數字高程模型的制作及應用

摘要： 本文結合工作實踐，首先總結概括了數字高程模型（DEM）的制作方法及過程，其次闡述了DEM的質量監控，最后簡述DEM在實際生產中面臨的問題及在實際生產生活中的應用。

關鍵詞：高程 模型 制作 應用 研究

一、引言

信息技術的發展，使地圖制圖技術發生了根本性的變革。數字化、自動化和智能化成為測繪生產的主要技術手段，測繪基礎工作由原來的單一生產模擬地圖轉變為生產基礎地理信息產品?！?D”產品技術的應用越來越被重視。它是現階段技術水平上遙感與GIS相結合的成功之路。4D作為國家基礎地理空間框架數據的主產品形式，正逐步替代傳統的模擬地圖，在國民經濟的眾多領域得到廣泛應用，DEM-數字高程模型作為“4D”產品之一的模塊在測繪領域占主導力量，DEM是地理數據庫中的核心數據，是進行地形分析的基礎，被廣泛應用于測繪、遙感、資源、環境、城市規劃、農林、災害、水電工程及軍事等領域。

二、數字高程模型的簡介

數字高程模型(Digital Elevation Model)，簡稱DEM。它是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，是數字地形模型(Digital Terrain Model，簡稱DTM)的一個分支，其它各種地形特征值均可由此派生。一般認為，DTM是描述包括高程在內的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等因子在內的線性和非線性組合的空間分布，其中DEM是零階單純的單項數字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎上派生。DTM的另外兩個分支是各種非地貌特性的以矩陣形式表示的數字模型，包括自然地理要素以及與地面有關的社會經濟及人文要素，如土壤類型、土地利用類型、巖層深度、地價、商業優勢區等等。實際上DTM是柵格數據模型的一種，它與圖像的柵格表示形式的區別主要是：圖像是用一個點代表整個像元的屬性，而在DTM中，格網的點只表示點的屬性，點與點之間的屬性可以通過內插計算獲得。由于地形起伏形態通常是高程來表示的，所以DTM也稱為數字高程模型（DEM）。如下圖所示數字地面模型的真實表現：

三、DEM的數據源及采集方法

建立DEM的方法有多種。從數據源及采集方式講有：(1)直接從地面測量例如用GPS、全站儀、野外測量等；（2）根據航空或航天影像，通過攝影測量途徑獲取，如立體坐標儀觀測及空三加密法、解析測圖、數字攝影測量等等；(3)從現有地形圖上采集，如格網讀點法、數字化儀手扶跟蹤及掃描儀半自動采集，然后通過內插生成DEM等方法。DEM內插方法很多，主要有整體內插、分塊內插和逐點內插三種。整體內插的擬合模型是由研究區內所有采樣點的觀測值建立的。分塊內插是把參考空間分成若干大小相同的塊，對各分塊使用不同的函數。逐點內插是以待插點為中心，定義一個局部函數去擬合周圍的數據點，數據點的范圍隨待插位置的變化而變化，因此又稱移動擬合法。有規則網絡結構和不規則三角網(Triangular Irregular Network， 簡稱TIN)兩種算法。目前常用的算法是TIN，然后在TIN基礎上通過線性和雙線性內插建DEM。用規則方格網高程數據記錄地表起伏的優缺點。優點：（X，Y）位置信息可隱含，無需全部作為原始數據存儲，由于是規則網高程數據，以后在數據處理方面比較容易。缺點：數據采集較麻煩，因為網格點不是特征點，一些微地形可能沒有記錄。TIN結構數據的優點：能以不同層次的分辨率來描述地表形態，與格網數據模型相比，TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空間和時間更精確地表示更加復雜的表面。特別當地形包含有大量特征如斷裂線、構造線時，TIN模型能更好地顧及這些特征。

基于JX一4CDPW 數字攝影測量系統的不斷升級，新版本的JX一4C在向量測圖模塊中增加了構TIN功能，并能對TIN進行實時編輯，使DEM產品聯合高效制作成為可能，TIN是表現地形模型的不規則三角網(triangulat—ed irregular network)。選擇已有向量(dxf、vtr)構TIN后直接生成DEM，因此TIN在系列作業中起重要的橋梁作用。其顯著優點是可變的分辨率，即當地表粗糙或地貌形態變化劇烈時，TIN能包含大量的數據點，而在同樣大小的區域TIN與規則的格網相比則只需最少的數據點。TIN在GIS中得到普遍使用，特別是在三維可視化方面受到格外關注。

