基于ArcGIS內(nèi)插法生成DEM參數(shù)設(shè)置淺析

陳磊

摘 要：DEM數(shù)據(jù)是各種地學(xué)分析、工程設(shè)計(jì)和輔助決策的重要基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。由于數(shù)據(jù)獲取方式不同，生成算法各異，生成DEM的方法也很多，而最常用的是以地形圖為數(shù)據(jù)源生成DEM的方法。文章通過直接內(nèi)插方法（運(yùn)用ArcGIS中的TOPOtoRaster實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)稱TOPO法）生成DEM的相關(guān)參數(shù)對(duì)比，淺析相關(guān)參數(shù)設(shè)置對(duì)生成DEM的影響。

關(guān)鍵詞：DEM；內(nèi)插；參數(shù)

中圖分類號(hào)：P283.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）27-0061-02

1 概 述

數(shù)字高程模型（DEM）是新一代的地形圖，地貌和地物不再用直觀的等高線和圖例符號(hào)在紙上表達(dá)，而是通過儲(chǔ)存在磁性介質(zhì)上的大量密集的地面點(diǎn)的空間坐標(biāo)和地形屬性編碼，以數(shù)字的形式描述。DEM以數(shù)字的形式按一定的組織結(jié)構(gòu)組織在一起，表示實(shí)體地形特征空間分布的模型，是地形形狀大小和起伏的數(shù)字描述。

由于生成DEM的數(shù)據(jù)獲取方式不同，生成算法各異等原因，DEM的生成方法很多。本文將淺析以topo法生成DEM其相關(guān)參數(shù)設(shè)置對(duì)生成DEM的影響及如何設(shè)置參數(shù)的取值使得生成的DEM質(zhì)量更高。

2 直接插值法的輸入數(shù)據(jù)類型

2.1 點(diǎn)高程（POINTELEVATION）

點(diǎn)高程指每個(gè)點(diǎn)代表表面高程的點(diǎn)特點(diǎn)組。在直接插值法中，對(duì)于每個(gè)柵格只使用4個(gè)輸入數(shù)據(jù)生成，其余的多余數(shù)據(jù)一律忽略。并且系統(tǒng)在處理時(shí)最多可能使用nrows×ncols個(gè)點(diǎn)。其中，nrows是柵格行數(shù)，ncols是列數(shù)。

2.2 等高線（CONTOUR）

等高線是代表海拔等高的線。其算法是首先根據(jù)等高線的曲度確定表面的形態(tài)，然后貫穿以等高線作為數(shù)據(jù)源的海拔信息。其存放的是等高線的海拔。

2.3 河流（STREAM）

河流位置的線特點(diǎn)組，其所有弧必須被存儲(chǔ)為對(duì)點(diǎn)順流。該特點(diǎn)組應(yīng)該只包含唯一的弧段河流。有分支的河流或僅使用弧代表的河流都不能得到正確的結(jié)果。

在系統(tǒng)處理過程中，河流數(shù)據(jù)處理的優(yōu)先級(jí)高于點(diǎn)或等高線數(shù)據(jù)，因此當(dāng)高程沖突的時(shí)候，位置位于河流上的點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)被舍棄。河流數(shù)據(jù)是增加另外的地形學(xué)信息的一個(gè)強(qiáng)有力的插值方式，更加進(jìn)一步保證DEM的產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 洼地（SINK）

洼地是代表已知的地形學(xué)下沉的點(diǎn)特點(diǎn)組。Topo法對(duì)柵格不會(huì)試圖從分析取消任何明確的已知點(diǎn)被判定為洼地。其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的是已知的正確合理的洼地高程。如果在一個(gè)柵格內(nèi)沒有任何其他數(shù)據(jù)而只有洼地?cái)?shù)據(jù)時(shí)，這個(gè)點(diǎn)才會(huì)被采用。

2.5 邊界線（BOUNDARY）

邊界線是一個(gè)特點(diǎn)組包含代表柵格的外面界限的一個(gè)唯一的多邊形。邊界線以外的區(qū)域?qū)⒅苯颖幌到y(tǒng)判定為無數(shù)據(jù)（NoData）。

