DEM高程基準轉(zhuǎn)換方法及應用

李月華 孫 超

(1. 北京華為數(shù)字科技有限公司, 北京 100085; 2. 浙江合信地理信息技術(shù)有限公司, 河北 石家莊 050000)

0 引言

隨著航空攝影測量、地理信息系統(tǒng)(Geograhic Information System, GIS)的迅速發(fā)展,電子地圖[1]具有動態(tài)性、交互性和超媒體集成性等特點,為電力行業(yè)地圖的使用設計提供了一種嶄新的工作模式。而在電子地圖應用中,數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)在電力行業(yè)應用需求越來越廣泛。

通過航空攝影等測量手段獲取高精度的DEM,為電力行業(yè)線路選線及線路優(yōu)化提供基礎數(shù)據(jù)。將DEM與數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Mop,DOM)數(shù)據(jù)結(jié)合,構(gòu)建真實三維場景,可為桿位埋設、房屋拆遷、樹木砍伐、斷面測量等電力需求提供科學依據(jù)。利用DEM地圖進行電力線路的選線設計,一定程度上解決了傳統(tǒng)方式中已有資料陳舊、作業(yè)工期長、采集數(shù)據(jù)困難、對環(huán)境保護不力等問題,可以大量節(jié)約設計成本,同時縮短了勘測設計時間[2]。

基于DEM的行業(yè)地圖數(shù)據(jù),在電力企業(yè)及運營公司得到了大力推廣使用在空間信息的可視化、電力巡檢和通視分析中發(fā)揮了重要作用。在軟件集成商在結(jié)合電力應用中,發(fā)現(xiàn)了地圖DEM的平面和高程基準不統(tǒng)一問題,依據(jù)在應用攝影測量方法生產(chǎn)DEM過程中,DEM采集使用的立體模型與成果間也往往存在數(shù)學基礎不統(tǒng)一的問題,如何快速完成DEM坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換,常常給電力需求部門造成困擾。

本文針對DEM平面和高程基準不統(tǒng)一的問題,提出了相應的處理方法,同時通過自動化檢測工具對轉(zhuǎn)換后DEM精度進行統(tǒng)計,為電力行業(yè)DEM地圖應用具有重要意義。

1 DEM與電力行業(yè)應用

1.1 DEM在電力行業(yè)的應用

數(shù)字高程模型,是定義在X、Y域離散點上以高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬。DEM包括平面位置和高程兩種信息,它通過有效的高程采集數(shù)據(jù),來逼真準確的記錄反映地形表面,是地形信息(地形是一個嚴密的三維有序系統(tǒng),高程是地形的基礎)的載體。通常所說的DEM是指具有規(guī)則格網(wǎng)間距的高程數(shù)據(jù)集,一般以柵格數(shù)據(jù)的形式表示[3]。DEM地圖采集的方法很多,主要方法是利用航空和航天遙感技術(shù)立體觀測采集方式,立體觀測模式是以前視、正視、后視三臺全色傳感器組成的三線陣推掃式進行地形信息獲取[4]。

DEM在電力行業(yè)的基礎設施建設、選址、輸電和配電規(guī)劃等領(lǐng)域均有廣泛應用,具體包括:

(1)輸電配電規(guī)劃、選線等;

(2)計算電力工程中挖填土石方量;

(3)在電力領(lǐng)域為電力巡檢系統(tǒng)等顯示地形的三維圖形和植被高度;

(4)將地形起伏數(shù)據(jù)與專題數(shù)據(jù)如土壤、土地利用、植被等進行組合分析。

1.2 電力行業(yè)應用中存在的問題

DEM地圖是電力行業(yè)應用分析的基礎,但在實際應用中,卻經(jīng)常出現(xiàn)對DEM地圖的理解不深刻及電力應用人員缺乏相應的地圖知識,導致地圖無法使用或錯誤使用,嚴重影響分析效果。DEM地圖生產(chǎn)使用過程中的問題大體分為數(shù)學基礎、時效性、屬性等問題。以下主要針對在數(shù)據(jù)應用過程中數(shù)學基礎不統(tǒng)一問題進行研究。

在某個電力帶狀DEM制作項目中,要求DEM高程中誤差為0.5 m,網(wǎng)格間距為1.0 m,提交成果為2000國家大地坐標系,1985國家高程基準。項目作業(yè)獲取的立體模型成果為WGS84橢球下UTM投影、高程基準為大地高的立體模型,存在投影不同,坐標系不同,高程基準不同。技術(shù)難點是解決立體模型采集的數(shù)據(jù)與提交的成果間存在的高程基準和平面坐標系統(tǒng)不一致的問題。

2 DEM基準轉(zhuǎn)換方法

DEM地圖出現(xiàn)的數(shù)學基礎問題亟待解決。雖然電力行業(yè)應用部門對地圖數(shù)據(jù)能力進一步增強,也加大了相關(guān)地圖的質(zhì)檢力度,但是由于電力行業(yè)沒有出具相應的電力行業(yè)標準來統(tǒng)一地圖數(shù)學技術(shù)的技術(shù)要求。