1. 利用矢量數據創建TIN制作DEM

（1）數據源的準備。將已知的外部數據導入，作為相關初值，經過一系列加工后進行DEM的制作。一般常用的外部數據有——向量數據。

向量數據指在JX-4CDPW軟件窗口下直接打開已有的向量文件，刪掉不參與相關的向量（如：房屋、高架橋、等級路等高于地面的數據），否則生產的DEM數據會出現非法值與地面產生矛盾。只利用其地貌數據中的等高線、地表高程點、沖溝及湖波、水庫等面狀的靜態水域的水涯線等基本特征線和特征點，關閉無需構TIN的非地表元素基礎數據。如建筑類、橋梁類、管線類、地貌中的比高及橋上和雙線路上與地面矛盾的高程點，并檢查高程點有無異常值和刪除在測圖過程中產生的廢層。為了提高工作效率和DEM的質量，我們將準備好的矢量數據在JX-4CDPW窗口下以三維的形式導出dxf格式，在AutoCAD平臺下在山谷和山脊中以捕捉的形式加特征線，然后再把特征線導入到JX-4CDPW窗口下與矢量數據鑲嵌到一起映射到立體模型上進行基礎數據的檢查。注：導入的數據必須帶有三維坐標即（X、Y、Z），否則在AutoCAD中加的特征線不能使用，在立體模型下檢查無誤后方可構TIN。

（2）檢查TIN數據

TIN為表現地形模型的不規則的三角網。由于受計算機能力的限制，在立體模型上直接編輯三角網有所困難，作業時一般利用間接的方法進行TIN的編輯，編輯單位以圖幅、像對均可，他們中間必須有足夠的重疊，在有三角網映射的立體模型上，尋找沒有切準地面的三角網點，在此處加測特征點或特征線，同時對特殊區域進行處理，如：水域、森林、人工破壞地貌、湖波等面狀靜態水域水涯線上的高程值應一致，不能與實地相矛盾。處理完成后以新舊特征點線再次構TIN，映射到立體模型上再次進行編輯，這樣迭帶數次，直到TIN區域的三角網點全部切準地面。注：此工作必須做到與立體模型相匹配，若出差錯既影響后期DOM的制作而且DEM也得返工，這樣我們事倍功半了。

（3）DEM的提取

利用編輯好的TIN的矢量數據，在JX-4CDPW窗口下DEM圖窗口中選擇“TIN—提取特征點線矢量”直接內插成（5m×5m）的大區域DEM并保存，一般可將628幅1：1萬比例尺的DEM拼成一個大區域。

（4）DEM的裁切

1：1萬標準圖幅的DEM解算范圍，起止格網點坐標計算公式為：

X起=Int［max(x1，x2，x3，x4，)/d+1］×d

Y起=Int［min(y1，y2，y3，y4，)/d］×d

X止=Int［min(x1，x2，x3，x4，)/d］×d

Y止=Int［max(y1，y2，y3，y4，)/d+1］×d

式中：x1，x2，x3，x4， y1，y2，y3，y4，為內圖廓點坐標，d為DEM格網尺寸。

X起，Y起為DEM起始點坐標，X止，Y止為DEM終止點坐標。

在JX-4CDPW窗口下打開大DEM利用【命令窗】下的【操作區域】選取外圖廓邊線進行DEM外裁切。

裁切好的DEM必須按國家1：1萬標準分幅的圖號保存。如K49G079030.dem

單圖幅DEM必須按規范要求嚴格接邊，接邊后不應出現裂縫，重疊部分的DEM值應在DEM要求的限差范圍，達到規范精度后方可輸出DEM的最后成果。

2. 利用原始影像生產DEM

在沒有數據源的情況下，制作DEM時我們完全依據立體模型獲取DEM。我們首先要對模型加特征點和線，特征點和線指地表起伏的地貌特征及地形變換處，高差較大的區域也得精確采集與影像一起直接相關出大格網的DEM。注:如果遇到森林或其他植被與周圍色差較分明時就必須在此區域加特征線，然后在立體模型下進行TIN的編輯，編輯好后再生產出最終DEM成果。這種方法只針對大比例尺的DEM制作，相對精度較低只適用于公路設計與一般規劃所參考。