2.6 池塘湖泊（LAKE）

池塘湖泊是一個(gè)描述面狀信息的多邊形。當(dāng)有的柵格位置位于這個(gè)池塘湖泊內(nèi)，則這些柵格內(nèi)的所有點(diǎn)高程值會(huì)被賦予沿著池塘湖泊邊界的最小高程值。

3 TOPO法生成DEM的參數(shù)設(shè)置

3.1 DEM分辨率（Outputsurfaceraster）

最佳網(wǎng)格尺寸確定是建立DEM的關(guān)鍵問題。目前我國(guó)針對(duì)數(shù)據(jù)源—地形圖比例尺的不同，已有一套與之相對(duì)的DEM分辨率，故在此不再討論。

3.2 系統(tǒng)計(jì)算迭代次數(shù)（Maximumnumberofiterations）

系統(tǒng)計(jì)算迭代次數(shù)是用來設(shè)置插值法迭代的最大數(shù)字。一般說來，迭代次數(shù)應(yīng)該是一個(gè)大于0的數(shù)字。在ArcGIS軟件中，其默認(rèn)的數(shù)值為40，是為了更好地充分利用等高線數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算迭代次數(shù)取20以下的值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)生成較多的小土坎和溝道，但是這些小土坎和溝道往往不是真實(shí)地形上的，而是系統(tǒng)在局部?jī)?nèi)插時(shí)判定的。

當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算迭代次數(shù)取30時(shí)，有可能清除少量河流信息，而當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算迭代次數(shù)取到45～50時(shí)，系統(tǒng)會(huì)設(shè)置更細(xì)膩的小土坎和溝道。只有達(dá)到了預(yù)設(shè)的系統(tǒng)計(jì)算迭代次數(shù)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)算停止，并生成相應(yīng)的DEM。

當(dāng)?shù)螖?shù)從30～50，雖然在河流流經(jīng)地區(qū)DEM有變化，但是變化非常小，所以迭代次數(shù)在30～50內(nèi)都能很好地生成DEM。但是在生成過程中不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)螖?shù)越大，較迭代次數(shù)比較小的值時(shí)系統(tǒng)在生成DEM的耗時(shí)急劇增加，所以選取較大的迭代次數(shù)已經(jīng)沒有必要。如圖1所示。

3.3 粗糙度懲罰（Roughnesspenalty）

粗糙度懲罰是一個(gè)衡量，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)生成DEM時(shí)，某些要素合并及派生的曲率的參數(shù)因子使流水地貌特征及其突變得到有效反映。

當(dāng)系統(tǒng)生成DEM時(shí)，某些要素密集，落差大的地區(qū)擬合欠妥，此時(shí)就需要對(duì)這些地區(qū)進(jìn)行剖面曲率處理以使其能更好地體現(xiàn)真實(shí)地表起伏。系統(tǒng)推薦的取值范圍是比0大的數(shù)，當(dāng)主要以等高線數(shù)據(jù)類型進(jìn)行插值計(jì)算時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)取值為0，當(dāng)主要以高程點(diǎn)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行插值計(jì)算時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)取值為0.5，并且強(qiáng)烈建議不能取更大的數(shù)。以TOPO法生成DEM的主要數(shù)據(jù)類型是等高線數(shù)據(jù)，所以取值為0～0.8。

在此，在取值范圍0～0.8內(nèi)，分別以0，0.1……0.8賦值，得到相應(yīng)的DEM，用數(shù)字化的高程值為真實(shí)高程值，與生成DEM相應(yīng)點(diǎn)的模擬高程值相比較，分別計(jì)算其平均誤差和均方差，誤差越小，DEM模擬效果越好，則表明系數(shù)取值越佳。

