1∶10 000 DEM精細化處理方法及其應用效果分析

張騰騰

(廣東省國土資源測繪院, 廣東 廣州 510700)

0 引言

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Models,DEM)是進行地形地貌信息提取和研究的重要手段。DEM數(shù)據(jù)的分辨率越高,對地形要素和分布特征的提取效果越好,然而受各種條件的限制和影響,原始的DEM數(shù)據(jù)在分辨率上不是很高,因而需要對原始DEM數(shù)據(jù)進行精細化處理[1-4]。

楊燦燦等[5]以南京市某區(qū)1∶500地形圖為實驗數(shù)據(jù),對現(xiàn)有地形圖分類在城市DEM建模中的應用進行了分析;辛全波等[6]運用多要素組合拓撲構面的方法對面狀地形要素的提取問題進行了研究,認為該方法提取效率和精度均較高;潘成軍[7]基于傾斜攝影模型,對1∶500地形圖要素提取方法進行了分析,為傾斜攝影技術應用于大比例尺地形圖測繪提供一定的借鑒;李阿竹[8]對1∶10 000 DEM的制作進行了介紹,并對DEM數(shù)據(jù)采集、精度、接邊等問題進行了闡述說明。

文章以1∶10 000 DEM精細化處理方法進行了研究,并基于DEM精細化處理流程,并對比分析了最近鄰域法、雙線性內(nèi)插法以及三次卷積法三種重采樣方法對DEM精細化處理效果的影響,以期能為地形特征等數(shù)據(jù)的提取提供精度較高的基礎數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)基礎

廣東某地面積約為1 400 km2,下轄7個鎮(zhèn)、4個鄉(xiāng),總人口約35萬,屬亞熱帶濕潤氣候,年平均氣溫為22℃,年平均降雨量1 624 mm,地勢為南高北低,高程范圍為56～1 090 m,以丘陵、山地和高山地為主。所采用的研究區(qū)基礎數(shù)據(jù)為1∶10 000 DEM及 DLG(數(shù)字線地圖，Digital Line Graphic)數(shù)據(jù)組成,時間跨度為2009—2019年,數(shù)據(jù)采用的平面標準為2000年國家大地坐標系,采用的高程基準為1985國家高程基準,其中網(wǎng)格間距為2.5 m的圖幅共計16幅,網(wǎng)格間距為5 m的共計44幅,網(wǎng)格間距為10 m的圖幅共計13幅。選用其中現(xiàn)勢性好、精度高的原始數(shù)據(jù)作為本文分析的數(shù)據(jù)基礎,并通過數(shù)據(jù)源的檢查,確保研究數(shù)據(jù)的準確性。

2 DEM精細化處理方法及流程

對所選圖幅的坡度占比情況進行統(tǒng)計分析,選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)精細化處理方法,具體情況為:(1)當所選圖幅大于45°坡度的占比達到整個圖幅面積20%以上時,采用原始1∶10 000的DLG數(shù)據(jù)作為精細化處理的數(shù)據(jù)源;(2)當所選圖幅小于45°坡度的占比達到整個圖幅面積80%以上時,選用1∶10 000的DEM數(shù)據(jù)作為精細化處理的數(shù)據(jù)源。

基于DLG數(shù)據(jù)的DEM精細化處理流程為:(1)進行地貌要素和水系要素的提取和整理,獲得等高線、高程點以及靜置面狀水體等參數(shù);(2)進行特征點、線數(shù)據(jù)采集與編輯;(3)生成DEM的矢量數(shù)據(jù)集(成果數(shù)據(jù)),并檢查生成質(zhì)量;(4)進行數(shù)學內(nèi)插,得到內(nèi)插規(guī)則的格網(wǎng)DEM;(5)檢查內(nèi)插規(guī)則格網(wǎng)DEM的質(zhì)量,若滿足要求,則導出規(guī)則格網(wǎng)DEM成果數(shù)據(jù),若不滿足要求,則重復(3)～(5)步,見圖1。

圖1 基于DLG數(shù)據(jù)的精細化處理流程 注:不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network,TIN)

基于DEM數(shù)據(jù)進行DEM精細化處理流程為:(1)對已有DEM數(shù)據(jù)源進行檢查,然后將數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換為tif格式;(2)檢查圖幅間的接邊差、重疊差等,確保差值在2倍等高距之內(nèi);(3)進行坐標轉(zhuǎn)換;(4)進行圖幅鑲嵌,通過大量數(shù)據(jù)試驗,選用距離加權法進行圖幅鑲嵌;(5)按格網(wǎng)大小進行數(shù)據(jù)重采樣,將5 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)通過重采樣生成為2 m格網(wǎng)DEM;(6)進行DEM的拼接和裁切;(7)檢查DEM生成質(zhì)量,若滿足要求,則導出精細化處理成果,見圖2。

圖2 基于DEM的精細化處理流程

3 重采樣方法的選取

在DEM精細化處理過程中,需要5 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)通過重采樣生成為2 m格網(wǎng)DEM,根據(jù)以往實踐經(jīng)驗,重采樣的方法主要包括最近鄰域法、雙線性內(nèi)插法和三次卷積法[9-11],由于重采樣方法的選擇受數(shù)據(jù)多方面因素的影響,因此,需要根據(jù)研究區(qū)數(shù)據(jù)特征進行合理的選取,否則會造成DEM精細化處理效果不佳的后果。