目前尚未發(fā)布相應的行業(yè)標準,通過與電力行業(yè)的集成商研討共同制定電力行業(yè)DEM地圖的制作標準規(guī)范,來解決DEM地圖規(guī)范化和標準化的問題。建議進行標準編寫工作,形成了一整套標準化設計規(guī)范[5],對DEM行業(yè)生產(chǎn)規(guī)范進行標準化約束,方便地圖提供商快速完成整個電力行業(yè)規(guī)范、統(tǒng)一、兼容的DEM地圖,從而為提高行業(yè)應用分析,優(yōu)化行業(yè)整體精度等提供強有力的技術(shù)支撐。

2.1 思路與方法

總體解決方案是先把目前的立體模型數(shù)據(jù)導入到采集軟件中,采集WGS84坐標系、大地高的特征線及高程點數(shù)據(jù);通過ArcGIS軟件將特征線轉(zhuǎn)為點文件并保留點的連接關(guān)系;收集當?shù)氐目刂瀑Y料計算轉(zhuǎn)換參數(shù),將轉(zhuǎn)換后的高程點通過參數(shù)計算轉(zhuǎn)為1985高程基準的點文件;將點文件按照已有的點線連接關(guān)系將點重新組成特征線和點;生成不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network,TIN)文件,并導出符合要求的DEM柵格成果,通過自動統(tǒng)計工具對DEM柵格成果進行精度檢驗,如圖1所示。

圖1 高程基準轉(zhuǎn)換流程圖

2.2 關(guān)鍵步驟

2.2.1數(shù)學基礎求解

根據(jù)行業(yè)標準和客戶要求,選擇合適的數(shù)學基礎(橢球、高程等)信息,本解決方案求其不同橢球和高程基準間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。根據(jù)需求和DEM范圍,考慮其均勻分布,共收集22個控制點,控制點為2000國家大地坐標系,高程基準包括大地高和1985國家高程基準。

(1)平面轉(zhuǎn)換

平面系統(tǒng)由于WGS84橢球與2000國家大地坐標橢球參數(shù)基本一致對轉(zhuǎn)換精度影響有限,同一點在CGCS 2000 橢球和WGS 84 橢球下經(jīng)度相同, 緯度的最大差值約為3.6×10-6″, 相當于0.11 mm。這里主要是指橢球參數(shù)的不同而引起的同一點經(jīng)緯度的差異, 給定點位在某一框架和某一歷元下的空間直角坐標, 投影到CGCS 2000 橢球和WGS 84 橢球上所得的緯度的最大差異相當于0.11 mm[6]?？赏ㄟ^ArcGIS軟件將特征數(shù)據(jù)在WGS84橢球下從UTM投影直接轉(zhuǎn)為高斯克呂格投影,并重新將特征數(shù)據(jù)定義為2000國家大地坐標系下的高斯投影。

(2)高程轉(zhuǎn)換

高程基準的轉(zhuǎn)換參數(shù)采用布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型,將WGS84參考框架大地高轉(zhuǎn)換成1985高程基準,七參數(shù)包括1個尺度變化參數(shù),3個平移參數(shù)(ΔX、ΔY、ΔZ)和3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)(X旋轉(zhuǎn)、Y旋轉(zhuǎn)、Z旋轉(zhuǎn))。當有3個或3個以上公共點時,采用最小二乘法求解七參數(shù)[7],經(jīng)檢查控制點精度滿足數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要求,參數(shù)可靠。

2.2.2高程信息轉(zhuǎn)換

高程基準不同,需要采用特征線轉(zhuǎn)換的方式。特征線采用立體模型采集的特征點組成,主要為地表的高程點數(shù)據(jù);特征線主要為不能用單一高程點表示的地形地貌,包括:坡腳線、山脊線、道路邊線、溝(渠)頂線、溝(渠)底線等。

(1)特征點數(shù)據(jù)可以直接通過轉(zhuǎn)換參數(shù)從大地高轉(zhuǎn)為1985高程基準,重點是特征線數(shù)據(jù)的高程基準轉(zhuǎn)換方法,制定的轉(zhuǎn)換流程見圖2所示,特征線的局部圖見圖3所示。

圖2 特征線的高程轉(zhuǎn)換

(2)將特征線通過ArcGIS軟件的“要素轉(zhuǎn)點工具”,轉(zhuǎn)為點文件,將點文件添加XY坐標并導出。導出的坐標文件要保留好點號對應的線編號,用于后續(xù)關(guān)聯(lián),見表1所示。

圖3 特征線(局部)

(3)將表中OBJECTID、X、Y、Z值導出,通過七參數(shù)計算出每個點的1985高程基準的高程,并將大地高替換為“85高”。根據(jù)更新高程后的點文件,通過ArcGIS“點集轉(zhuǎn)線工具”重新生成線文件。

