基于攝影測量數據的數字高程模型的構建

張一飛 楊 毅

（西安煤航信息產業有限公司，陜西 西安 7110054）

數字高程模型（DEM）是在測繪工作中，利用密集地形特征點坐標（x，y，z）形成的數字曲面集合來表達地面起伏形態的一種實體地面模型［1］。由于DEM是一種利用數值有序陣列表示地貌信息的方法，通過DEM模型的建立，可以按照用戶需求計算土方量、空間距離、覆蓋面積等，還可以提取各種地形參數，包括坡度、坡向、粗糙度等。此外，基于DEM水文分析，可以對區域匯水量、降雨影響程度、淹沒程度等進行分析，對防洪減災方面提供了極大幫助。由此可見，DEM在測繪、水文、氣象、地貌、地質、土壤、工程建設和通訊等國民經濟、人文及自然科學領域得到廣泛應用。

1 DEM的生成方法

數字高程模型（DEM）的構建需要密集的攜帶地形特征的三維點（x，y，z）集合，從數據源的獲取方式來講，建立DEM的方法可以分為三種［2］：

1.1 利用GPS、全站儀等測量儀器直接進行野外測量獲取。這種方法獲取數據的效率低、成本較高，為了保證DEM構建精度，需要減小數據采集密度，一般適用于小范圍大比例尺DEM的構建。

1.2 利用航空攝影、遙感、In-SAR技術獲取地形數據。如空三加密法、解析測圖、雷達干涉等，這類方法獲取數據的效率高、覆蓋面積大、實時更新速度快，是目前應用最普遍的DEM構建方法。構建的DEM精度和數據獲取設備分辨率直接相關，適用于各類比例尺DEM的構建，但由于這種方法與地面實體沒有實際接觸，獲取的地形特征點對地表實際地形特征的表達需要得到野外現場調繪和實測，一些地形特征點的缺失也需要通過野外測量進行補測。

1.3 已有地形圖的掃描采集。利用格網讀點法、數字化掃描儀等對地形圖進行半自動數據采集，通過內插生成DEM，該類方法效率較高，生成的DEM精度取決于地形圖精度，如果地形復雜，在構建過程中要考慮沖溝、陡坎等地形特征點以及房屋、道路等對矢量化結果的影響。

2 攝影測量數據特點及預處理

攝影測量方法是一種利用攝影、遙感、雷達等技術獲取的帶有地理坐標的數字正射影像圖［3］，形成了三維數據點云，包含了上萬甚至更多的點位數據，其不僅具有三維坐標信息，而且還隱含了點位之間的幾何拓撲信息，對影像在各方面的應用提供了便利，并且可以影像圖提供的三維點云，進行三維信息數據的深加工處理。

然而，由于獲取的三維點太過密集，數據量較大，不僅降低了數據計算速度，增大存儲難度，還增加了數據重構的誤差，所以應對攝影測量數據進行必要的預處理，主要包括影像去噪濾波和數據精簡。一般情況下，影像在購買時已經進行了必要的去噪濾波操作，而數據精簡工作是按照實際應用的要求進行的，操作過程只是對原始數據點云進行刪減，不產生新的點位，盡量保持原有數據形態和點位間的拓撲關系。

3 數據點云構建DEM

數字高程模型（DEM）是利用獲取的三維點位數據通過內插生成的，現有內插方法主要有整體內插法、分塊內插法和逐點內插法三種，其原理都是通過定義的函數對離散數據進行擬合構建地形地貌虛擬格網。格網的精度取決于選用的擬合方法，而決定了生成的DEM的準確度。目前，應用最多的算法是不規則三角網，其能夠以不同層次的分辨率來描述地表形態，能夠較完整地記錄微地形信息，利用更少的空間和時間精確地記錄和表達復雜表面，優于其他各種方法。本文以ArcGIS軟件為基礎，從數據精簡到TIN的構建來闡述攝影測量數據生成DEM的方法。具體步驟如下［4-5］：

①將數據點云轉換成ArcGIS軟件應用形式，計算高斯曲率k和平均曲率H，并對其表達的高斯曲面進行分層［6］，即將特征點表達的地表特征進行了分層；

②對分層后的特征點進行柵格數據重采樣，對點云進行精簡，重采樣格網值的重新劃分需要針對不同曲面特征點圖層，對于曲面特征明顯的山峰、谷底等來說，重采樣格網設置小，而對于曲面特征不明顯的平地來說，重采樣格網可以設置大，重采樣后格網數較少，但不會影響原有曲面特征［7］；

③結合原始數字正射影像圖對精簡后的數據進行檢查，補充因柵格重采樣而剔除的微地形特征點，以便提高生成DEM的準確性；

④利用ArcGIS軟件提供的［3D Analyst］工具—［TIN管理］—［創建TIN］生成新圖層TIN；

⑤執行命令［3D Analyst工具］—［轉換］—［由TIN轉出］—［TIN轉柵格］，指定相關參數：采樣距離，輸出柵格的位置和名稱：［TinGrid］，其中采樣距離是像元大小，其直接影響DEM生成的精度，在滿足精度要求的前提下，考慮計算機存儲和計算能力的限制，合理選擇像元大小。

4 結語

數字高程模型（DEM）的構建需要大量三維數據的支撐，攝影測量方法高效率地獲取三維點云數據，為數字高程模型的建立提供了幫助。而在ArcGIS軟件平臺上，對攝影測量點云數據進行精簡和重采樣，在此基礎上完成DEM的構建，形成了點云數據從預處理到DEM生成的整套技術流程。然而，在數據處理過程中，要特別注意和原始數字正射影像圖進行對照，避免造成微地形的缺失，影響DEM生成結果的準確性。

［1］李志林，朱慶.數字高程模型［M］.武漢：武漢測繪科技大學出版社，2000.

［2］茆德柱.TIN模型的構建方法研究［D］.南京：河海大學，2007.

［3］閆龍.基于CCD的立體視覺測量系統精度分析與結構設計研究［J］.儀器儀表學報，2008，29（2）：410-413.

［4］歐陽霞輝.ArcGIS地理信息系統大全［M］.北京：科學出版社，2009.

［5］鄒曉軍.攝影測量與遙感［M］.北京：測繪出版社，2011.

［6］張麗艷，周來水，周儒榮.逆向工程中曲面重構算法研究與實現［J］.航空學報，1999，20（3）：242-244.

［7］李松濤，張長水，榮剛，等.一種基于最小二乘估計的深度圖像曲面擬合方法［J］.自動化學報，2002，28（2）：310-313.