理技术要求高;采用地形图数字化提取DE M,不同的比例尺可以满足不同的精度要求,而且还可以使用统一的参数使已有不同年代获得的地形图统一为同一标准,使地图规范化,同时利用地形图数字化提取DEM,具有高效率、低成本

的优点。

图象2 卫星遥感图像地质解译三维影像图(据杨武年,2003)

(系列动画之一帧,TM741合成与ETM8融合,空间分辨率15米,图像上地质构造、地貌等特征显示清楚)

利用DE M,可进一步产生坡度、坡向、沟谷、山脊、地表粗糙度等10多个地形要素,构成DTM 数据。利用这些地表信息与植被、土壤、人文要素的相关性,可建立不同的地学应用模型,制作各种专题图产品,特别是在目前资源大调查背景下,DE M 的应用对我国西部无人区的地质区调工作显得尤其重要。

参

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