濟(jì)南市1∶10 000數(shù)字高程模型的生成工藝

王鴻 ，田永明

(1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250013; 2.山東省城市空間信息工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250013)

1 引 言

近些年來(lái)，數(shù)字高程模型(DEM)在測(cè)繪、氣象、地貌、地質(zhì)、工程建設(shè)、通信等許多領(lǐng)域得到迅速的發(fā)展、充分的應(yīng)用和廣泛的關(guān)注，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)以及人文和自然科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供基礎(chǔ)性的應(yīng)用數(shù)據(jù)?；跀?shù)字高程模型(DEM)在城市建設(shè)發(fā)展和管理中的重要性，我院制作了濟(jì)南市主要區(qū)域的1∶10 000數(shù)字高程模型(DEM)。

2 測(cè)區(qū)概況、技術(shù)要求

濟(jì)南市是山東省的省會(huì)城市，位于山東省中部，地勢(shì)南高北低，南依泰山，北跨黃河。本次制作的濟(jì)南市數(shù)字高程模型(DEM)的覆蓋面積約5 300 km2。結(jié)合實(shí)際需要我院制作的數(shù)字高程模型(DEM)成圖數(shù)學(xué)基礎(chǔ)如下:平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用濟(jì)南市獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，該獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)可與2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，高程基準(zhǔn)采用1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。其基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示:

表1 基本技術(shù)指標(biāo)

3 主要工藝流程

在適普攝影測(cè)量工作站VirtuoZo 中制作數(shù)字高程模型(DEM)的主要工藝流程包括:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空三加密、自動(dòng)匹配、匹配結(jié)果編輯、生成DEM、DEM 拼接與分幅等，具體如圖1所示:

圖1 制作DEM 的主要流程圖

3.1 空三加密

目前航空攝影可以采用GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，這可以大大減少外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)的工作量。由于我院同時(shí)還要生產(chǎn)數(shù)字線劃圖(DLG)及數(shù)字正射影像圖(DOM)，對(duì)空三加密成果的精度要求比較高，所以本次區(qū)域網(wǎng)像片控制點(diǎn)的布設(shè)采用傳統(tǒng)的方法，即采用平高控制點(diǎn)的區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案，航向每6 條基線布設(shè)一組控制點(diǎn)，在山地等不易選點(diǎn)的條件下可放寬至8 條基線布設(shè)，旁向每隔1 條航線進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)。采用DMC 數(shù)字航攝儀獲取的數(shù)字影像不能被軟件直接讀取處理，這就需要對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行一下數(shù)據(jù)格式的批量轉(zhuǎn)換，由航空攝影所直接獲得的輻射分辨率12 bit的影像數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換為16 bit影像數(shù)據(jù)，最后再批量轉(zhuǎn)換為8 bit影像數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換完成后按照規(guī)范及軟件要求設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，依次進(jìn)行定向(包括內(nèi)定向和相對(duì)定向)、航帶偏移、自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)、自動(dòng)挑點(diǎn)、絕對(duì)定向、平差計(jì)算、區(qū)域網(wǎng)接邊等工作即完成區(qū)域網(wǎng)的空三加密工作，空三加密是計(jì)算機(jī)自動(dòng)匹配與人工干預(yù)共同執(zhí)行完成的一項(xiàng)交互式的工作，對(duì)后續(xù)采集各種數(shù)字成果的精度影響較大，因此要求加密人員選點(diǎn)合理、刺點(diǎn)點(diǎn)位準(zhǔn)確無(wú)誤?？杖用芡瓿珊蠹纯砂才抛鳂I(yè)人員進(jìn)行DEM、DLG、DOM 等數(shù)字產(chǎn)品的制作。

3.2 匹配結(jié)果的編輯及數(shù)字高程模型生成

數(shù)字高程模型(DEM)是一種實(shí)體地面模型(如圖2所示)。數(shù)字高程模型(DEM)在進(jìn)行土方量計(jì)算、通視分析、匯水區(qū)分析、蜂窩電話的基站分析等方面的應(yīng)用十分廣泛［5］，數(shù)字高程模型(DEM)是建立智慧城市的重要基礎(chǔ)信息之一。

