基于地理國情普查中DEM精化技術方法研究

熊淑雅+索菲+王寶

摘 要：通過對已有DEM、DLG數據的分析，研究了一套基于ArcGIS、PixelGrid以及MapMatrix平臺快速生成多尺度數字高程模型的工藝流程，并針對不同方法制作DEM的效果進行了實驗和分析討論，得出了具體的結論和成果。對大批量快速制作不同尺度的DEM提供實用的參考價值和制作方法。

關鍵詞：DEM；DEM精化；多尺度；坡度分析

DEM是對地形地貌的一種離散的數字表達，是對地面特性進行空間描述的一種數字方法、途徑，它的應用可遍及整個地學領域。

1 數據源分析

基于已有5米格網DEM進行精細化生產相對簡單，但只適用于單幅坡度小于45°且占比達到80%以上面積的圖幅，因此在決定采用哪種數據源之前需要做好坡度分析工作。

利用ArcGIS空間分析工具Spatial Analyst對DEM進行基于單元的GIS運算，即坡度分析。坡度分析完成后，單幅坡度45°以下，且面積的占比達到80%的圖幅，就可以直接利用ArcGIS軟件中的柵格處理模塊（Raster Processing），對已有DEM成果數據（即5米格網DEM）進行格網重采樣（Resample）為2米格網DEM成果，采樣方式一般采用雙線性內插算法（BILINEAR）。

坡度45°以下且面積占比未達到80%的圖幅，需要基于DLG數據源進行DEM精化，所用的軟件除常用的ArcGIS外，還有MapMatrix和PixelGrid。利用PixelGrid中的批量拼接和接邊功能，將DEM數據在PixelGrid里打開后，同時開啟對應的等高線（等高距可選擇），參照等高線和對應DEM對接邊處進行修測。MapMatrix在控制地形、處理地形細微處和地形變換頻繁突兀處可以保證數據成果的精度。

2 基于DLG生產DEM

基于DLG數據源進行DEM生產時，一般原理是在 1：10000數據庫中選取其中的等高線、高程點、水系等要素以及已有的地形特征數據，對選取要素進行編輯、拼接、分幅裁切，然后按照統一設計的2米格網大小，采用合適的數學內插方法生成DEM。

2.1 基于ArcGIS快速生產多尺度數字高程模型

針對本次地理國情普查項目的進度要求，快速制作DEM采用了兩種試驗方法：一是利用ArcGIS模塊中的 3D分析工具（Raster Interpolation）；二是在航天遠景（MapMatrix）中通過加適量特征線快速制作DEM。利用ArcGIS的Raster Interpolation分析工具選取等高線、水系、高程點以及沖溝、陡坎等方向線，設置適當的參數，運行Topo to Raster命令生成指定格式的DEM成果數據。此法簡單、易行且做出來的DEM整體精度高、過渡平滑美觀，但因為本次數據源缺少特征線，導致生成的DEM在地形細節方面（主要是地形變換突兀處、微地形處）套合精度較差，且一次不能處理太大范圍。

2.2 基于MapMatrix快速生產多尺度數字高程模型

在航天遠景（MapMatrix）里操作相對簡單，只需取用三維等高線數據，加適量特征線和控制線即可。基于等高線生成DEM的步驟為：

（1）在“MapMatrix-特征采集處理專家”文件新建特征文件，生成*.fdb文件，設置工作區屬性，導入*.dxf文件。導入數據后進行矢量外包，全屏顯示，將數據范圍設置為當前工作范圍。

（2）使用平行移動工具，對現有數據進行平行線操作，在原等高線正負向0.2米距離處生成一對平行線，給定不同的圖層和色值，輸入對應高程值（與原等高線0.5米高差）。數據操作完成后，統一檢查修改平行線相交處、地形漏繪處以及等高線接邊。

（3）地形復雜區域，利用畫線工具沿著山脊和山谷添加特征線。

（4）導出數據“圖號.Dxf”，利用小程序把*.dxf轉成*.dem，設置X、Y間距（2米）。

（5）在MapMatrix界面下，利用工具 DEM轉換，把*.dem輸出指定的格式。反生等高線進行檢查若有粗差或套合超限處，重新進入“MapMatrix-特征采集處理專家”進行處理，直至滿足要求為止。

