一種利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)的方法

王 媛,梁 濤

(1. 西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司,陜西 西安 710054; 2. 陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究 中心,陜西 西安 710054)

一種利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)的方法

王 媛1,2,梁 濤1,2

(1. 西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司,陜西 西安 710054; 2. 陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究 中心,陜西 西安 710054)

圍繞基于DEM數(shù)據(jù)的地貌要素提取，對(duì)DEM的精度評(píng)價(jià)方法，基于DEM數(shù)據(jù)的地形特征提取原理及典型算法進(jìn)行了研究，總結(jié)了基于DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字線(xiàn)劃圖的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了作業(yè)流程，并進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，在采用高分辨率DEM數(shù)據(jù)的情況下，基于DEM的數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)可滿(mǎn)足基本等高距大于2 m、比例尺小于1∶2000的數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)，可以作為攝影測(cè)量的一種補(bǔ)充技術(shù)。

數(shù)字高程模型；特征點(diǎn)；特征線(xiàn)；數(shù)字線(xiàn)劃圖

近年來(lái)，隨著全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、激光雷達(dá)、干涉雷達(dá)等測(cè)量技術(shù)的普及推廣，DEM數(shù)據(jù)獲取的成本已大大降低。隨著GIS技術(shù)和圖像處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，自動(dòng)提取山頂點(diǎn)、鞍部點(diǎn)、山脊線(xiàn)的技術(shù)研究都較為活躍并取得了大量的科研成果[1-6]。但研究成果沒(méi)有在實(shí)際工程中得到充分應(yīng)用。

本文選取試驗(yàn)區(qū)測(cè)試基于DEM自動(dòng)提取地形特征點(diǎn)、地形特征線(xiàn)的方法，并利用提取到的地形特征點(diǎn)、線(xiàn)輔助數(shù)字線(xiàn)劃圖地貌要素部分的生產(chǎn)，探索基于DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)的方法。

1 技術(shù)路線(xiàn)

選取具有典型地貌特點(diǎn)的測(cè)區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)。按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：①利用不同分辨率、不同高程精度的DEM數(shù)據(jù)提取等高線(xiàn)，研究DEM分辨率和高程精度對(duì)提取等高線(xiàn)高程精度的影響；②研究DEM分辨率和高程精度對(duì)提取地形特征點(diǎn)位置精度、高程精度的影響；③研究DEM分辨率和高程精度對(duì)提取地形特征線(xiàn)位置精度的影響。DEM提取地貌要素在ArcGIS10.0軟件環(huán)境下進(jìn)行。

通過(guò)對(duì)基于DEM提取地貌要素成果與常規(guī)立體采集成果進(jìn)行對(duì)比分析，研究利用DEM提取地貌要素的精度；制定基于DEM數(shù)據(jù)數(shù)字線(xiàn)劃圖的作業(yè)流程，探索該方法在實(shí)際生產(chǎn)中的適用范圍。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古中部，地形類(lèi)別為山地和平地，植被主要為草地和旱地，面積約6.7 km2，DEM數(shù)據(jù)采用航空攝影測(cè)量方式獲取，航攝參數(shù)如下：

航攝儀：DMC，地面分辨率：0.18 m，測(cè)區(qū)影像圖如圖1所示。

測(cè)區(qū)地形主要為山地和平地，測(cè)區(qū)DEM示意圖如圖2所示。

2.2 基于DEM提取等高線(xiàn)的精度分析

結(jié)合試驗(yàn)區(qū)的特點(diǎn)，提取等高線(xiàn)精度分析試驗(yàn)分為平地地區(qū)和山地地區(qū)兩類(lèi)分別開(kāi)展[7-8]。利用多種格網(wǎng)間距、不同精度的DEM數(shù)據(jù)分別提取等高線(xiàn)，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站中用立體模型對(duì)不同分辨率DEM提取的等高線(xiàn)進(jìn)行精度檢查。

圖1 影像圖

圖2 DEM示意圖

2.2.1 平地地形提取等高線(xiàn)精度試驗(yàn)

平地地形選在南部的平地地區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)域大小約0.25 km2，基本等高距設(shè)置為1 m。

