基于地形圖的大比例尺DEM精度檢查技術

余詠勝，尹言軍，章 琳

（武漢市測繪研究院，湖北武漢430022）

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基于地形圖的大比例尺DEM精度檢查技術

余詠勝，尹言軍，章 琳

（武漢市測繪研究院，湖北武漢430022）

摘 要：大比例尺DEM成果精度檢查是數據質量檢查的核心內容，如何全面核查DEM成果精度、快速發現粗差區域對于指導DEM數據生產、提高成果質量有重要意義。結合武漢市大比例尺DEM數據生產及檢查工作現狀，提出以全要素地形圖為基礎，采用基于FME的高程信息提取模型和DEM精度檢查模型，通過ArcGIS模板和Python自動化處理腳本對DEM成果精度進行檢查分析和統計的處理技術。試驗結果表明，該方法能提高DEM成果精度檢查分析的效率和質量，可廣泛應用于DEM數據生產實踐。

關鍵詞：DEM；精度檢測；FME；Python；Arcpy

地形表面的數字化是用數字高程模型（DEM）表示，一般以規則格網點高程數值矩陣來表示地表起伏形態特征信息，可廣泛應用于城市規劃、工程建設、環境保護和治理等領域。隨著航空攝影技術的快速發展，基于數字攝影測量工作站、利用高分辨率航空影像進行大比例尺DEM數據采集模式已得到廣泛應用。大比例尺DEM數據生產較為常用的做法有兩種：一種是通過數字攝影測量工作站進行特征點、線的采集，據此構TIN內插成規則格網的DEM數據；另一種是通過特征匹配方式直接生成規則格網的DSM數據，在此基礎上立體模式下進行編輯，消除建筑、植被等要素影響生成DEM成果。無論以何種方式生產DEM數據，其成果真實地反映地形地貌的現狀，其質量及數據精度能夠滿足相關標準和技術規范的要求。

1　問題分析

DEM成果精度檢查主要是檢查DEM數據的高程誤差及分布情況、能否準確反映地形地貌特征，DEM精度檢查的方法有多種，可以通過分層設色、三維模型可視化或等高線回放方式檢查，也可以利用已知高程點或地形圖上高程值進行檢查。分層設色和三維模型可視化可以發現粗差，但不能用于精確評估；等高線回放模式一般用于定性評價；直接上機檢查一般需要恢復立體模型，其作業效率相對較低。實際生產中在基礎資料比較齊全區域一般以大比例尺地形圖為標準通過DEM數據套合方式進行成果精度檢查。

通過全要素地形圖進行DEM精度檢查，在顯示器上點選操作，處理方便，頻繁人工查詢取值工作效率低下；用于生產的全要素地形圖數據來源多樣，可能是AutoCAD DWG數據格式或MicroStation DGN格式，部分單位甚至在數據提供時進行了圖層合并處理，難以實現數據的統一處理；精度檢查工作需要進行大量統計表格填寫，人工處理周期較長。針對以上情況，本文采用FME空間數據處理模型和Python腳本語言對DEM精度檢查技術進行了研究和探討。FME可以實現超過100種不同空間數據格式之間的相互轉換，可滿足生產單位對于多源制圖數據高效處理的要求；Python語言是ArcGIS系統中擴展地理處理的通用腳本語言，通過com接口可方便地在不同系統中進行數據的交互和處理。結合大比例尺DEM數據生產實際，提出了以全要素地形圖為基礎、以FME空間數據處理模型和Python自動化處理腳本為手段的DEM成果精度檢查分析與處理技術，提高了DEM成果精度檢查工作的效率、準確性和實用性。

2　大比例尺DEM精度檢查

2．1 大比例尺DEM精度檢查流程

大比例尺DEM成果精度檢查包括DEM數據的數學基礎、高程精度、接邊精度、數據范圍的完整性、高程值的有效性以及元數據的正確性等內容，DEM精度檢查的一般性檢查項目比較容易處理，高程精度的檢查處理則相對比較困難，是檢查內容的關鍵。本文DEM成果精度檢查是以大比例尺地形圖（．dwg格式）為基礎，從中提取高程點位和高程注記值信息，通過與DEM數據（．img格式）的疊置處理，獲取點位的DEM原始高程并計算高程較差，在ArcGIS系統中利用圖層模板對檢查點要素按不同精度要求進行分類設色，便于檢查人員對誤差較大的問題區域進行標識、核查，及時作出處理；確認DEM數據滿足相關精度要求后可通過python腳本語言自動填寫相關記錄表格，并對檢查成果進行精度統計。大比例尺DEM精度檢查處理流程如圖1所示。

