淺談基于ArcGIS的兩種DEM生成方法比較

陳磊

摘要：DEM是各種地學(xué)分析、工程設(shè)計和輔助決策的重要基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。由于數(shù)據(jù)獲取方式不同，生成算法各異，生成DEM的方法也很多。基于ArcGIS生成DEM，一般通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)生成DEM和直接通過內(nèi)插方法實(shí)現(xiàn)。文章以數(shù)字化地形圖為數(shù)據(jù)源，使用兩種方法生成DEM并對比，闡述這兩種生成DEM方法的區(qū)別及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：DEM生成方法；TIN；TOPO；ArcGIS；地學(xué)分析；工程設(shè)計 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP311 文章編號：1009-2374（2016）33-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.030

數(shù)字高程模型（DEM）是新一代的地形圖，地貌和地物不再用直觀的等高線和圖例符號在紙上表達(dá)，而是通過儲存在磁性介質(zhì)上的大量密集的地面點(diǎn)的空間坐標(biāo)和地形屬性編碼，以數(shù)字的形式描述。DEM以數(shù)字的形式按一定的組織結(jié)構(gòu)組織在一起，表示實(shí)體地形特征空間分布的模型，是地形形狀大小起伏的數(shù)字描述。

由于生成DEM的數(shù)據(jù)獲取方式不同、生成算法各異等原因，DEM的生成方法很多，最常用的生成方法就是對現(xiàn)有地形圖進(jìn)行數(shù)字化，以獲取原數(shù)據(jù)，并用于構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)從而建立DEM或直接通過內(nèi)插的方法建立DEM。本文將對這兩種生成DEM的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依據(jù)高程吻合度等質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)對這兩種方法生成的DEM進(jìn)行對比。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究方案

根據(jù)數(shù)字化地形圖數(shù)據(jù)分別以構(gòu)TIN法和TOPO法生成DEM，并對其比較，找出其區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)。其中通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)生成DEM時對分別以無骨架點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)TIN和增加骨架點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)TIN兩種方法生成的DEM進(jìn)行對比，找到更高質(zhì)量的構(gòu)TIN方案；在TOPO法建立DEM中，通過對DEM生成參數(shù)的設(shè)置，建立更佳的DEM，對構(gòu)TIN法生成的DEM與TOPO法建立的最佳DEM進(jìn)行對比。

2 DEM建立方法

2.1 構(gòu)TIN法（以Delaunay三角網(wǎng)為例）

不規(guī)則三角網(wǎng)表示數(shù)字高程模型既能減少規(guī)則格網(wǎng)方法帶來的數(shù)據(jù)冗余，同時在計算效率方面優(yōu)于純粹基于等高線的方法。單純以等高線構(gòu)建DEM會出現(xiàn)平頂，溝谷、山脊不明顯等缺點(diǎn)，不能夠很好地表現(xiàn)微地形特征。為了克服這些缺點(diǎn)，需在等高線數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增加骨架點(diǎn)數(shù)據(jù)來彌補(bǔ)。骨架點(diǎn)就是分布于整個圖內(nèi)，彌補(bǔ)等高線不能反映出的具體特征地形的一系列特征點(diǎn)。與沒有骨架點(diǎn)的DEM暈渲圖相比，平頂、溝谷、山脊不明顯等缺點(diǎn)，已經(jīng)較好地得到了改善。包含骨架點(diǎn)數(shù)據(jù)生成的DEM比不包含骨架點(diǎn)數(shù)據(jù)生成的DEM在山頂、溝谷、山脊等方面優(yōu)秀，包含骨架點(diǎn)生成TIN得到DEM的相同抽取點(diǎn)高程誤差的均方差小于不包含骨架點(diǎn)生成TIN得到的DEM的抽取點(diǎn)高程誤差的均方差。所以，在高程吻合度方面，顯然有骨架點(diǎn)貢獻(xiàn)的TIN得到DEM優(yōu)于缺少骨架點(diǎn)的DEM。

