DEM高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方法及應(yīng)用

李月華 孫 超

(1. 北京華為數(shù)字科技有限公司, 北京 100085; 2. 浙江合信地理信息技術(shù)有限公司, 河北 石家莊 050000)

0 引言

隨著航空攝影測(cè)量、地理信息系統(tǒng)(Geograhic Information System, GIS)的迅速發(fā)展,電子地圖[1]具有動(dòng)態(tài)性、交互性和超媒體集成性等特點(diǎn),為電力行業(yè)地圖的使用設(shè)計(jì)提供了一種嶄新的工作模式。而在電子地圖應(yīng)用中,數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)在電力行業(yè)應(yīng)用需求越來越廣泛。

通過航空攝影等測(cè)量手段獲取高精度的DEM,為電力行業(yè)線路選線及線路優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將DEM與數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Mop,DOM)數(shù)據(jù)結(jié)合,構(gòu)建真實(shí)三維場(chǎng)景,可為桿位埋設(shè)、房屋拆遷、樹木砍伐、斷面測(cè)量等電力需求提供科學(xué)依據(jù)。利用DEM地圖進(jìn)行電力線路的選線設(shè)計(jì),一定程度上解決了傳統(tǒng)方式中已有資料陳舊、作業(yè)工期長(zhǎng)、采集數(shù)據(jù)困難、對(duì)環(huán)境保護(hù)不力等問題,可以大量節(jié)約設(shè)計(jì)成本,同時(shí)縮短了勘測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)間[2]。

基于DEM的行業(yè)地圖數(shù)據(jù),在電力企業(yè)及運(yùn)營公司得到了大力推廣使用在空間信息的可視化、電力巡檢和通視分析中發(fā)揮了重要作用。在軟件集成商在結(jié)合電力應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)了地圖DEM的平面和高程基準(zhǔn)不統(tǒng)一問題,依據(jù)在應(yīng)用攝影測(cè)量方法生產(chǎn)DEM過程中,DEM采集使用的立體模型與成果間也往往存在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不統(tǒng)一的問題,如何快速完成DEM坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換,常常給電力需求部門造成困擾。

本文針對(duì)DEM平面和高程基準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題,提出了相應(yīng)的處理方法,同時(shí)通過自動(dòng)化檢測(cè)工具對(duì)轉(zhuǎn)換后DEM精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),為電力行業(yè)DEM地圖應(yīng)用具有重要意義。

1 DEM與電力行業(yè)應(yīng)用

1.1 DEM在電力行業(yè)的應(yīng)用

數(shù)字高程模型,是定義在X、Y域離散點(diǎn)上以高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬。DEM包括平面位置和高程兩種信息,它通過有效的高程采集數(shù)據(jù),來逼真準(zhǔn)確的記錄反映地形表面,是地形信息(地形是一個(gè)嚴(yán)密的三維有序系統(tǒng),高程是地形的基礎(chǔ))的載體。通常所說的DEM是指具有規(guī)則格網(wǎng)間距的高程數(shù)據(jù)集,一般以柵格數(shù)據(jù)的形式表示[3]。DEM地圖采集的方法很多,主要方法是利用航空和航天遙感技術(shù)立體觀測(cè)采集方式,立體觀測(cè)模式是以前視、正視、后視三臺(tái)全色傳感器組成的三線陣推掃式進(jìn)行地形信息獲取[4]。

DEM在電力行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、選址、輸電和配電規(guī)劃等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用,具體包括:

(1)輸電配電規(guī)劃、選線等;

(2)計(jì)算電力工程中挖填土石方量;

(3)在電力領(lǐng)域?yàn)殡娏ρ矙z系統(tǒng)等顯示地形的三維圖形和植被高度;

(4)將地形起伏數(shù)據(jù)與專題數(shù)據(jù)如土壤、土地利用、植被等進(jìn)行組合分析。

1.2 電力行業(yè)應(yīng)用中存在的問題

DEM地圖是電力行業(yè)應(yīng)用分析的基礎(chǔ),但在實(shí)際應(yīng)用中,卻經(jīng)常出現(xiàn)對(duì)DEM地圖的理解不深刻及電力應(yīng)用人員缺乏相應(yīng)的地圖知識(shí),導(dǎo)致地圖無法使用或錯(cuò)誤使用,嚴(yán)重影響分析效果。DEM地圖生產(chǎn)使用過程中的問題大體分為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、時(shí)效性、屬性等問題。以下主要針對(duì)在數(shù)據(jù)應(yīng)用過程中數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不統(tǒng)一問題進(jìn)行研究。

在某個(gè)電力帶狀DEM制作項(xiàng)目中,要求DEM高程中誤差為0.5 m,網(wǎng)格間距為1.0 m,提交成果為2000國家大地坐標(biāo)系,1985國家高程基準(zhǔn)。項(xiàng)目作業(yè)獲取的立體模型成果為WGS84橢球下UTM投影、高程基準(zhǔn)為大地高的立體模型,存在投影不同,坐標(biāo)系不同,高程基準(zhǔn)不同。技術(shù)難點(diǎn)是解決立體模型采集的數(shù)據(jù)與提交的成果間存在的高程基準(zhǔn)和平面坐標(biāo)系統(tǒng)不一致的問題。

2 DEM基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方法

DEM地圖出現(xiàn)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)問題亟待解決。雖然電力行業(yè)應(yīng)用部門對(duì)地圖數(shù)據(jù)能力進(jìn)一步增強(qiáng),也加大了相關(guān)地圖的質(zhì)檢力度,但是由于電力行業(yè)沒有出具相應(yīng)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來統(tǒng)一地圖數(shù)學(xué)技術(shù)的技術(shù)要求。

