一種利用坡度分區(qū)濾波的DEM轉(zhuǎn)換等高線方法

趙學(xué)松，吳君峰

(廣西壯族自治區(qū)遙感信息測(cè)繪院，廣西 南寧 530023)

一種利用坡度分區(qū)濾波的DEM轉(zhuǎn)換等高線方法

趙學(xué)松，吳君峰

(廣西壯族自治區(qū)遙感信息測(cè)繪院，廣西 南寧 530023)

針對(duì)DEM轉(zhuǎn)換等高線時(shí)，現(xiàn)有方法不能方便、有效處理好曲線光滑與地貌精度損失之間的關(guān)系，提出了基于坡度分區(qū)濾波的DEM轉(zhuǎn)換等高線方法。對(duì)不同的坡度分區(qū)采用不同大小的窗口進(jìn)行均值濾波，并對(duì)濾波高程差值進(jìn)行控制，較好地處理了曲線光滑與地貌精度損失之間的關(guān)系；同時(shí)，對(duì)計(jì)曲線之間的窄部首曲線進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和打斷刪除?；谠摲椒?，利用ArcGIS+Python腳本開發(fā)了DEM到等高線自動(dòng)轉(zhuǎn)換工具，在數(shù)字廣西地理空間框架建設(shè)1∶1萬DLG項(xiàng)目的等高線采集工作中得到了初步應(yīng)用，取得了良好的效果。

DEM；等高線；坡度分區(qū)；濾波；精度控制

獲取高精度DEM的傳統(tǒng)航測(cè)方式之一是先基于立體模型采集特征矢量，然后內(nèi)插生成DEM格網(wǎng)，此方式人工工作量大、采集效率普遍較低。以PixelGrid為代表的多基線與多重匹配技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使航攝影像快速匹配生成高精度DSM成為可能；激光測(cè)距技術(shù)、雷達(dá)干涉技術(shù)等可快速、直接獲取高精度DSM。對(duì)于地形裸露區(qū)域，DSM等同于DEM；對(duì)植被、構(gòu)筑物覆蓋區(qū)域，通過對(duì)DSM進(jìn)行濾波處理等操作后，獲取高精度DEM的編輯時(shí)間也大大減少。在同時(shí)需要DEM和等高線的區(qū)域，采用“DSM→DEM→等高線”的作業(yè)方式相對(duì)“等高線→DEM”的方式，能減少人工工作量，整體作業(yè)效率明顯提高。

等高線要求光滑、美觀，不作任何處理的DEM直接轉(zhuǎn)換為等高線時(shí)，通常都存在生硬打折、非地貌抖動(dòng)、粘連、平緩區(qū)域整體不光滑等缺陷，需要進(jìn)行光滑處理后才能作為等高線成果。近幾年，國內(nèi)測(cè)繪地理信息行業(yè)學(xué)者、技術(shù)工作者在這方面做了大量研究，取得了較多有價(jià)值的研究成果[1- 14]，許多軟件也實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換與處理功能?？偟膩碚f，現(xiàn)有的技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)等高線光滑處理主要有3種方式：一是對(duì)DEM進(jìn)行光滑處理后生成等高線；二是生成等高線后進(jìn)行線條光滑；三是對(duì)DEM光滑處理后生成等高線，然后再進(jìn)行線條光滑。這3種方式都能生成光滑的等高線，但均是針對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一的處理，當(dāng)區(qū)域內(nèi)有多種地形類別時(shí)，難以使整個(gè)區(qū)域的轉(zhuǎn)換精度與曲線光滑程度都達(dá)到較滿意的效果。對(duì)此，本文提出一種基于坡度分區(qū)濾波的DEM轉(zhuǎn)換等高線方法。

1 轉(zhuǎn)換思路與步驟

本文研究的方法要解決3方面的問題：一是整個(gè)轉(zhuǎn)換處理步驟在一種軟件上完成，減少人工干預(yù)程度，實(shí)現(xiàn)最大程度的自動(dòng)化；二是在精度可控的條件下，較大程度地改進(jìn)地勢(shì)平緩處的圖面效果；三是同一幅圖內(nèi)，針對(duì)不同地形(陡峭或平緩)，采用不同的光滑強(qiáng)度，達(dá)到精度與制圖效果更好的統(tǒng)一。在分析相關(guān)技術(shù)，利用數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試、對(duì)比之后，確定了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的思路是：利用ArcGIS+Python腳本開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換；利用DEM計(jì)算地形坡度值，根據(jù)坡度值不同劃分地形區(qū)塊；地勢(shì)平緩處相對(duì)其他區(qū)域利用更大的窗口進(jìn)行DEM濾波。