2．2 高程信息提取

圖1　大比例尺DEM精度檢查處理流程

高程點信息提取的目的是利用現有地形圖上的高程點位和高程注記信息生產三維點要素，便于DEM疊置處理及精度檢查。對于已經建立大比例尺地形圖數據庫的區域，由于高程點位及高程值屬性已經進行了拓撲檢查和屬性關聯，可以直接從數據庫中提取相關信息。實際生產中往往存在大量未入庫地形圖數據，或矢量數據進行圖層合并等處理，難以直接從數據中提取相關信息，進行高程信息提取時必須根據數據的具體情況進行分析處理。

根據大比例尺地形圖圖式的要求，高程點一般用0．5mm的黑點表示，由于AutoCAD中點要素不具備尺寸信息，通常采用插入高程點符號圖塊的方式表示點位，因此高程點位可通過autocad＿block＿name進行過濾方式確定塊要素，然后根據要素平面坐標采用VertexCreator轉換器生成高程點位。高程值一般用TEXT文本標注方式保存至指定圖層，由于矢量數據存在圖層合并等干擾處理，導致其它圖層注記信息如樓層注記、植被標注、圖廓標注等信息混合至高程注記層，必須將這些多余信息剔除。為實現高程注記的有效過濾，讀取dwg文件時應將autocad＿layer、autocad＿color、autocad＿text＿string、autocad＿text＿size等屬性暴露出來便于根據圖層、顏色、字體大小等信息進行篩選，同時為防止高程注記本身存在的輸入錯誤（如高程值為21．．3，包含多余小數點），還需要對高程注記字符串數值正確性進行判斷。

高程點位和高程值注記提取之后，需要進行圖形和屬性關聯操作。通常高程注記的平面位置可能根據圖面負載情況進行移位處理，考慮到注記的大小，該移位距離通常不超過20m，該距離可設置為高程注記的最大搜索范圍。FME中可通過NeighborFinder轉換器實現高程點位和注記的關聯，在最大搜索范圍內的、距高程點位最近的高程注記作為高程值與點位關聯，對于只有高程點位沒有高程注記、有高程注記沒有對應高程點位的直接剔除，確保散點高程信息提取準確、有效。從矢量地形圖中進行高程點信息提取的模型如圖2所示。利用該圖高程點信息提取模型，通過FME批量轉換向導工具，可以自動完成任意數量矢量地形圖數據的高程信息提取工作。

圖2　地形圖高程點信息提取模型

2．3 DEM精度檢測與分析

大比例尺地形圖的高程點信息提取工作是進行DEM精度檢查的前提，提取高程點要素之后才能進行DEM數據的精度檢查和分析處理。DEM數據通常以不規則三角網（TIN）模式或規則格網（Grid）模式表現，生產中DEM成果一般采用浮點型柵格數據格式保存（．img或．tif格式）。在FME中根據已有高程點的平面位置從DEM數據上獲取相應點位的高程值可以通過PointOnRasterValue－Extractor轉換器實現，高程較差通過AttributeCreator新增字段計算并保存。

根據相關規范要求，大比例尺DEM數據一般采用2．5m格網間距，高程中誤差按平地、丘陵地、山地等地形類別劃分不同精度等級，粗差比較集中的區域可能是DEM數據采集存在問題的區域，也有可能是地形發生變化的區域，對于這類區域需要重點核查。在FME中可以通過HullAccumulator轉換器將超限區域連接成多邊形，一般采用Concave模式生成凹包，根據大比例尺地形圖高程注記點位間距分布規律，對于離散的粗差范圍可以設置閾值將面積小于3000的破碎區域進行濾除。DEM精度檢查模型如圖3所示。

圖3　DEM精度檢查模型

根據DEM制作要求，立交橋、高架橋等路面一般按橋下地面實際高程表示，而全要素地形圖上立交橋、高架橋均存在高程散點，此時DEM精度檢測出的粗差屬于偽變化，需要剔除；此外，由于水位漲落的影響，地形圖上部分河流岸線區域的高程點可能位于DEM數據采集時的水位線以下，此時檢測出的粗差也應剔除。為便于質量檢查人員直觀、方便地對DEM精度檢查結果進行核查分析，對存在問題的區域進行快速定位和標識，通常需要在Arc－GIS系統對檢查點位矢量和DEM數據進行矢量和柵格數據疊置處理，以便快速識別偽粗差、圈定粗差較大的問題區域。為提高DEM精度檢查作業的效率，避免在不同的圖幅間切換時需重復對高程較差進行符號化設置，一般需要將DEM高程檢查點矢量要素保存為圖層檢查模板，數據切換時直接指定．lyr圖層文件作為高程較差符號化的模板進行自動處理。

2．4 DEM精度統計

DEM數據精度統計是成果質量檢查的一項重要工作，其主要內容是根據高程點精度檢查情況，填寫相關精度檢查記錄表格。按常規作業模式需要通過人工核查圖面檢查點位分布并選點，再根據點位高程及較差信息填寫相關記錄表格，該項工作相當繁瑣且容易出錯，本文通過python腳本實現了精度統計的自動化處理。