最近鄰域法:計算簡單,數(shù)據(jù)處理過程快捷,不改變輸入數(shù)據(jù)的任何數(shù)值,適用于離散數(shù)據(jù)的重采樣處理和分析,將與輸出格柵的像元中心點(正方形)距離最為接近的像元值(三角形)作為改點的采樣值;雙線性內(nèi)插法:考慮輸出像元中心點附近4個像元值的相互影響,通過計算4個距離值的加權平均值作為輸出像元值;三次卷積法:考慮像元中心點附近距離最近的16個像元值,通過計算16個距離值的加權平均值作為輸出像元值,如圖3所示。

圖3 不同重采樣方法像元值計算示意

采用不同重采樣方法所獲得的DEM成果見圖4。從圖4中可以看到:由于三次卷積法考慮了相對位置對象元值的影響,因此,相比于最近鄰域法和雙線性內(nèi)插法,三次卷積法計算涉及的像元更多,可以對數(shù)據(jù)邊緣起到銳化作用,因而生成的DEM圖像更加平滑。

圖4 不同重采樣方法DEM成果

由于重采樣生成的DEM圖像目視效果較差,難以區(qū)分三種方法的重采樣效果,故將生成的DEM數(shù)據(jù)反演生成等高線并與原始等高線數(shù)據(jù)進行對比,結果見圖5。從圖中可以看到:相比于最近鄰域法,雙線性內(nèi)插法和三次卷積法反生成的等高線數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)基本重合,僅在局部地區(qū)出現(xiàn)曲線分離,因而,從計算精度來講,雙線性內(nèi)插法和三次卷積法更適合研究區(qū)的樣本數(shù)據(jù)。

圖5 等高線數(shù)據(jù)反演結果

對三種重采樣方法進行綜合對比:(1)時間效率方面:由于最近鄰域法、雙線性內(nèi)插法和三次卷積法在計算過程中分別考慮1個像元點、4個像元點和16個像元點,因此三種方法的計算復雜程度呈指數(shù)遞增,故而最近鄰域法的計算時間效率>雙線性內(nèi)插法的計算時間效率>三次卷積法的計算時間效率;(2)數(shù)據(jù)精度方面:三次卷積法的計算精度>雙線性內(nèi)插法的計算精度>最鄰近內(nèi)插法的計算精度;(3)圖像效果方面:三次卷積法的圖像效果>雙線性內(nèi)插法的圖像效果>最鄰近內(nèi)插法的圖像效果。內(nèi)插法雖然計算速度最快、最簡便,但所得到的DEM圖像視覺效果最差,且誤差也最大,三次卷積法雖然在圖像效果和計算精度上表現(xiàn)最佳,但其計算過程較為費時,將大大降低工作效率,雙線性內(nèi)插法雖然未考慮灰度變化的影響,所獲得的圖像輪廓具有一定的模糊性,精度也沒有三次卷積法高,但總體而言重采樣所得到的2 m格網(wǎng)DEM滿足計算要求,且較三次卷積法能大大提升工作效率,故決定采用雙線性內(nèi)插法進行DEM的重采樣。

4 應用效果

根據(jù)上文分析結果,采用雙線性內(nèi)插法將5 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)通過重采樣生成為2 m格網(wǎng)DEM,經(jīng)DEM拼接裁切最終生成DEM精細化處理成果圖,然后采用可視化法和檢查點法對精細化處理成果進行檢驗,檢驗過程中分別對研究區(qū)高山地、山地和丘陵地三種地形進行了分類分析,可視化檢驗結果見圖6。從圖6中可以看到,高山地、山地和丘陵地三種地形下的套合效果良好,不存在明顯偏差,等高線局部放大圖雖然存在一定數(shù)量的鋸齒外,反演生成的等高線也與原始地形圖中的等高線基本吻合,因此,從等高線套合結果來看,精細化生成2 m格網(wǎng)DEM精度較高;高山地、山地和丘陵地三種不同地形下的等高線與暈渲圖吻合度較高,層次結構明顯,清晰度較高,能夠準確地反映當?shù)氐牡匦畏植继卣?且數(shù)據(jù)成果均滿足相關數(shù)據(jù)質(zhì)量控制要求。

精細化處理過后的高程數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計結果見表1。從表中可以看到:規(guī)范要求2 m格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)中的高山地、山地以及丘陵地三種地形的高程精度(中誤差)應該分別小于6.7、3.3和1.7 m,而經(jīng)精細化處理后的三種地形的中誤差分別為0.963、0.623和0.422 m,地形越高,誤差越大,但均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

從可視化法和檢查點法對DEM精細化處理過后的精度檢驗結果來看:經(jīng)數(shù)據(jù)精細化處理后的DEM數(shù)據(jù)能準確反映不同地形的分布特征,清晰度較高,且精細化處理后的高程中誤差均在規(guī)范要求范圍內(nèi),可為研究區(qū)地形特征等數(shù)據(jù)的提取提供精度較高的基礎數(shù)據(jù)。

表1 檢查點法精度檢驗結果 單位：m

5 結束語

(1)受各種條件的限制,原始的DEM數(shù)據(jù)不能滿足對分辨率的要求,需要對其進行DEM精細化處理,根據(jù)45°坡度所占圖幅比例的比重,DEM精細化處理可分為基于DLG數(shù)據(jù)和基于DEM數(shù)據(jù)兩種DEM精細化處理方法。

(2)對不同重采樣方法下的DEM精細化處理效果進行了對比分析,綜合時間效率、數(shù)據(jù)精度以及圖像效果等因素,認為選擇雙線性內(nèi)插法的效果最好。

(3)從可視化法和檢查點法對DEM精細化處理過后的精度進行檢驗結果來講:精細化處理后的DEM數(shù)據(jù)能較好反應不同地形的分布特征,且高程中誤差均在規(guī)范要求內(nèi),可提供高精度的基礎數(shù)據(jù)。