轉(zhuǎn)換分為DEM濾波生成曲線、自動(dòng)刪除窄部首曲線兩大環(huán)節(jié)。第一環(huán)節(jié)主要包含DEM坡度計(jì)算與分區(qū)、濾波計(jì)算、濾波前后差值控制、柵格轉(zhuǎn)等高線、等高線要素分類等步驟；第二環(huán)節(jié)主要包含緩沖區(qū)分析、閾值判定、曲線抽稀等步驟。具體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)換技術(shù)流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 坡度分區(qū)

將坡度值劃分為[0°,10°]、(10°，20°)、[20°，90°]3個(gè)集合區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)平地、丘陵、山地3種地形類別。在ArcGIS中利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析，計(jì)算每個(gè)DEM柵格的坡度，然后歸入相應(yīng)的集合區(qū)間，區(qū)間相同且相鄰的所有柵格形成聚合區(qū)域。形成的聚合區(qū)域數(shù)量直接影響后續(xù)的處理效率，需對(duì)聚合區(qū)域面積設(shè)定一個(gè)閾值(可設(shè)置為10 000 m2)，小于閾值的聚合區(qū)域被合并到相鄰最大區(qū)域中。最終形成的聚合區(qū)域數(shù)量適中，仍能較好地反映坡度分區(qū)情況(如圖2所示)。最后，將碎面合并后的聚合區(qū)域柵格轉(zhuǎn)換為矢量面數(shù)據(jù)，得到包含3種地形類別的坡度分區(qū)矢量面。

圖2 坡度分區(qū)碎面合并前后對(duì)比

2.2 濾波方式及濾波窗口設(shè)置

通過分析和測(cè)試，在其他參數(shù)相同條件下，均值濾波的光滑效果優(yōu)于中值濾波，且轉(zhuǎn)換損失的地貌精度相差較小。因此，本方法選擇均值濾波方式進(jìn)行DEM濾波處理。

對(duì)同樣的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行3×3窗口、5×5窗口、7×7窗口的均值濾波，然后轉(zhuǎn)換生成等高線并進(jìn)行比較，窗口越大曲線光滑程度越大(在平地區(qū)域尤其明顯)；相對(duì)于不濾波DEM直接生成的曲線，平面位移也越大，在地勢(shì)越陡的地方濾波引起的高程改變也就越大。用同樣大小的濾波窗口對(duì)3種地形進(jìn)行均值濾波，濾波損失的地貌精度：山地>丘陵>平地。基于以上分析，本方法在DEM均值濾波時(shí)，對(duì)山地、丘陵、平地區(qū)域分別采用3×3窗口、5×5窗口、7×7窗口。

2.3 轉(zhuǎn)換損失精度的控制

對(duì)DEM進(jìn)行均值濾波時(shí)，需要對(duì)濾波前后的差值進(jìn)行控制，否則峰、谷、溝、坎等局部區(qū)域地貌細(xì)節(jié)將會(huì)有所損失，從而在一定程度上影響生成等高線的地貌精度。可設(shè)置濾波前后高程差值達(dá)到2 m以上的不更新，小于2 m的才更新。通過數(shù)據(jù)測(cè)試，2 m的閾值控制比較合理，既充分體現(xiàn)了濾波效果，又使精度得到較好控制。需要說明的一點(diǎn)是，由于DEM是通過格網(wǎng)內(nèi)插的方式生成曲線，相鄰多個(gè)格網(wǎng)共同決定曲線走向，而且并不是所有格網(wǎng)都會(huì)參與等高線的內(nèi)插。因此，濾波前后單個(gè)格網(wǎng)高程改變數(shù)值并不等同于等高線地貌精度損失情況，前者會(huì)比后者大。

2.4 窄部首曲線自動(dòng)刪除

(1) 曲線外包矩形范圍生成：通過逐步計(jì)算曲線要素的最大X、Y坐標(biāo)和最小X、Y坐標(biāo)，自動(dòng)生成曲線的矩形范圍，從而省去了人工輸入圖框的繁瑣。

