基于Arcpy的DEM生產(chǎn)解決方案

張學(xué)儀

(四川中水成勘院測(cè)繪工程有限責(zé)任公司，成都 610072)

DEM生產(chǎn)是測(cè)繪地理信息專業(yè)領(lǐng)域最重要的業(yè)務(wù)之一?？偨Y(jié)了DEM生產(chǎn)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)流域規(guī)劃、水域分析和河湖劃界等解決DEM生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和調(diào)整，提出了一套較完整的解決方案。流程如圖1所示。

圖1 DEM生產(chǎn)解決方案圖Fig.1 Conceptual drawing of DEM production

1 DEM生產(chǎn)解決方案

1.1 DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

DEM生產(chǎn)方法很多，本研究主要分析其中兩種，即利用激光點(diǎn)云生成DEM，在地形圖中提取高程點(diǎn)及等高線生成DEM。提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，利用Arcpy開(kāi)發(fā)程序集，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)有問(wèn)題的數(shù)據(jù)進(jìn)行整改。數(shù)據(jù)檢查包括以下內(nèi)容：等高線高程點(diǎn)屬性字段檢查，如是否有低點(diǎn)、錯(cuò)點(diǎn)或等高線錯(cuò)值與非整數(shù)值等；處理等高線自相交、相交與水系相交；穿雙線水域等高線兩邊拉直，不要有弧度；池塘等高線下水處理、水域遇涵洞與閉合圈處理、房區(qū)周圍等高線處理、特征點(diǎn)(鞍部、閉合圈等)處理。

針對(duì)DEM生成和后期水面改正，開(kāi)發(fā)了DLG質(zhì)檢程序集，如圖2所示，主要用于檢查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料質(zhì)量。

圖2 DLG質(zhì)檢工具集Fig.2 DLG quality control tool set

1.2 構(gòu)建TIN

TIN的全稱是Triangulated Irregular Network，即“不規(guī)則三角網(wǎng)”，也是一種數(shù)字模型。TIN文件可表達(dá)高程的數(shù)字模型，與DEM的區(qū)別是矢量，而DEM是柵格。矢量的高程點(diǎn)和等高線轉(zhuǎn)換為連續(xù)面狀DEM高程數(shù)據(jù)模型則需要插值完成。而插值過(guò)程不能直接將矢量插值轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，應(yīng)先插值生成TIN模型，再將其轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)字高程模型DEM文件。

1.3 三角約束處理

雖然通過(guò)特征點(diǎn)線建構(gòu)TIN生產(chǎn)的DEM質(zhì)量很高，但TIN數(shù)據(jù)中通常存在平三角(三角形3個(gè)頂點(diǎn)高程相等)。平三角在局部地形，特別是山脊和山谷會(huì)出現(xiàn)一些不合理的平坦區(qū)域，在DEM反生等高線與已有圖進(jìn)行套合比對(duì)時(shí)，兩者差異會(huì)出現(xiàn)不符合規(guī)范要求的情況，因此需要利用程序來(lái)解決。圖3是平三角處理前后反生等高線套合的結(jié)果，圖4是TIN編輯處理效果對(duì)比圖。

圖3 平三角處理前后反生等高線套合情況Fig.3 Inversion contour nesting before and after flat triangulation

圖4 TIN編輯處理效果Fig.4 TIN editing treatment effect

1.4 DEM水面改正

激光點(diǎn)云生成DEM的過(guò)程中，由于一般水面對(duì)激光的反射信號(hào)很弱，導(dǎo)致水面上沒(méi)有激光點(diǎn)，因此生成的DEM上會(huì)出現(xiàn)空洞。由于水中有沙灘和漂浮物等，會(huì)使激光雷達(dá)在水面上的激光點(diǎn)有誤差，令生成的DEM水面變得很粗糙。而由等高線和高程點(diǎn)生產(chǎn)的DEM，在水面區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)類似問(wèn)題。

對(duì)于DEM水面改正這一問(wèn)題提出微分階梯法，即將水面微分為一段很小的面，認(rèn)為此水面是水平的，由一個(gè)個(gè)小平面模擬構(gòu)成水面。但在實(shí)施中發(fā)現(xiàn)，微分法會(huì)產(chǎn)生很多小面，數(shù)據(jù)量非常大，即使河流微分化再小，實(shí)際水面仍是不連續(xù)的階梯平面。

針對(duì)此問(wèn)題提出一種新方法，即斜面法，將河流進(jìn)行分段處理。河流一般都很長(zhǎng)，如果不分段處理，其數(shù)據(jù)量非常大，程序運(yùn)行效率很低。且一條大河流在不同區(qū)域的特性有差異，分段化是為了區(qū)分河流的變化。分段處理完成以后，將分段河流看做是三維空間的一個(gè)斜面，在流向方向一直遞增或遞減，使其更符合河流的特性，更切合實(shí)際，如表1所示。

表1 算法設(shè)計(jì)對(duì)比Tab.1 Comparison of algorithm design

DEM水面改正程序采用斜面法模型，將流域內(nèi)水面微分成指定間距的一個(gè)個(gè)斜面，為保持河流特性，在斜面相交的地方用小三角形斜面連接，用小三角形進(jìn)行過(guò)渡，以解決因不同斜面不共面而造成的誤差及河流倒流等情況，通過(guò)斜面方程重新計(jì)算流域內(nèi)水面的格網(wǎng)高程，完成水面改正并計(jì)算中誤差。通過(guò)參考三維空間的高程數(shù)據(jù)，計(jì)算出該斜面的方程。算法模型概念設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 算法模型概念設(shè)計(jì)示意Fig.5 Schematic map of the conceptual designof the algorithm model

斜面法模型方程為Z=Ax+By+C，主要由離散點(diǎn)擬合平面，利用超定方程：

由BX=L，其最小二乘解為X=(BTB)-1BTL。

程序功能：一是生成斜面。將河流分段，通過(guò)用戶采集的水邊線和激光點(diǎn)云，對(duì)河流進(jìn)行分段處理。二是計(jì)算斜面參數(shù)。在生成斜面后，根據(jù)激光點(diǎn)云，生成斜面參數(shù)，利用該參數(shù)計(jì)算斜面內(nèi)任意一點(diǎn)的高程。三是利用斜面修改DEM。根據(jù)計(jì)算的斜面參數(shù)，對(duì)DEM進(jìn)行修正，將DEM中的水面高程進(jìn)行修改，計(jì)算并輸出DEM成果，如圖6所示。

圖6 水面改正程序?qū)崿F(xiàn)和運(yùn)行Fig.6 Implementation and operation of water surface correction program

基于Arcpy程序開(kāi)發(fā)，解決了DEM生產(chǎn)過(guò)程中的水域問(wèn)題，運(yùn)行效果如圖7所示。

圖7 DEM水面改正效果圖Fig.7 DEM water surface correction effect

1.5 柵格DEM

經(jīng)過(guò)TIN編輯、平三角處理和DEM水面改正，將TIN轉(zhuǎn)換為成果DEM，再進(jìn)行相關(guān)柵格計(jì)算和分幅裁剪，輸出規(guī)范的DEM成果。

2 結(jié)束語(yǔ)

DEM生產(chǎn)是測(cè)繪地理信息中的基礎(chǔ)工作之一，為了高質(zhì)量、高效率地生產(chǎn)DEM，通過(guò)生產(chǎn)項(xiàng)目實(shí)踐，利用ArcGIS和Arcpy程序開(kāi)發(fā)，針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，提出了解決方案。