濟南市1∶10 000數字高程模型的生成工藝

王鴻 ，田永明

(1.濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250013; 2.山東省城市空間信息工程技術研究中心，山東 濟南 250013)

1 引 言

近些年來，數字高程模型(DEM)在測繪、氣象、地貌、地質、工程建設、通信等許多領域得到迅速的發展、充分的應用和廣泛的關注，為國民經濟和國防建設以及人文和自然科學領域的發展提供基礎性的應用數據。基于數字高程模型(DEM)在城市建設發展和管理中的重要性，我院制作了濟南市主要區域的1∶10 000數字高程模型(DEM)。

2 測區概況、技術要求

濟南市是山東省的省會城市，位于山東省中部，地勢南高北低，南依泰山，北跨黃河。本次制作的濟南市數字高程模型(DEM)的覆蓋面積約5 300 km2。結合實際需要我院制作的數字高程模型(DEM)成圖數學基礎如下:平面坐標系統采用濟南市獨立坐標系統，該獨立坐標系統可與2000 國家大地坐標系進行相互轉換，高程基準采用1985 國家高程基準。其基本技術指標如表1所示:

表1 基本技術指標

3 主要工藝流程

在適普攝影測量工作站VirtuoZo 中制作數字高程模型(DEM)的主要工藝流程包括:數據準備、空三加密、自動匹配、匹配結果編輯、生成DEM、DEM 拼接與分幅等，具體如圖1所示:

圖1 制作DEM 的主要流程圖

3.1 空三加密

目前航空攝影可以采用GPS、慣性導航系統等先進技術，這可以大大減少外業像控點布設的工作量。由于我院同時還要生產數字線劃圖(DLG)及數字正射影像圖(DOM)，對空三加密成果的精度要求比較高，所以本次區域網像片控制點的布設采用傳統的方法，即采用平高控制點的區域網布點方案，航向每6 條基線布設一組控制點，在山地等不易選點的條件下可放寬至8 條基線布設，旁向每隔1 條航線進行控制點的布設。采用DMC 數字航攝儀獲取的數字影像不能被軟件直接讀取處理，這就需要對原始影像數據進行一下數據格式的批量轉換，由航空攝影所直接獲得的輻射分辨率12 bit的影像數據批量轉換為16 bit影像數據，最后再批量轉換為8 bit影像數據。

數據格式轉換完成后按照規范及軟件要求設定相應參數，依次進行定向(包括內定向和相對定向)、航帶偏移、自動轉點、自動挑點、絕對定向、平差計算、區域網接邊等工作即完成區域網的空三加密工作，空三加密是計算機自動匹配與人工干預共同執行完成的一項交互式的工作，對后續采集各種數字成果的精度影響較大，因此要求加密人員選點合理、刺點點位準確無誤。空三加密完成后即可安排作業人員進行DEM、DLG、DOM 等數字產品的制作。

3.2 匹配結果的編輯及數字高程模型生成

數字高程模型(DEM)是一種實體地面模型(如圖2所示)。數字高程模型(DEM)在進行土方量計算、通視分析、匯水區分析、蜂窩電話的基站分析等方面的應用十分廣泛［5］，數字高程模型(DEM)是建立智慧城市的重要基礎信息之一。

圖2 DEM

目前有很多方法可以獲取數字高程模型(DEM)，如機載激光掃描儀、激光測高儀、Insar 技術、攝影測量、GPS 和全站儀野外測量以及基于數字化等高線和高程點信息創建DEM 等［6］。本文是采用攝影測量的方法來獲取數字高程模型(DEM)，作業人員通過利用繪制點、線、面等不同作業方式對自動匹配生成的核線影像結果進行立體編輯，對于一些十分復雜的地形區域的影像，如:溝谷、山脊、大片居民區、黑影遮蓋區或水域等地區的影像，由于其影像紋理不清晰導致自動匹配生成的匹配點不是在地面上，從而無法較好的獲取貼近地面的高程信息，這種情況需要在自動匹配前進行匹配預處理，在立體模型中根據地形的復雜情況加測適量的特征點、線、面來輔助系統進行自動匹配，通過人工干預獲得更好的匹配結果，減少后期立體模型上編輯的工作量。采集編輯時按照具體地形情況及具體的生產技術要求對參數進行適當設置，組合使用各種擬合算法、平滑算法以及內插方法對自動匹配不好的格網點進行適當的編輯，使編輯后的格網點貼近影像立體模型的地貌表面［4］，并對編輯結果進行立體模型檢測，使格網點高程最大誤差不超過規范要求的2 倍高程中誤差，以獲得高精度的DEM 數據。

由于濟南南部臨近泰山多為山區，北部地勢較為平緩，針對這兩種地形地貌的處理方式就存在不同之處。山區植被覆蓋茂盛，并且地勢高差較大，自動匹配生成的結果較差，在自動匹配前加測特征數據或者引入已有的高精度的DLG 數據的等高線或高程點數據進行預處理，匹配效果就會得到極大改善，從而減少了后期編輯的工作量;而對于北部較為平坦的區域，自動匹配的結果比較理想，容易編輯處理，只需要對居民區、樹木等地物運用曲面擬合配合中度平滑算法進行編輯處理，就可以達到理想的效果。對于測區范圍內的玉清湖水庫、錦繡川水庫等大大小小的水體，采用定值平面的方法進行處理，使水庫范圍內DEM 高程值一致;黃河的DEM 采用中度平滑算法進行處理，達到其高程自上而下平緩過渡。