(2) 窄部曲線保留：對(duì)于鞍部，無論計(jì)曲線間隔多窄，都需要保留一定長度的首曲線。在沒有鞍部定位信息輔助情況下，本文方法在處理地勢(shì)陡峭處鞍部時(shí)將會(huì)出現(xiàn)部分鞍部曲線不被保留的異常。但在有鞍部定位信息輔助時(shí)，該異常能被完全解決。鞍部點(diǎn)較難通過拓?fù)浞治鰷?zhǔn)確定位，需要手動(dòng)采集定位或?qū)胍延邪安奎c(diǎn)定位。

(3) 自動(dòng)查找首曲線保留的范圍：設(shè)定兩相鄰計(jì)曲線間判定為窄部的最大間隔，以1/2間隔距離為緩沖距離，建立計(jì)曲線緩沖區(qū)，并用該緩沖區(qū)減去第(1)步的矩形范圍，得到計(jì)曲線間大于間隔距離的位置面要素；進(jìn)而以該位置面為緩沖對(duì)象，1/2間隔距離為緩沖距離建立緩沖區(qū)，并與2倍間隔距離為緩沖距離建立的鞍部點(diǎn)緩沖區(qū)合并，得到需要保留首曲線的范圍面，如圖3所示。

3 轉(zhuǎn)換試驗(yàn)與效果分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為一幅1∶1萬圖幅的DEM數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集方式為基于航測(cè)特征線采集方式生產(chǎn)；地形類別總體為丘陵地，局部區(qū)域地勢(shì)陡峭，局部區(qū)域地勢(shì)平緩；DEM成果標(biāo)稱中誤差為0.36 m，檢測(cè)點(diǎn)最大較差為1.31 m。

圖3 緩沖區(qū)分析查找首曲線保留范圍

轉(zhuǎn)換時(shí)部分參數(shù)設(shè)置為：等高距為2.5 m，等高線光滑參數(shù)3 m，沒有導(dǎo)入鞍部點(diǎn)矢量輔助處理，窄區(qū)曲線保留距離30，間隔距離15。在普通個(gè)人電腦上，轉(zhuǎn)換運(yùn)行時(shí)間約20 min，除轉(zhuǎn)換參數(shù)輸入外無需其他人為操作。

3.2 轉(zhuǎn)換效果分析

用本方法濾波后的DEM轉(zhuǎn)換生成等高線，全區(qū)域范圍內(nèi)明顯改善了折線的生硬程度，消除了曲線的非地貌抖動(dòng)及線段尖角，平緩區(qū)域在保障轉(zhuǎn)換精度的情況下曲線整體光滑、圖面美觀。在同樣需要保障一定地貌精度的前提下，對(duì)比其他轉(zhuǎn)換方式，平緩區(qū)域的曲線光滑程度明顯改善，如圖4所示。

圖4 平緩區(qū)域改善效果

從效果上看，圖面美觀，曲線光滑程度或許已經(jīng)遠(yuǎn)超出了人工繪制的效果。

3.3 轉(zhuǎn)換損失的地貌精度評(píng)價(jià)

相對(duì)于直接轉(zhuǎn)換的曲線，DEM濾波后的曲線在平緩區(qū)域的位置調(diào)整幅度雖然比較大，但精度損失卻并不大。

(1) DEM濾波損失的精度統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

(2) 小坡度區(qū)域曲線位移大，大坡度區(qū)域曲線位移小；高程改變均不大。

圖5 DEM濾波損失精度的統(tǒng)計(jì)方法和試驗(yàn)結(jié)果

(3) 由于DEM濾波導(dǎo)致等高線套合立體后不滿足1∶1萬精度而需要修改的情況非常少，試驗(yàn)圖幅僅10處小地方，套合立體修改花費(fèi)不到半小時(shí)。

4 結(jié) 語

本文研究的方法同時(shí)考慮了曲線光滑與轉(zhuǎn)換精度，開發(fā)的工具實(shí)現(xiàn)了DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為光滑、美觀的等高線，轉(zhuǎn)換精度可以得到較好的控制。該方法及自主開發(fā)的轉(zhuǎn)換工具在數(shù)字廣西地理空間框架1∶1萬DLG項(xiàng)目的等高線采集中得到了初步應(yīng)用，效果良好。通過具體項(xiàng)目應(yīng)用，筆者也提出了改進(jìn)目標(biāo)：進(jìn)行技術(shù)方法和代碼的優(yōu)化，減少運(yùn)行時(shí)間；增加轉(zhuǎn)換精度的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)，與成果一同輸出；繼續(xù)研究直接從DEM自動(dòng)提取鞍部點(diǎn)的方法。

[1] 李長輝,王峰,王磊,等.城市機(jī)載LiDAR測(cè)圖系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2013(8):36- 39.