使用上述方法生成的DEM具備如下優點：

（1）DEM反生的等高線與原始DLG套合精度極高，且地形細微處的表現很細致。

（2）數據整體質量好，等高線自然平滑。

（3）制作過程簡單、快捷且數據檢查、修改起來方便、易行。

3 實例驗證及分析

3.1 坡度分析

首先選取實驗圖幅I48G006001，基于已有5米DEM數據成果做坡度分析，分析結果主要用于選擇DEM精化的方法。具體分析工作在ArcGIS Spatial Analyst中進行，主要分為三步：基于Surface的坡度提取（Slope）；基于Reclass的坡度分級（Reclassify），以45°為界分為兩級；基于Conversion Tools的柵格轉面（Raster to polygon），用于統計坡度級別面積的占比。以45°為分界點進行面積占比統計，結果如下所示。

3.2 基于DLG生產DEM的兩種方法比較

第一種方法是利用ArcGIS模塊中的3D分析工具（Raster Interpolation），選取DLG數據中的等高線、水系、高程點，設置適當的參數。

第二種方法是利用MapMatrix-特征采集處理專家，導入DLG數據中的等高線，添加控制線和特征線，運行過程如圖所示。

圖中白線為原始等高線數據，兩側的紅綠平行線為地形控制線，黃線為特征控制線，通過這種方法做出來的DEM既與實際地形的符合程度很高，又很好地保留了細部特征。以上兩種方法生成的DEM結果對比如下：endprint

從圖5可以看出方法二生成的DEM地形細部特征和局部套合明顯優于方法一生成的DEM成果，由此也驗證了上述提到的基于MapMatrix快速生產多尺度數字高程模型的優點。

3.3 DEM精化數據接邊

DEM批量數據制作好后，直接在PixelGrid打開DEM，進行拼接和接邊操作。數據拼接前注意統一所有DEM的坐標投影系統，每幅圖除了給定大地基準、投影與分帶，還要定義高程基準，以便正確拼接和檢查修改。DEM拼接好后，開啟對應的圖幅結合表和等高線，參照5米等高距對應的等高線和成果DEM對圖幅接邊處進行檢查和修測。針對不同期數據的接邊，此方法立顯直觀、快捷，且接邊后的數據過渡平滑、美觀、精度高，能做到隨時檢查修改。

3.4 DEM精化數據處理及裁切

針對數據不滿幅的情況，零值的處理顯得尤為重要。不同期數據拼接好后，無值區可能會顯示多種不同的值，為了正確顯示圖像，需統一處理。

3.5 DEM精化問題處理

在等高線套合差檢查過程中發現在山區陡崖等位置，不論基于已有DEM重采樣還是基于DLG精細化處理的DEM成果，其反演的等高線與DLG成果中的等高線套合差較大，有橫穿等高線現象，經分析原因是因為柵格化后的DEM格網空間大小為2米，而陡崖等區域原始的等高線之間的距離間隔遠小于2米，反演后的等高線無法準確反映該區域的三維地形信息，這些區域不做檢查依據。原則上每幅DEM起止點坐標必須位于起止像素的中心點，發現有不滿足要求的圖幅（非滿幅或通過已有DEM重采樣），可以通過重采樣的方式對拼接好的DEM整體做角點坐標的適當調整，從而達到單幅裁剪后滿足起止點坐標位于像素中心點的要求。

4 結語

通過實驗檢測了本文設計的一整套DEM精化方案，充分發揮了相關軟件（MapMatrix、ArcGIS、PixelGrid）的優勢，著重研究了利用DLG快速批量生產DEM的作業方法。生產過程中通過添加適當特征線來提高DEM數據質量精度，實驗證明，這種方法投入低、效率高、數據產品質量好且生產周期快，非常適合大規模DEM生產。不足之處是目前的特征線是手工添加的，存在人工判斷的誤差，導致特征線添加遺漏或冗余的情況出現，在特征線的自動化判斷和添加方面需要進一步研究。

參考文獻

[1] GDPJ 08-2013《多尺度數字高程模型生產技術規定》.endprint