提取的等高線(xiàn)成果如圖3所示。

圖3 平地地區(qū)提取等高線(xiàn)與DOM套合效果圖

對(duì)圖3進(jìn)行分析可得：①提取等高線(xiàn)可表現(xiàn)地形特點(diǎn)；②提取的居民地及建筑區(qū)內(nèi)部等高線(xiàn)明顯不合理，需要進(jìn)行人工編輯；③提取的等高線(xiàn)存在部分短小閉合線(xiàn)，影響圖面美觀。

檢測(cè)采用抽檢的方法進(jìn)行，檢查時(shí)在區(qū)域內(nèi)均勻地選取25條等高線(xiàn)，在每條等高線(xiàn)檢測(cè)5處，取平均高程誤差作為本條等高線(xiàn)的高程誤差，對(duì)25條等高線(xiàn)的高程誤差進(jìn)行計(jì)算，獲取提取等高線(xiàn)的高程中誤差。結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1平地不同分辨率DEM提取等高線(xiàn)精度統(tǒng)計(jì)m

序號(hào)格網(wǎng)尺寸高程中誤差最大誤差最小誤差中誤差DEM10．250．200．180．030．14DME20．50．190．220．040．16DEM310．180．310．050．24DEM420．210．420．040．31DEM550．221．210．120．76DEM60．250．480．590．100．46DEM70．50．510．560．160．49

對(duì)表1進(jìn)行分析可得：①隨著DEM分辨率的降低，提取等高線(xiàn)的高程精度降低。②DEM高程精度的降低，明顯導(dǎo)致提取等高線(xiàn)高程精度的降低。③對(duì)于提取1 m基本等高距的等高線(xiàn)，為保證提取等高線(xiàn)的高程精度與DEM高程精度一致，應(yīng)采用優(yōu)于0.5 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)；為保證提取等高線(xiàn)的高程精度優(yōu)于0.5 m，應(yīng)采用優(yōu)于2 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)。

2.2.2 山地地形提取等高線(xiàn)精度試驗(yàn)

山地地形選在試驗(yàn)區(qū)北部山地,試驗(yàn)區(qū)域大小約1.0 km2，基本等高距設(shè)置為2 m。

提取的等高線(xiàn)成果如圖4所示。

圖4 山地地區(qū)提取等高線(xiàn)效果圖

對(duì)圖4進(jìn)行分析可得：①提取的等高線(xiàn)完全能夠反映地貌特點(diǎn)，并且可以較好地表現(xiàn)出微小地貌；②與立體采集的等高線(xiàn)相比，提取的等高線(xiàn)不夠圓滑，圖面美觀度稍差；③提取的等高線(xiàn)對(duì)地形特征線(xiàn)表現(xiàn)能力較差。

對(duì)山區(qū)等高線(xiàn)的高程精度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2山地不同分辨率DEM提取等高線(xiàn)精度統(tǒng)計(jì)m

序號(hào)格網(wǎng)尺寸高程中誤差最大誤差最小誤差中誤差DEM10．250．500．580．440．51DME20．50．520．580．440．51DEM310．490．630．470．55DEM420．500．640．480．56DEM550．480．900．670．78

對(duì)表2進(jìn)行分析可得：①隨著DEM分辨率的降低，提取等高線(xiàn)高程精度降低；②DEM高程精度的降低，明顯導(dǎo)致提取等高線(xiàn)高程精度的降低；③對(duì)于提取2 m基本等高距的等高線(xiàn)，為保證提取等高線(xiàn)高程精度與DEM高程精度一致，應(yīng)采用優(yōu)于1 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)；④隨著DEM分辨率的降低，提取等高線(xiàn)與采集等高線(xiàn)的套合精度明顯降低。

2.3 基于DEM提取地形特征點(diǎn)的精度分析

選擇北部山區(qū)進(jìn)行DEM提取地形特征點(diǎn)試驗(yàn)。利用多種規(guī)格的DEM數(shù)據(jù)提取地形特征點(diǎn)，利用立體模型目視檢查提取特征點(diǎn)的地理位置偏差，利用立體模型檢測(cè)提取特征點(diǎn)的高程精度，分析DEM的分辨率、高程精度對(duì)地形特征點(diǎn)提取精度的影響。