四、DEM在實際生產中優缺點及存在的問題

1. DEM 生產的優點：

① 在JX-4CDPW窗口下，直接創建TIN生成DEM不但快捷、方便而且平面精度高。

② 矢量數據經過嚴格接邊裁切，所以DEM無需接邊就能達到精度要求。

③ 在此窗口下編輯靜態水域相當方便，還可以裁切成用戶所需的任何大小范圍的DEM數據。

缺點：

① 在生成DEM前的工作量較大，在修測TIN的重復工作量大，如果大區域DEM制作時，TIN的映射速度慢而且容易死機。

② 如果所生產的DEM數據過大或地貌特征彎曲幅度范圍較大時，TIN就無法生成，所以就必須將矢量數據裁切成小面積的初始數據，再將小范圍DEM拼接成所需DEM。

③ 數據采集較麻煩，因為網格點不是特征點，一些微地形可能沒有記錄。

2. DEM 生產中存在的問題

①目前生產DEM面臨的主要問題是影像匹配的可靠性不完善，必須結合人工手段檢查DEM在匹配中所產生的粗差進行相關的修改。

②在輸出DEM成果后利用4D軟件檢測DEM數據時，一個完整的DEM圖幅數據中有一個DEM格網點為空數據，這個空數據用人工方法檢測不到，而且這個空數據的原因也未發現。有待于進一步研究發現。

③由于拍攝時間與制作時間不一致，地貌和地形變換有所不同，給外業調繪和內業JX4測圖帶來了很大的不便，而且造成DEM數據與實地不符。這樣DEM的地形體現就缺乏真實性。

五、DEM成果的質量控制

（1）在JX-4CDPW窗口下，使DEM格網數據映射到單像對模型下，利用人工檢測DEM格網點切準立體地面情況。

（2）利用4D checker軟件平臺根據等高距、色譜等參數的設置檢查DEM數據，檢查等高線有無突變情況。

（3）將DEM數據反生成等高線與矢量數據進行套合比較，套合差應在1/2等高距范圍內。

（4）查看DEM接邊精度報告，檢查同名格網點高程值是否符合要求。

（5）格式一致性檢查：檢查數據文件存儲組織、文件格式、文件名稱是否符合要求。

（6）格網參數檢查：檢查格網尺寸、起止格網點坐標、圖幅范圍是否符合國家要求

六、數字高程模型（DEM）的主要功能

由于DEM是表現地表的坡度、坡向、坡度變化率等因子在內的線性和非線性組合的空間分布，其中DEM是零階單純的單項數字地貌模型，其他如坡 度、坡向及坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎上派生。其主要功能有：

1. DEM是各種非地貌特性的以矩陣形式表示的數字模型，包括自然地理要素以及與地面有關的社會經濟及人文要素，如土壤類型、土地利用類型、巖層深度、地價、商業優勢區等等。

2. 實際上DEM是柵格數據模型的一種。DEM描述的是地面高程信息，它在水文、氣象、地貌、地質、土壤、工程建設、 通訊、氣象、軍事等國民經濟和國防建設以及人文和自然科學領域有著廣泛的應用。

3. 由于DEM描述的是地面高程信息，它在測繪、水文、氣象、地貌、地質、土壤、工程建設、通訊、氣象、軍事等國民經濟和國防建設以及人文和自然科學領域有著廣泛的應用。

七、數字高程模型（DEM）在實際生產生活中的應用

由于DEM描述的是地面高程信息，它在測繪、水文、氣象、地貌、地質、土壤、工程建設、 通訊、氣象、軍事等國民經濟和國防建設以及人文和自然科學領域有著廣泛的應用。

1. 在工程建設上，可用于如土方量計算、通視分析等；在防洪減災方面，DEM是進行水文分析如匯水區分析、水系網絡分析、降雨分析、蓄洪計算、淹沒分析等的基礎；在無線通訊上，可用于蜂窩電話的基站分析等等。

2. 在生產中具有廣泛的使用價值，從20世紀50年代至今，DEM在測繪和遙感、通信、農林規劃、土木工程、軍事、地學分析等領域都得到廣泛而深入的研究。許多行業由于DEM的滲透和應用而發生了巨大的變化。例如：在通信領域，信號傳播環境如地形（高山、丘陵、平原、水域）、建筑物（高度、分布、數量、材料）、植被特征、天氣狀況等是影響通訊信號質量的關鍵。

3. 在其它信息如植被、建筑物等的配合下，DEM常常用來進行各種通訊設施如電臺、電視臺發射機等的輔助選址、通訊網絡的規劃設計、移動通訊傳播模型校正等。

八、結束語

本文結合生產實踐首先介紹了DEM產品數據源的準備、生產方法、功能及面臨的問題和DEM產品在實際生產生活中的應用。再次介紹了結合生產實際對數字測繪產品質量檢查和質量控制問題進行了初步探討。科技的進步推動著測繪數字化、信息化和集約型測繪經濟的發展，空間數據框架以基礎數字高程模型為地理參考基礎信息，地圖僅作為次級表現內容的集成成為“地球空間數據框架”的核心。三維數據和以影像為基礎的系統之間的結合將產生更逼真的環境表示。影像地圖、數字地圖等新圖種、制圖新工藝迅速大量涌現，并得以廣泛應用。

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