3.3 DEM 鑲嵌與裁切

作業人員單個模型DEM 編輯完成后，要進行相鄰單模型DEM 之間接邊處理，接邊時要保證至少有2 個格網的重疊帶［1］，檢查重疊帶內所有的同名格網點的高程較差，當DEM 同名格網點的高程較差不大于2 倍DEM 高程中誤差時，取同名點高程的平均值作為該點高程，若同名格網點的高程較差超限，需在立體模型上查明原因并進行修正直至符合要求，生成單像對DEM并保留接邊精度報告，接邊精度報告隨成果一并提交質量檢查。圖幅范圍內所有像對DEM 的接邊較差都滿足要求后，進行像對間及航帶間的DEM 鑲嵌。

DEM 鑲嵌完成后，按照起止格網點坐標進行矩形裁切，裁切時外擴一排DEM 格網，確保相鄰DEM 分幅成果之間有一定的重疊度，同時生成該圖幅DEM 格網的地理定位信息文件。

4 精度檢測

數字高程模型成果的精度用格網點的高程中誤差表示，根據GB/T 18316－2008《數字測繪成果質量檢查與驗收》中對質量檢查方法的規定，DEM 精度的檢測主要有參考數據對比、野外實測、內部檢查等方法［2］，野外實測方法雖然精度高，但由于測區范圍大導致野外實測的工作量很大，野外實測的方法適用于范圍較小或實驗區的精度檢測，鑒于勘測院有豐富的地形圖等現勢強的數據資源的優勢，本次對DEM 精度的檢測采用參考數據對比，充分利用濟南市1∶500全野外數字化地形圖成果、二級導線點成果、控制測量成果及1∶2 000數字地形圖成果，成果精度評定是以1∶500全野外數字化地形圖、二級導線點成果、控制測量成果及1∶2 000數字地形圖成果上的高程點作為檢查點，對DEM 格網點位高程精度進行檢驗。

參照CH/T9009．2－2010《基礎地理信息數字成果1∶5 000、 1∶10 000、 1∶25 000、 1∶50 000、1∶10 0000數字高程模型》數字高程模型成果格網點高程中誤差精度要求不大于表2規定:

表2 1∶10 000 比例尺數字高程模型精度指標［3］

依據GB/T24356－2009《測繪成果質量檢查與驗收》中的驗收要求，按照地形特征的不同在平地、丘陵地、山地和高山地中共抽取22 幅數字高程模型進行精度檢測，在每幅DEM 上根據具體的地形復雜情況選取20 個～30 個檢查點，檢查點均勻分布在每幅DEM 上，適當增加檢查點的密度在高程變化較大的地區，經檢查粗差點為2.6%，剔除粗差點后根據公式(在規范GB/T24356－2009 中規定)計算中誤差，其中，Mh為高程中誤差，n 為檢查點個數，△hi為高程較差，由表3可以看出DEM 成果能夠滿足1∶10 000一級精度要求。

表3 1∶10 000 DEM 成果精度檢測匯總表

5 心得體會

通過這次數字高程模型DEM 數據生產有以下體會:

(1)加密分區時，為能提高加密成果精度并且能保證空三加密能順利通過，應盡量按照平地、丘陵地、山地和高山地等不同地形特征進行適當分區，加密時做好加密分區的接邊工作;

(2)為方便生產中作業人員進行DEM 鑲嵌裁切，分配任務時盡量按加密分區內整條航線或相鄰航線進行作業分配;

(3)在立體模型上作業員進行匹配編輯和質檢員進行目視檢查時，應分條塊進行，每條塊間有適當重疊，防止有遺漏區域;

(4)進行精度評定時選用的1∶500 全野外數字化地形圖成果、二級導線點成果、控制測量成果及1∶2 000數字地形圖成果等數據要進行必要的可靠性評定，剔除精度較差的檢查點，提高精度評定的準確性。

6 結 語

數字高程模型(DEM)數據的應用前景十分廣闊，其應用值得相關行業進行深入研究。濟南市1∶10 000數字高程模型制作完成后，已成功應用于濟南市城市三維模型制作、濟南市衛星影像圖生產、基礎地理信息公共平臺建設、地理國情普查等方面，為濟南市城市規劃管理、土地利用分析等方面提供了及時、準確的服務，為智慧城市的發展奠定了基礎。

［1］CH/T 1015．2－2007．基礎地理信息數字產品1∶10000、1∶50000生產技術規程(第2 部分:數字高程模型DEM)［S］．

［2］GB/T 18316－2008．數字測繪成果質量檢查與驗收［S］．

［3］CH/T 9009．2－2010．基礎地理信息數字成果1∶5000、1∶10000、1∶25000、1∶50000、1∶100000 數字高程模型［S］．

［4］適普軟件有限公司．VirtuoZo 全數字攝影測量工作站使用手冊［z］．

［5］阮明．大范圍DEM 數據的快速生產［J］．城市勘測，2011(1):102～104．

［6］田永明，王鴻，武豐雷．利用立體像對建立城市三維景觀［J］．城市勘測，2010(3):77～79．