基于攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型的構(gòu)建

張一飛 楊 毅

（西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司，陜西 西安 7110054）

數(shù)字高程模型（DEM）是在測(cè)繪工作中，利用密集地形特征點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）形成的數(shù)字曲面集合來(lái)表達(dá)地面起伏形態(tài)的一種實(shí)體地面模型［1］。由于DEM是一種利用數(shù)值有序陣列表示地貌信息的方法，通過(guò)DEM模型的建立，可以按照用戶需求計(jì)算土方量、空間距離、覆蓋面積等，還可以提取各種地形參數(shù)，包括坡度、坡向、粗糙度等。此外，基于DEM水文分析，可以對(duì)區(qū)域匯水量、降雨影響程度、淹沒(méi)程度等進(jìn)行分析，對(duì)防洪減災(zāi)方面提供了極大幫助。由此可見(jiàn)，DEM在測(cè)繪、水文、氣象、地貌、地質(zhì)、土壤、工程建設(shè)和通訊等國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人文及自然科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 DEM的生成方法

數(shù)字高程模型（DEM）的構(gòu)建需要密集的攜帶地形特征的三維點(diǎn)（x，y，z）集合，從數(shù)據(jù)源的獲取方式來(lái)講，建立DEM的方法可以分為三種［2］：

1.1 利用GPS、全站儀等測(cè)量?jī)x器直接進(jìn)行野外測(cè)量獲取。這種方法獲取數(shù)據(jù)的效率低、成本較高，為了保證DEM構(gòu)建精度，需要減小數(shù)據(jù)采集密度，一般適用于小范圍大比例尺DEM的構(gòu)建。

1.2 利用航空攝影、遙感、In-SAR技術(shù)獲取地形數(shù)據(jù)。如空三加密法、解析測(cè)圖、雷達(dá)干涉等，這類方法獲取數(shù)據(jù)的效率高、覆蓋面積大、實(shí)時(shí)更新速度快，是目前應(yīng)用最普遍的DEM構(gòu)建方法。構(gòu)建的DEM精度和數(shù)據(jù)獲取設(shè)備分辨率直接相關(guān)，適用于各類比例尺DEM的構(gòu)建，但由于這種方法與地面實(shí)體沒(méi)有實(shí)際接觸，獲取的地形特征點(diǎn)對(duì)地表實(shí)際地形特征的表達(dá)需要得到野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪和實(shí)測(cè)，一些地形特征點(diǎn)的缺失也需要通過(guò)野外測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

1.3 已有地形圖的掃描采集。利用格網(wǎng)讀點(diǎn)法、數(shù)字化掃描儀等對(duì)地形圖進(jìn)行半自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)內(nèi)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(fù)雜，在構(gòu)建過(guò)程中要考慮沖溝、陡坎等地形特征點(diǎn)以及房屋、道路等對(duì)矢量化結(jié)果的影響。

2 攝影測(cè)量數(shù)據(jù)特點(diǎn)及預(yù)處理

攝影測(cè)量方法是一種利用攝影、遙感、雷達(dá)等技術(shù)獲取的帶有地理坐標(biāo)的數(shù)字正射影像圖［3］，形成了三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云，包含了上萬(wàn)甚至更多的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，其不僅具有三維坐標(biāo)信息，而且還隱含了點(diǎn)位之間的幾何拓?fù)湫畔ⅲ瑢?duì)影像在各方面的應(yīng)用提供了便利，并且可以影像圖提供的三維點(diǎn)云，進(jìn)行三維信息數(shù)據(jù)的深加工處理。

然而，由于獲取的三維點(diǎn)太過(guò)密集，數(shù)據(jù)量較大，不僅降低了數(shù)據(jù)計(jì)算速度，增大存儲(chǔ)難度，還增加了數(shù)據(jù)重構(gòu)的誤差，所以應(yīng)對(duì)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理，主要包括影像去噪濾波和數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。一般情況下，影像在購(gòu)買時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了必要的去噪濾波操作，而數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)工作是按照實(shí)際應(yīng)用的要求進(jìn)行的，操作過(guò)程只是對(duì)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行刪減，不產(chǎn)生新的點(diǎn)位，盡量保持原有數(shù)據(jù)形態(tài)和點(diǎn)位間的拓?fù)潢P(guān)系。