2.3.1 山頂點(diǎn)(山谷點(diǎn))精度分析

試驗(yàn)利用多種規(guī)格的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行山頂點(diǎn)(山谷點(diǎn))提取試驗(yàn)[9-11]，利用軟件自動(dòng)提取的山頂點(diǎn)(山谷點(diǎn))中存在多余點(diǎn)，套合等高線(xiàn)、DEM和DOM數(shù)據(jù)對(duì)自動(dòng)提取的結(jié)果進(jìn)行編輯，剔除錯(cuò)誤的提取點(diǎn)后作為最終的山頂點(diǎn)成果。

山頂點(diǎn)提取成果如圖5所示。

圖5 提取山頂點(diǎn)與DEM套合情況示意圖

山谷點(diǎn)提取成果如圖6所示。

對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行精度檢查，用抽檢方法在區(qū)域內(nèi)均勻選取了30個(gè)山頂點(diǎn)(山谷點(diǎn))，利用立體模型目視檢查提取特征點(diǎn)的地理位置偏差，利用立體模型檢測(cè)提取特征點(diǎn)的高程精度。結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

圖6 提取山谷點(diǎn)與DEM套合情況示意圖

序號(hào)格網(wǎng)尺寸DEM高程誤差山頂點(diǎn)位置中誤差山頂點(diǎn)高程中誤差DEM110．502．50．54DME220．522．90．56DEM350．495．50．53DEM4100．5014．31．22DEM521．023．10．93DEM621．482．81．52

對(duì)圖5和表3進(jìn)行分析可得：①利用DEM數(shù)據(jù)可以較好地提取山頂點(diǎn)(山谷點(diǎn))，調(diào)整提取參數(shù)，可以提取不同位置的山頂點(diǎn)(山谷點(diǎn))；自動(dòng)提取的山頂點(diǎn)(山谷點(diǎn))存在一些錯(cuò)誤點(diǎn)，需要通過(guò)手工編輯剔除。②隨著DEM分辨率的降低，提取山頂點(diǎn)(山谷點(diǎn))的位置精度降低；提取山頂點(diǎn)的位置精度與DEM數(shù)據(jù)的分辨率為同一數(shù)量級(jí)，并略低于格網(wǎng)間距。③隨著DEM高程精度的降低，提取山頂點(diǎn)(山谷點(diǎn))的高程精度降低；提取山頂點(diǎn)(山谷點(diǎn))的高程精度與DEM數(shù)據(jù)自身的高程精度一致。

2.3.2 鞍部點(diǎn)精度分析

鞍部點(diǎn)提取試驗(yàn)采用與上述相同的數(shù)據(jù)和步驟[12]，鞍部點(diǎn)提取成果如圖7所示。

圖7 提取鞍部點(diǎn)與DEM、等高線(xiàn)套合情況示意圖

對(duì)圖7進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：對(duì)于大比例成圖中的局部鞍部點(diǎn)，利用DEM數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確提取，自動(dòng)提取的正確率低、錯(cuò)漏率高。

2.4 基于DEM提取陡坎的精度分析

試驗(yàn)利用多種規(guī)格的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行陡坎提取試驗(yàn)。自動(dòng)提取的陡坎為陡坎所在區(qū)域，需要人工對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行編輯，編輯時(shí)將提取陡坎區(qū)域與等高線(xiàn)、DEM和DOM數(shù)據(jù)套合，確定陡坎的坎上線(xiàn)、坎下線(xiàn)的具體位置，繪制最終的陡坎線(xiàn)。提取陡坎成果如圖8、圖9所示。

圖8 提取陡坎與DEM套合示意圖

圖9 提取陡坎與DOM套合示意圖

利用立體模型對(duì)提取的陡坎結(jié)果進(jìn)行檢查，分析統(tǒng)計(jì)陡坎提取結(jié)果的正確率和錯(cuò)漏率。結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 提取陡坎結(jié)果準(zhǔn)確情況統(tǒng)計(jì)表 m