圖2 DEM

目前有很多方法可以獲取數(shù)字高程模型(DEM)，如機(jī)載激光掃描儀、激光測(cè)高儀、Insar 技術(shù)、攝影測(cè)量、GPS 和全站儀野外測(cè)量以及基于數(shù)字化等高線和高程點(diǎn)信息創(chuàng)建DEM 等［6］。本文是采用攝影測(cè)量的方法來(lái)獲取數(shù)字高程模型(DEM)，作業(yè)人員通過(guò)利用繪制點(diǎn)、線、面等不同作業(yè)方式對(duì)自動(dòng)匹配生成的核線影像結(jié)果進(jìn)行立體編輯，對(duì)于一些十分復(fù)雜的地形區(qū)域的影像，如:溝谷、山脊、大片居民區(qū)、黑影遮蓋區(qū)或水域等地區(qū)的影像，由于其影像紋理不清晰導(dǎo)致自動(dòng)匹配生成的匹配點(diǎn)不是在地面上，從而無(wú)法較好的獲取貼近地面的高程信息，這種情況需要在自動(dòng)匹配前進(jìn)行匹配預(yù)處理，在立體模型中根據(jù)地形的復(fù)雜情況加測(cè)適量的特征點(diǎn)、線、面來(lái)輔助系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)匹配，通過(guò)人工干預(yù)獲得更好的匹配結(jié)果，減少后期立體模型上編輯的工作量。采集編輯時(shí)按照具體地形情況及具體的生產(chǎn)技術(shù)要求對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，組合使用各種擬合算法、平滑算法以及內(nèi)插方法對(duì)自動(dòng)匹配不好的格網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉?，使編輯后的格網(wǎng)點(diǎn)貼近影像立體模型的地貌表面［4］，并對(duì)編輯結(jié)果進(jìn)行立體模型檢測(cè)，使格網(wǎng)點(diǎn)高程最大誤差不超過(guò)規(guī)范要求的2 倍高程中誤差，以獲得高精度的DEM 數(shù)據(jù)。

由于濟(jì)南南部臨近泰山多為山區(qū)，北部地勢(shì)較為平緩，針對(duì)這兩種地形地貌的處理方式就存在不同之處。山區(qū)植被覆蓋茂盛，并且地勢(shì)高差較大，自動(dòng)匹配生成的結(jié)果較差，在自動(dòng)匹配前加測(cè)特征數(shù)據(jù)或者引入已有的高精度的DLG 數(shù)據(jù)的等高線或高程點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，匹配效果就會(huì)得到極大改善，從而減少了后期編輯的工作量;而對(duì)于北部較為平坦的區(qū)域，自動(dòng)匹配的結(jié)果比較理想，容易編輯處理，只需要對(duì)居民區(qū)、樹(shù)木等地物運(yùn)用曲面擬合配合中度平滑算法進(jìn)行編輯處理，就可以達(dá)到理想的效果。對(duì)于測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的玉清湖水庫(kù)、錦繡川水庫(kù)等大大小小的水體，采用定值平面的方法進(jìn)行處理，使水庫(kù)范圍內(nèi)DEM 高程值一致;黃河的DEM 采用中度平滑算法進(jìn)行處理，達(dá)到其高程自上而下平緩過(guò)渡。

3.3 DEM 鑲嵌與裁切

作業(yè)人員單個(gè)模型DEM 編輯完成后，要進(jìn)行相鄰單模型DEM 之間接邊處理，接邊時(shí)要保證至少有2 個(gè)格網(wǎng)的重疊帶［1］，檢查重疊帶內(nèi)所有的同名格網(wǎng)點(diǎn)的高程較差，當(dāng)DEM 同名格網(wǎng)點(diǎn)的高程較差不大于2 倍DEM 高程中誤差時(shí)，取同名點(diǎn)高程的平均值作為該點(diǎn)高程，若同名格網(wǎng)點(diǎn)的高程較差超限，需在立體模型上查明原因并進(jìn)行修正直至符合要求，生成單像對(duì)DEM并保留接邊精度報(bào)告，接邊精度報(bào)告隨成果一并提交質(zhì)量檢查。圖幅范圍內(nèi)所有像對(duì)DEM 的接邊較差都滿足要求后，進(jìn)行像對(duì)間及航帶間的DEM 鑲嵌。

DEM 鑲嵌完成后，按照起止格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行矩形裁切，裁切時(shí)外擴(kuò)一排DEM 格網(wǎng)，確保相鄰DEM 分幅成果之間有一定的重疊度，同時(shí)生成該圖幅DEM 格網(wǎng)的地理定位信息文件。

4 精度檢測(cè)