[2] 盧小平,龐星晨,武永斌,等.機(jī)載LiDAR基礎(chǔ)測(cè)繪關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2014(9):26- 30.

[3] 李珵,盧小平,楊尚波,等.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地貌要素自適應(yīng)提取方法[J].測(cè)繪通報(bào),2013(10):30- 33.

[4] 盛志鵬,吳迪,朱萍.利用影像匹配點(diǎn)云進(jìn)行DLG等高線制作[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(2):80- 82.

[5] 姚春靜,胡唯.基于特征約束的R點(diǎn)云等高線自動(dòng)生成方法[J].長江科學(xué)院院報(bào),2014,31(12):113- 116.

[6] 周小軍,王光霞,薛志偉,等.基于化簡的等高線綜合研究[J].測(cè)繪工程,2014,23(2):10- 14.

[7] 馮梅,鐘斌.基于點(diǎn)云自動(dòng)生成等高線的方法研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2012,35(6):87- 90.

[8] 王春,李虎,楊軍生,等.新型格網(wǎng)等高線生成技術(shù)與方法[J].地球信息科學(xué),2015,17(2):160- 164.

[9] 邊淑莉,柳佳佳,王海龍,等.基于規(guī)則格網(wǎng)DEM的等高線提取算法的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪科學(xué),2008，33(6): 151- 153.

[10] 龔恒,何元清.基于規(guī)則格網(wǎng)DEM的等高線繪制與優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2015(5):76- 80.

[11] 李雯靜,邱佳,林志勇,等.曲線彎曲識(shí)別與等高線簇結(jié)構(gòu)化方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2013,42(2):295- 303.

[12] 史巍巍,裘昱,戴宗友.數(shù)字高程模型與等高線質(zhì)量相關(guān)性研究[J].測(cè)繪通報(bào),2006(2):23- 26.

[13] 劉妍,懷艷杰.淺談利用DEM制作等高線的新方法[J].測(cè)繪與空間地理信息,2010,33(6):224- 225.

[14] 劉學(xué)軍,張平,朱瑩.DEM坡度計(jì)算的適宜窗口分析[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2009,38(3):264- 271.

[15] ZANDBERGEN P A.面向ArcGIS的Python腳本編程[M].李明巨，劉昱君，譯.北京:人民郵電出版社,2014.

A Method of Converting DEM into Contours Based on Slope Division Filtering

ZHAO Xuesong,WU Junfeng

(Guangxi Institute of Surveying and Mapping of Remote Sensing Information, Nanning 530023, China)

While converting DEM into contours, the existing methods are incapable to find a good balance between curve smoothness and the loss of topographic accuracy. Thus, the authors thought of the method of converting DEM into contours based on slope division filtering. This method uses different- sized windows to average filter the slope division and control the filtering elevation difference, which better balances the curve smoothness and the loss of topographic accuracy and meanwhile automatically recognizes, interrupts and deletes the narrow intermediate contours between the index contours. The authors made use of the ArcGIS+Python script to develop a tool which could automatically convert DEM into contours. The tool was applied in contours collecting in the program of Digital Guangxi Geo Spatial Framework Construction and had got good results.

DEM; contours; slope division; filtering; accuracy control

2016- 06- 19；

2017- 01- 17 作者簡介： 趙學(xué)松(1982—)，男，高級(jí)工程師，主要從事GIS、攝影測(cè)量相關(guān)工作。E- mail：93336487@qq.com

趙學(xué)松，吳君峰.一種利用坡度分區(qū)濾波的DEM轉(zhuǎn)換等高線方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(3)：120- 123.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0099.

P208

A

0494- 0911(2017)03- 0120- 04