3 數(shù)據(jù)點(diǎn)云構(gòu)建DEM

數(shù)字高程模型（DEM）是利用獲取的三維點(diǎn)位數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)插生成的，現(xiàn)有內(nèi)插方法主要有整體內(nèi)插法、分塊內(nèi)插法和逐點(diǎn)內(nèi)插法三種，其原理都是通過(guò)定義的函數(shù)對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合構(gòu)建地形地貌虛擬格網(wǎng)。格網(wǎng)的精度取決于選用的擬合方法，而決定了生成的DEM的準(zhǔn)確度。目前，應(yīng)用最多的算法是不規(guī)則三角網(wǎng)，其能夠以不同層次的分辨率來(lái)描述地表形態(tài)，能夠較完整地記錄微地形信息，利用更少的空間和時(shí)間精確地記錄和表達(dá)復(fù)雜表面，優(yōu)于其他各種方法。本文以ArcGIS軟件為基礎(chǔ)，從數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)到TIN的構(gòu)建來(lái)闡述攝影測(cè)量數(shù)據(jù)生成DEM的方法。具體步驟如下［4-5］：

①將數(shù)據(jù)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成ArcGIS軟件應(yīng)用形式，計(jì)算高斯曲率k和平均曲率H，并對(duì)其表達(dá)的高斯曲面進(jìn)行分層［6］，即將特征點(diǎn)表達(dá)的地表特征進(jìn)行了分層；

②對(duì)分層后的特征點(diǎn)進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)重采樣，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)，重采樣格網(wǎng)值的重新劃分需要針對(duì)不同曲面特征點(diǎn)圖層，對(duì)于曲面特征明顯的山峰、谷底等來(lái)說(shuō)，重采樣格網(wǎng)設(shè)置小，而對(duì)于曲面特征不明顯的平地來(lái)說(shuō)，重采樣格網(wǎng)可以設(shè)置大，重采樣后格網(wǎng)數(shù)較少，但不會(huì)影響原有曲面特征［7］；

③結(jié)合原始數(shù)字正射影像圖對(duì)精簡(jiǎn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，補(bǔ)充因柵格重采樣而剔除的微地形特征點(diǎn)，以便提高生成DEM的準(zhǔn)確性；

④利用ArcGIS軟件提供的［3D Analyst］工具—［TIN管理］—［創(chuàng)建TIN］生成新圖層TIN；

⑤執(zhí)行命令［3D Analyst工具］—［轉(zhuǎn)換］—［由TIN轉(zhuǎn)出］—［TIN轉(zhuǎn)柵格］，指定相關(guān)參數(shù)：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(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和計(jì)算能力的限制，合理選擇像元大小。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字高程模型（DEM）的構(gòu)建需要大量三維數(shù)據(jù)的支撐，攝影測(cè)量方法高效率地獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為數(shù)字高程模型的建立提供了幫助。而在ArcGIS軟件平臺(tái)上，對(duì)攝影測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)和重采樣，在此基礎(chǔ)上完成DEM的構(gòu)建，形成了點(diǎn)云數(shù)據(jù)從預(yù)處理到DEM生成的整套技術(shù)流程。然而，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，要特別注意和原始數(shù)字正射影像圖進(jìn)行對(duì)照，避免造成微地形的缺失，影響DEM生成結(jié)果的準(zhǔn)確性。

［1］李志林，朱慶.數(shù)字高程模型［M］.武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，2000.

［2］茆德柱.TIN模型的構(gòu)建方法研究［D］.南京：河海大學(xué)，2007.

［3］閆龍.基于CCD的立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)精度分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（2）：410-413.

［4］歐陽(yáng)霞輝.ArcGIS地理信息系統(tǒng)大全［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［5］鄒曉軍.攝影測(cè)量與遙感［M］.北京：測(cè)繪出版社，2011.

［6］張麗艷，周來(lái)水，周儒榮.逆向工程中曲面重構(gòu)算法研究與實(shí)現(xiàn)［J］.航空學(xué)報(bào)，1999，20（3）：242-244.

［7］李松濤，張長(zhǎng)水，榮剛，等.一種基于最小二乘估計(jì)的深度圖像曲面擬合方法［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002，28（2）：310-313.