Python是一種開源的腳本編程語言，是Arc－GIS系統中通用腳本語言。在python腳本中可通過import arcpy方式引用arcpy站點包，從而實現shp文件的數據訪問和空間分析等操作。基于全要素地形圖進行DEM精度檢測時，單幅圖內DEM檢查點數約400點左右，精度檢查記錄表一般只需要填寫25個左右檢查值，可以根據圖幅的坐標格網進行過濾，每個坐標格網內取其中心附近的檢查點作為記錄值，其點位分布滿足圖幅內均勻分布。當圖幅不滿幅時，可增選格網角點附近的檢查點作為記錄值填寫。篩選后的檢查點可通過arcpy．Search－Cursor（）函數讀取DEM高程值、高程檢查值及高程較差等屬性。

在Python中調用和處理Word文檔模板需要pywin32模塊的支持，通過import win32com．client可實現com接口的調度，不需要處理復雜事件響應函數就可直接對Microsoft Word文檔中的段落、表格以及文本格式進行修改或設置。利用python腳本進行DEM精度統計的相關操作主要代碼如下：

import win32com．client，arcpy

＃打開Word文件模板準備寫入數據

WordApp＝win32com．client．Dispatch（“Word．Application”）

doc＝WordApp．Documents．Open（docPath－Name）

tbl＝doc．Tables（1）

＃打開Shape文件讀取高程檢查信息

rows＝arcpy．SearchCursor（shpPathName）

for row in rows：

dem，chk，delta＝row．getValue（“dem”），row．getValue（“chk”），row．getValue（“delta”）＃在Word文檔模板中填入高程及較差信息

if（i＜＝25）：

tbl．Cell（i，2）．Range．Text＝“%．1f”%（dem）

tbl．Cell（i，3）．Range．Text＝“%．1f”%（chk）

tbl．Cell（i，4）．Range．Text＝“%．1f”%（delta）

i＋＝1

以上腳本中，有關檢查點的篩選、高程中誤差統計及其它細節內容由于所占篇幅較多且較容易實現而進行省略處理。

3　試驗區結果分析

為驗證本文提出的高程點信息提取和DEM精度檢查方法的效率和可用性，結合武漢市1∶2 000比例尺DEM數據質量檢查工作進行試驗，圖4中顯示了經本文方法處理后原始DEM數據和檢查點高程誤差分布情況。

圖4中檢查點的顏色根據其高程較差delta的數值大小進行了分類設色，淺色點的檢查點分別代表平地、丘陵地的精度要求；灰色點位代表山地或隱蔽地區的精度要求，出現在平地或丘陵地區域則表示精度可能超限；深色點區域代表精度超過限差要求，需要重點核查原因；箭頭為超限區域連成的多邊形。圖4中高程檢查點存在四處明顯超限區域，經檢查發現，其中兩處為橋梁上點位可以剔除，另一處為河岸落水區域也可以剔除，第四處超限區域即多邊形區域經核查為實地發生地形變化、與地形圖上地形不一致產生超限。經核查可將超限區域點位剔除，其它檢查點參與DEM精度統計表格的自動生成。

圖4　DEM成果及精度檢查結果

4　結束語

本文結合大比例尺DEM數據生產實際，分析現有DEM成果精度檢查方式的問題與不足，針對質量檢查驗收人員工作方法單一、自動化程度不高的現狀，系統地闡述以大比例尺地形圖為基礎、基于FME空間數據處理模型和Python自動化處理腳本的DEM成果精度進行檢查分析和統計的處理技術。通過試驗區檢測結果表明，該方法對DEM數據的精度檢查方法是非常有效的，該作業模式可以顯著提高質量檢查工作的效率，可以廣泛應用于DEM數據生產實踐。此外，DEM精度檢查生成的粗差區域多邊形，經核查后作為地形圖變化區域標識，可用于指導大比例尺地形圖的更新工作。

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［責任編輯：李銘娜］

Research on the accuracy checking technology of large scale DEM data based on topographic map

YU Yongsheng，YIN Yanjun，ZHANG Lin

（Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China）

Abstract：The accuracy of large scale DEM data is the core content of data quality control．How to check the accuracy of DEM data and quickly find the gross area has important significance for improving the quality of DEM data production．With the discussion of current situation of large scale DEM data production and inspection in Wuhan，a method for DEM product accuracy detection and analysis technology is put forward based on topographic map and an FME model of ground point extraction and accuracy detection with ArcGIS templates and python scripts is proposed．The results show this method can improve the quality and efficiency of DEM products accuracy check．It can be widely applied to the production of DEM data．Key words：DEM；accuracy checking；FME；Python；Arc

作者簡介：余詠勝（1979－），男，高級工程師，碩士．

基金項目：國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金項目（PF2013－14）

收稿日期：2014－10－29

中圖分類號：P228

文獻標識碼：A

文章編號：1006－7949（2016）01－0069－04