2.2 TOPO法

使用ArcGIS軟件生成DEM，除構(gòu)TIN并內(nèi)插生成DEM的方法以外，還提供另一種生成DEM的方法，即TOPO法，直接根據(jù)已有的高程點(diǎn)、等高線、水系等內(nèi)插生成DEM。在TOPO法中，數(shù)據(jù)以類型為特點(diǎn)正確地被設(shè)置，如等高線為Contour、湖泊為Polygon、點(diǎn)為PointElevation、河流為Stream等。除此之外，就是要設(shè)定TOPO法生成DEM的具體參數(shù)，如系統(tǒng)計算迭代次數(shù)、粗糙度懲罰、離散化錯誤因子、垂直標(biāo)準(zhǔn)錯誤等。

3 兩種DEM生成方法比較

3.1 高程吻合度

以高程值來看，這兩個DEM高程值均向高處有延伸，說明都會在適當(dāng)范圍內(nèi)使山頂增高，但TOPOgrid明顯有高程下限延伸，說明溝谷加深方面TOPO法優(yōu)于構(gòu)TIN法。隨機(jī)挑選若干有代表性的高程點(diǎn)，兩種方法都能較好地擬合現(xiàn)實(shí)地形，但是TOPO法比構(gòu)建TIN后得到的平均誤差和均方根誤差都要小，在總體高程吻合度方面，TOPO法優(yōu)于構(gòu)TIN法。

3.2 回放等高線吻合度

絕對高程誤差不能提供完整的DEM質(zhì)量評價。由于回放等高線的位置、坡向及曲率直接取決于DEM的高程、坡向和平面曲率，所以回放等高線是檢驗(yàn)DEM質(zhì)量的靈敏方法。

從擬合DEM提取等高線，將其與原始等高線相比，回放等高線與原始等高線彎曲趨勢一致，位置也基本重疊，符合度高。因?yàn)樵谏郊购蜏瞎忍貏e是溝谷，等高線平面曲率變化很大，所以總體吻合效果為坡面>山脊>溝谷。兩種方法模擬效果都比較好，質(zhì)量優(yōu)良，但是在平緩溝谷等地區(qū)TOPOgrid回放等高線吻合度要優(yōu)于TINgrid。不過，含陡峭斜坡的地區(qū)，TIN以其出色的靈活性，較好地表現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)地形。TOPO法生成DEM回放等高線在平緩地區(qū)與原始數(shù)據(jù)等高線吻合度要比構(gòu)TIN法生成DEM回放等高線高，但是在等高線密集的山脊線附近卻相反，構(gòu)TIN法要優(yōu)于TOPO法。

3.3 DEM高程差

利用ArcGIS軟件的柵格計算功能，將TIN法和TOPO法生成的DEM相減，將得到的結(jié)果進(jìn)行重分類可以得到DEM的高程差。這兩種方法生成的DEM在很大區(qū)域差別不大，高程差較大的地方為山頂和等高線密集的山脊部分和谷底，由此在選取建立DEM方法的時候，首先應(yīng)該明確數(shù)據(jù)區(qū)域的地貌類型，選擇合適的方法。

3.4 特殊地勢下的DEM擬合比較

3.4.1 山頂。TIN在山頂出現(xiàn)“平三角形”等扭曲實(shí)際地形的現(xiàn)象，而TOPOgrid較為圓滑，更貼近真實(shí)地面狀況。

3.4.2 高程急劇變化地區(qū)。在高程急劇變化的地區(qū)，TOPO法生成DEM對真實(shí)地貌的表現(xiàn)就欠佳。由于TOPO法對于同柵格內(nèi)的數(shù)據(jù)的舍棄，使得TOPO法在高程急劇變化的地區(qū)難以表達(dá)。雖然可以通過對粗糙度懲罰系數(shù)的改變能緩解此不足，但是比起TIN的可變分辨率的優(yōu)勢還是稍遜一籌。