2.2.3 DEM重新生成

DEM的制作是通過對等高線或相似立體模型進行數(shù)據(jù)采集(包括采樣和量測),然后進行數(shù)據(jù)內(nèi)插而形成的[8]。DEM生成的過程主要包括:特征點、特征線數(shù)據(jù)導入、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)、設定網(wǎng)格間距、導出DEM成果、成果檢查修改等內(nèi)容。

(1)創(chuàng)建TIN

利用“創(chuàng)建TIN工具”將轉(zhuǎn)換高程基準的特征點、特征線導入生成TIN數(shù)據(jù)不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)使用ArcGIS模塊中3D Analyst 生成TIN[9],見圖4所示。

圖4 生成TIN(局部)

表1 坐標文件表 單位:m

(2)生成DEM

對TIN檢查合格后,用TIN轉(zhuǎn)柵格工具生成1.0 m×1.0 m網(wǎng)格的DEM成果見圖5所示。再根據(jù)需求范圍對DEM成果進行裁剪,輸出DEM柵格數(shù)據(jù)。DEM地圖的不同格式可以通過Global Mapper軟件進行格式轉(zhuǎn)換,比如提交數(shù)據(jù)格式為*.tif。

圖5 DEM成果(局部)

3 結(jié)果檢驗

DEM高程誤差主要通過曲面內(nèi)差得到的DEM成果與實地測量數(shù)據(jù)間的差異,包括采集的特征線位置、合理性、采集誤差等。 為了能夠快速計算檢測點與DEM柵格間的差值,利用Python腳本語言編寫ArcGIS工具來實現(xiàn)。

腳本代碼如下:

# Import arcpy module

import arcpy

arcpy.CheckOutExtension("spatial")

外業(yè)檢測點=arcpy.GetParameterAsText(0)

if 外業(yè)檢測點=='#' or not 外業(yè)檢測點:

外業(yè)檢測點="檢查點"

DEM柵格數(shù)據(jù)=arcpy.GetParameterAsText(1)

if DEM柵格數(shù)據(jù)=='#' or not DEM柵格數(shù)據(jù):

DEM柵格數(shù)據(jù)="吉林DEM200 m.tif"

精度檢測表=arcpy.GetParameterAsText(2)

if 精度檢測表=='#' or not 精度檢測表:

精度檢測表="C:UsersAdministratorDesktop新建文件夾123.xls"

# Local variables:

Extract_shp3=外業(yè)檢測點

Extract_shp3__2_=Extract_shp3

檢查點__3_=Extract_shp3__2_

Extract_shp3__3_=檢查點__3_

精度檢測=Extract_shp3__3_

#柵格值提取至點

arcpy.gp.ExtractValuesToPoints_sa(外業(yè)檢測點, DEM柵格數(shù)據(jù), Extract_shp3, "NONE", "VALUE_ONLY")

#添加字段

arcpy.AddField_management(Extract_shp3, "檢查點高程", "FLOAT", "10", "2", "", "", "NULLABLE", "NON_REQUIRED", "")

arcpy.AddField_management(Extract_shp3__2_, "差值", "FLOAT", "10", "2", "", "", "NULLABLE", "NON_REQUIRED", "")

arcpy.CalculateField_management(檢查點__3_, "檢查點高程", "[RASTERVALU]", "VB", "")

arcpy.CalculateField_management(Extract_shp3__3_, "差值", "[檢查點高程]-[Field7]", "VB", "")

# 導出精度檢測表

arcpy.TableToExcel_conversion(精度檢測, 精度檢測表, "NAME", "CODE")

通過356個實測高程與DEM成果進行高差對比,計算得到的高程中誤差為0.22 m,滿足項目要求的0.5 m高程中誤差的要求。

高程中誤差計算采用公式(1)執(zhí)行。

(1)

式(1)中:M為成果中誤差;n為檢測點(邊)總數(shù);Δi為較差。

4 結(jié)束語

本文通過對DEM高程基準的問題及轉(zhuǎn)換方法進行了詳細的闡述,通過將特征線轉(zhuǎn)為點文件,利用七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型將點的Z值從大地高轉(zhuǎn)為“85高”,利用點、線間的關(guān)聯(lián)關(guān)系重新成特征線,從而完成了高程基準的轉(zhuǎn)換。采用此方法可以很好地解決利用立體模型生產(chǎn)DEM過程中,因模型高程基準與成果要求不一致導致的高程基準轉(zhuǎn)換問題。對電力行業(yè)高程分析提供了有利的技術(shù)支撐。

從電力行業(yè)地圖長遠的發(fā)展來看,DEM標準能從根本上解決當前出現(xiàn)的各種問題。電力行業(yè)需要按照測繪行業(yè)規(guī)定好DEM的高程基準,為電力的行業(yè)建設提供一定的科學依據(jù)。

2000國家大地坐標系越來越廣泛的應用,解決了當前工程設計、測繪、監(jiān)管等多部門大地基準不統(tǒng)一問題,對于電力測量來說,它能夠符合大地基準的發(fā)展趨勢,有利于地球空間信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,能夠滿足當前與未來我國電力測繪及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟建設和國防建設與社會發(fā)展對大地坐標系的要求[10]。