數(shù)字高程模型成果的精度用格網(wǎng)點(diǎn)的高程中誤差表示，根據(jù)GB/T 18316－2008《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》中對(duì)質(zhì)量檢查方法的規(guī)定，DEM 精度的檢測(cè)主要有參考數(shù)據(jù)對(duì)比、野外實(shí)測(cè)、內(nèi)部檢查等方法［2］，野外實(shí)測(cè)方法雖然精度高，但由于測(cè)區(qū)范圍大導(dǎo)致野外實(shí)測(cè)的工作量很大，野外實(shí)測(cè)的方法適用于范圍較小或?qū)嶒?yàn)區(qū)的精度檢測(cè)，鑒于勘測(cè)院有豐富的地形圖等現(xiàn)勢(shì)強(qiáng)的數(shù)據(jù)資源的優(yōu)勢(shì)，本次對(duì)DEM 精度的檢測(cè)采用參考數(shù)據(jù)對(duì)比，充分利用濟(jì)南市1∶500全野外數(shù)字化地形圖成果、二級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)成果、控制測(cè)量成果及1∶2 000數(shù)字地形圖成果，成果精度評(píng)定是以1∶500全野外數(shù)字化地形圖、二級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)成果、控制測(cè)量成果及1∶2 000數(shù)字地形圖成果上的高程點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，對(duì)DEM 格網(wǎng)點(diǎn)位高程精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

參照CH/T9009．2－2010《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5 000、 1∶10 000、 1∶25 000、 1∶50 000、1∶10 0000數(shù)字高程模型》數(shù)字高程模型成果格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差精度要求不大于表2規(guī)定:

表2 1∶10 000 比例尺數(shù)字高程模型精度指標(biāo)［3］

依據(jù)GB/T24356－2009《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》中的驗(yàn)收要求，按照地形特征的不同在平地、丘陵地、山地和高山地中共抽取22 幅數(shù)字高程模型進(jìn)行精度檢測(cè)，在每幅DEM 上根據(jù)具體的地形復(fù)雜情況選取20 個(gè)～30 個(gè)檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)均勻分布在每幅DEM 上，適當(dāng)增加檢查點(diǎn)的密度在高程變化較大的地區(qū)，經(jīng)檢查粗差點(diǎn)為2.6%，剔除粗差點(diǎn)后根據(jù)公式(在規(guī)范GB/T24356－2009 中規(guī)定)計(jì)算中誤差，其中，Mh為高程中誤差，n 為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)，△hi為高程較差，由表3可以看出DEM 成果能夠滿足1∶10 000一級(jí)精度要求。

表3 1∶10 000 DEM 成果精度檢測(cè)匯總表

5 心得體會(huì)

通過(guò)這次數(shù)字高程模型DEM 數(shù)據(jù)生產(chǎn)有以下體會(huì):

(1)加密分區(qū)時(shí)，為能提高加密成果精度并且能保證空三加密能順利通過(guò)，應(yīng)盡量按照平地、丘陵地、山地和高山地等不同地形特征進(jìn)行適當(dāng)分區(qū)，加密時(shí)做好加密分區(qū)的接邊工作;

(2)為方便生產(chǎn)中作業(yè)人員進(jìn)行DEM 鑲嵌裁切，分配任務(wù)時(shí)盡量按加密分區(qū)內(nèi)整條航線或相鄰航線進(jìn)行作業(yè)分配;

(3)在立體模型上作業(yè)員進(jìn)行匹配編輯和質(zhì)檢員進(jìn)行目視檢查時(shí)，應(yīng)分條塊進(jìn)行，每條塊間有適當(dāng)重疊，防止有遺漏區(qū)域;

(4)進(jìn)行精度評(píng)定時(shí)選用的1∶500 全野外數(shù)字化地形圖成果、二級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)成果、控制測(cè)量成果及1∶2 000數(shù)字地形圖成果等數(shù)據(jù)要進(jìn)行必要的可靠性評(píng)定，剔除精度較差的檢查點(diǎn)，提高精度評(píng)定的準(zhǔn)確性。

6 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)的應(yīng)用前景十分廣闊，其應(yīng)用值得相關(guān)行業(yè)進(jìn)行深入研究。濟(jì)南市1∶10 000數(shù)字高程模型制作完成后，已成功應(yīng)用于濟(jì)南市城市三維模型制作、濟(jì)南市衛(wèi)星影像圖生產(chǎn)、基礎(chǔ)地理信息公共平臺(tái)建設(shè)、地理國(guó)情普查等方面，為濟(jì)南市城市規(guī)劃管理、土地利用分析等方面提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的服務(wù)，為智慧城市的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

［1］CH/T 1015．2－2007．基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品1∶10000、1∶50000生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程(第2 部分:數(shù)字高程模型DEM)［S］．

［2］GB/T 18316－2008．?dāng)?shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收［S］．

［3］CH/T 9009．2－2010．基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5000、1∶10000、1∶25000、1∶50000、1∶100000 數(shù)字高程模型［S］．

［4］適普軟件有限公司．VirtuoZo 全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站使用手冊(cè)［z］．

［5］阮明．大范圍DEM 數(shù)據(jù)的快速生產(chǎn)［J］．城市勘測(cè)，2011(1):102～104．

［6］田永明，王鴻，武豐雷．利用立體像對(duì)建立城市三維景觀［J］．城市勘測(cè)，2010(3):77～79．