3.4.3 水系。由于構(gòu)TIN法建立DEM未使用水系數(shù)據(jù)，而TOPO法就很好地解決了這個問題，使得TOPO法建立DEM在有水系存在地區(qū)表達(dá)更加準(zhǔn)確。構(gòu)TIN法建立DEM未使用水系層，使該地區(qū)某些數(shù)據(jù)丟失不準(zhǔn)確，而TOPO法建立DEM將水系數(shù)據(jù)加入到DEM的建立過程中，使其表達(dá)更為準(zhǔn)確。

3.5 其他方面的比較

由于構(gòu)TIN法建立DEM是先將數(shù)據(jù)通過生成三角網(wǎng)后再經(jīng)內(nèi)插處理的到柵格DEM，TOPO法是直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插生成DEM，所以在工作量上構(gòu)TIN要大于TOPO法。不過不規(guī)則三角網(wǎng)表示數(shù)字高程模型能減少規(guī)則格網(wǎng)方法帶來的數(shù)據(jù)冗余，而且其三角面的大小取決于不規(guī)則分布的節(jié)點(diǎn)的位置和密度，TIN可以根據(jù)地形起伏變化的復(fù)雜程度改變采樣點(diǎn)的密度和決定采樣點(diǎn)的位置，因而既能減少地形較平坦區(qū)域的數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點(diǎn)如山脊等表現(xiàn)地形。TOPO法在生成DEM時對平坦的區(qū)域處理必然造成數(shù)據(jù)冗余。

綜上所述，通過構(gòu)TIN和TOPO法兩種方法建立的DEM數(shù)據(jù)是各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此在選用時可根據(jù)自身的設(shè)備狀況、數(shù)據(jù)資源以及應(yīng)用要求選擇。

4 結(jié)語

根據(jù)前文對通過構(gòu)TIN法和TOPO法的分析和探討，可以得出：在使用構(gòu)TIN法建立DEM時盡量加入骨架點(diǎn)數(shù)據(jù)使TIN能更好地體現(xiàn)實(shí)地地形；與TOPO法相比，TIN能以其三角網(wǎng)密度和位置的改變的靈活性更好地反映復(fù)雜地形，尤其是有陡峭斜坡的地區(qū)，TIN能很好地擬合現(xiàn)實(shí)地貌，并減小數(shù)據(jù)冗余。與構(gòu)TIN法相比，TOPO法生成的DEM在總體高程吻合度高，在加入水系數(shù)據(jù)后，配合合適的參數(shù)設(shè)置，使流水地貌特征得到有效反映，而且TOPO法生成DEM工作量小，減輕了工作壓力。除此之外，由于TOPO法自身內(nèi)插方法的特點(diǎn)，使這種方法在建立平緩地區(qū)的DEM時能達(dá)到更高的精度要求。鑒于以上對兩種DEM生成方法的分析比較，對選取何種方法建立DEM有所啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 湯國安，趙牡丹.地理信息系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出 版社，2000.

[2] 湯國安，趙牡丹，等.地理信息系統(tǒng)（第二版） [M].北京：科學(xué)出版社，2016.

[3] 湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教 程[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[4] 張彩霞，楊勤科，段建軍.高分辨率數(shù)字高程模型的 構(gòu)建方法[J].水利學(xué)報，2006，（8）.

[5] 李志林，朱慶.數(shù)字高程模型[M].武漢：武漢測繪 科技大學(xué)出版社，2000.

[6] 湯國安，陳正江，趙牡丹，劉萬青，劉詠梅. ArcVIEW地理信息系統(tǒng)空間分析方法[M].北京：科 學(xué)出版社，2002.

[7] 湯國安，李發(fā)源，劉學(xué)軍.數(shù)字高程模型教程（第三 版）[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

[8] 湯國安，等.數(shù)字高程模型與地學(xué)分析的原理與方法 [M].北京：科學(xué)出版社，2009.

（責(zé)任編輯：蔣建華）