對(duì)圖8、圖9和表4進(jìn)行分析可得：①陡坎提取的自動(dòng)化程度較低，人工編輯工作量較大。②陡坎提取的正確率較高，但丟漏較多，編輯時(shí)必須進(jìn)行圖面查漏工作。③DEM數(shù)據(jù)分辨率的提高，可以減少陡坎提取的丟漏，但分辨率過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致正確率降低；基于DEM數(shù)據(jù)提取陡坎時(shí)應(yīng)根據(jù)地形特點(diǎn)選擇合適的DEM分辨率，一般平坦地區(qū)采用高分辨率DEM，陡峭地形采用低分辨率DEM。④DEM數(shù)據(jù)高程精度降低，會(huì)導(dǎo)致陡坎提取正確率降低，錯(cuò)漏率增加。

3 基于DEM的數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)方案

通過(guò)對(duì)提取地貌要素的精度所作出的分析，設(shè)計(jì)了一套基于DEM的數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)作業(yè)流程，如圖10所示。

圖10 基于DEM的數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)作業(yè)流程

按照作業(yè)流程進(jìn)行基于DEM的數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)試驗(yàn)，并將基于DEM數(shù)據(jù)生成的數(shù)字線(xiàn)劃圖和航空攝影測(cè)量生產(chǎn)的數(shù)字線(xiàn)劃圖進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出基于DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字線(xiàn)劃圖的技術(shù)特點(diǎn)敘述如下。

基于DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字線(xiàn)劃圖的優(yōu)點(diǎn)包括：①自動(dòng)化程度高，作業(yè)效率高；②不依賴(lài)于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，節(jié)約生產(chǎn)投入；③能夠?qū)⒍喾N遙感數(shù)據(jù)用于數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)，有利于新技術(shù)的應(yīng)用。

基于DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字線(xiàn)劃圖的缺點(diǎn)包括：①地貌要素采集時(shí)沒(méi)有立體模型采集方式直觀，較難理解。②作業(yè)時(shí)常常需要處理高分辨率的DEM數(shù)據(jù)，需要高性能計(jì)算機(jī)的支持。③與常規(guī)立體模型采集方式獲取等高線(xiàn)相比，提取等高線(xiàn)的美觀性較差；陡坎難以直接獲取且位置精度較差。④地貌要素的精度受各種閾值設(shè)置的影響較大，要求作業(yè)人員具備一定的理論、實(shí)踐基礎(chǔ)。

4 展 望

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，快速獲取DEM數(shù)據(jù)的分辨率和精度將會(huì)大大提高，基于DEM的數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)是非常值得研究的課題之一[14-17]。

研究結(jié)果表明，在采用高分辨率DEM數(shù)據(jù)的情況下，基于DEM的數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)可滿(mǎn)足基本等高距大于2 m，比例尺小于1∶2000的數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)，可以作為攝影測(cè)量的一種補(bǔ)充技術(shù)。

基于DEM數(shù)據(jù)的數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)技術(shù)已可以用于一定范圍內(nèi)的測(cè)繪生產(chǎn)，為使該技術(shù)在測(cè)繪生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用，還需要在以下幾方面作進(jìn)一步研究和改進(jìn)：①研究鞍部點(diǎn)的提取算法；②研究陡坎的提取算法;③開(kāi)發(fā)基于DEM數(shù)據(jù)提取地貌要素的集成軟件，簡(jiǎn)化操作步驟，提高作業(yè)效率。

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ResearchontheMethodofDLGProductionwithDEM

WANG Yuan1,2,LIANG Tao1,2

(1. Xi′an Arsc Information Industory Co,Ltd, Xi′an 710054,China; 2. Geoinformation Engineering Research Center of Shaanxi, Xi'an 710054,China)

This paper focuses on the geomorphic feature extraction based on DEM while inuestigates its accuracy evaluation methods, principles and typical algorithms of terrain feature extraction on DEM. Furthermore, it summaried the technical characteristics of the DLG's production using DEM data, designed processes and conducted a production test. Tests show that DLG production with DEM can meet the needs of basic contour interval greater than 2 meters, the scale less than 1∶2000 DLG production in the case of high-resolution DEM data, which can be used as a complementary technology of photogrammetry.

digital elevation model; topographic feature points; terrain characteristic line; digital line graph

P283

A

0494-0911(2017)01-0139-05

王媛,梁濤.一種利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字線(xiàn)劃圖生產(chǎn)的方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(1)：139-143.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0031.

2016-04-22；

2016-07-27

王 媛(1983—)，女，碩士，工程師，主要從事航空攝影測(cè)量工作。E-mail：123048072@qq.com