經(jīng)過探究可知，實(shí)驗(yàn)區(qū)的地形越陡峭，起伏度越大，相應(yīng)的粗糙度懲罰系數(shù)應(yīng)取較大的數(shù)值，反之亦然。可以認(rèn)為，地貌特征突變?cè)娇欤綇?fù)雜，就越需要進(jìn)行剖面曲率處理。所以，不同地區(qū)地形數(shù)據(jù)在用TOPO法生成DEM時(shí)，粗糙度懲罰系數(shù)的選取是不同的。應(yīng)當(dāng)選取適合本區(qū)域的粗糙度懲罰系數(shù)。

3.4 剖面曲率粗糙度懲罰（profilecurvatureRoughnessp

enalty）

剖面曲率粗糙度懲罰是一種局部自適應(yīng)懲罰，可以部分替代總曲率。一般情況下取值越高，生成DEM質(zhì)量越高，但高取值參數(shù)會(huì)導(dǎo)致較差的收斂性和不穩(wěn)定性。系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置為0，即沒有剖面曲率，設(shè)置為0.5為較平滑剖面曲率，最大值取值為0.8。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于平原地區(qū)，參數(shù)設(shè)置高低對(duì)生成DEM影響不明顯，而對(duì)于地形陡峭，起伏度高的山地地區(qū)，則應(yīng)設(shè)置參數(shù)相對(duì)較大。因本參數(shù)取值原則類似于粗糙度懲罰，在此不再贅述。

3.5 離散化錯(cuò)誤因子（discreteerrorfactor）

當(dāng)把輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一個(gè)柵格時(shí)，離散化錯(cuò)誤因子用來調(diào)整平滑的數(shù)量。此值一定大于0。正常的調(diào)節(jié)值域是0.5～2.0，缺省值是1.0。賦值越小導(dǎo)致更少的數(shù)據(jù)光滑，當(dāng)離散化錯(cuò)誤因子取的越大，表面越光滑。但是，并不是說DEM表面越光滑效果更佳。因?yàn)殡x散化錯(cuò)誤因子取值過小和過大都有可能造成DEM與真實(shí)地表高程有一定偏差。所以，一般取系統(tǒng)默認(rèn)值1為離散化錯(cuò)誤因子系數(shù)。如圖2所示。

3.6 垂直標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤（verticalstandarderror）

如果數(shù)據(jù)包含顯著的有單一變量的隨機(jī)垂直錯(cuò)誤，把這個(gè)參數(shù)設(shè)置為錯(cuò)誤的標(biāo)準(zhǔn)偏差。垂直標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤變量一但賦值，那么系統(tǒng)在用TOPO法生成DEM時(shí)，會(huì)將賦的這個(gè)值作為垂直錯(cuò)誤標(biāo)準(zhǔn)偏差，并糾正這個(gè)錯(cuò)誤。所以當(dāng)數(shù)據(jù)不包含顯著的有單一變量的隨機(jī)垂直錯(cuò)誤時(shí)，若參數(shù)賦值，其生成的DEM會(huì)失真，故一般情況對(duì)于此項(xiàng)參數(shù)不賦值。

4 結(jié) 語

TOPO法生成的DEM在總體高程吻合度高，在加入了水系數(shù)據(jù)后，配合合適的參數(shù)設(shè)置，使流水地貌特征及其得到有效反映。而且TOPO法生成DEM工作量小，減輕了工作壓力。

除此之外，由于TOPO法自身內(nèi)插方法的特點(diǎn)，使這種方法在建立DEM時(shí)能達(dá)到更高的精度要求，可通過等高線回放檢測(cè)。鑒于以上對(duì)相關(guān)參數(shù)取值的分析比較，對(duì)選取合適參數(shù)來建立DEM有所啟發(fā)。如建立高程起伏度大，地勢(shì)復(fù)雜陡峭地區(qū)的DEM，根據(jù)地形特征，粗糙度懲罰系數(shù)隨地勢(shì)的起伏取值逐漸增大。增加迭代次數(shù)，輸出DEM可得到改善，在硬件允許的情況下取較大的系統(tǒng)計(jì)算迭代次數(shù)。

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