目前尚未發(fā)布相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),通過與電力行業(yè)的集成商研討共同制定電力行業(yè)DEM地圖的制作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,來解決DEM地圖規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的問題。建議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)編寫工作,形成了一整套標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范[5],對(duì)DEM行業(yè)生產(chǎn)規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化約束,方便地圖提供商快速完成整個(gè)電力行業(yè)規(guī)范、統(tǒng)一、兼容的DEM地圖,從而為提高行業(yè)應(yīng)用分析,優(yōu)化行業(yè)整體精度等提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2.1 思路與方法

總體解決方案是先把目前的立體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到采集軟件中,采集WGS84坐標(biāo)系、大地高的特征線及高程點(diǎn)數(shù)據(jù);通過ArcGIS軟件將特征線轉(zhuǎn)為點(diǎn)文件并保留點(diǎn)的連接關(guān)系;收集當(dāng)?shù)氐目刂瀑Y料計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù),將轉(zhuǎn)換后的高程點(diǎn)通過參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)為1985高程基準(zhǔn)的點(diǎn)文件;將點(diǎn)文件按照已有的點(diǎn)線連接關(guān)系將點(diǎn)重新組成特征線和點(diǎn);生成不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network,TIN)文件,并導(dǎo)出符合要求的DEM柵格成果,通過自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工具對(duì)DEM柵格成果進(jìn)行精度檢驗(yàn),如圖1所示。

圖1 高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換流程圖

2.2 關(guān)鍵步驟

2.2.1數(shù)學(xué)基礎(chǔ)求解

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求,選擇合適的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)(橢球、高程等)信息,本解決方案求其不同橢球和高程基準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。根據(jù)需求和DEM范圍,考慮其均勻分布,共收集22個(gè)控制點(diǎn),控制點(diǎn)為2000國家大地坐標(biāo)系,高程基準(zhǔn)包括大地高和1985國家高程基準(zhǔn)。

(1)平面轉(zhuǎn)換

平面系統(tǒng)由于WGS84橢球與2000國家大地坐標(biāo)橢球參數(shù)基本一致對(duì)轉(zhuǎn)換精度影響有限,同一點(diǎn)在CGCS 2000 橢球和WGS 84 橢球下經(jīng)度相同, 緯度的最大差值約為3.6×10-6″, 相當(dāng)于0.11 mm。這里主要是指橢球參數(shù)的不同而引起的同一點(diǎn)經(jīng)緯度的差異, 給定點(diǎn)位在某一框架和某一歷元下的空間直角坐標(biāo), 投影到CGCS 2000 橢球和WGS 84 橢球上所得的緯度的最大差異相當(dāng)于0.11 mm[6]。可通過ArcGIS軟件將特征數(shù)據(jù)在WGS84橢球下從UTM投影直接轉(zhuǎn)為高斯克呂格投影,并重新將特征數(shù)據(jù)定義為2000國家大地坐標(biāo)系下的高斯投影。

(2)高程轉(zhuǎn)換

高程基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換參數(shù)采用布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型,將WGS84參考框架大地高轉(zhuǎn)換成1985高程基準(zhǔn),七參數(shù)包括1個(gè)尺度變化參數(shù),3個(gè)平移參數(shù)(ΔX、ΔY、ΔZ)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)(X旋轉(zhuǎn)、Y旋轉(zhuǎn)、Z旋轉(zhuǎn))。當(dāng)有3個(gè)或3個(gè)以上公共點(diǎn)時(shí),采用最小二乘法求解七參數(shù)[7],經(jīng)檢查控制點(diǎn)精度滿足數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要求,參數(shù)可靠。

2.2.2高程信息轉(zhuǎn)換

高程基準(zhǔn)不同,需要采用特征線轉(zhuǎn)換的方式。特征線采用立體模型采集的特征點(diǎn)組成,主要為地表的高程點(diǎn)數(shù)據(jù);特征線主要為不能用單一高程點(diǎn)表示的地形地貌,包括:坡腳線、山脊線、道路邊線、溝(渠)頂線、溝(渠)底線等。

(1)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)可以直接通過轉(zhuǎn)換參數(shù)從大地高轉(zhuǎn)為1985高程基準(zhǔn),重點(diǎn)是特征線數(shù)據(jù)的高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方法,制定的轉(zhuǎn)換流程見圖2所示,特征線的局部圖見圖3所示。

圖2 特征線的高程轉(zhuǎn)換

(2)將特征線通過ArcGIS軟件的“要素轉(zhuǎn)點(diǎn)工具”,轉(zhuǎn)為點(diǎn)文件,將點(diǎn)文件添加XY坐標(biāo)并導(dǎo)出。導(dǎo)出的坐標(biāo)文件要保留好點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)的線編號(hào),用于后續(xù)關(guān)聯(lián),見表1所示。

圖3 特征線(局部)

(3)將表中OBJECTID、X、Y、Z值導(dǎo)出,通過七參數(shù)計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的1985高程基準(zhǔn)的高程,并將大地高替換為“85高”。根據(jù)更新高程后的點(diǎn)文件,通過ArcGIS“點(diǎn)集轉(zhuǎn)線工具”重新生成線文件。

2.2.3 DEM重新生成

DEM的制作是通過對(duì)等高線或相似立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(包括采樣和量測(cè)),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插而形成的[8]。DEM生成的過程主要包括:特征點(diǎn)、特征線數(shù)據(jù)導(dǎo)入、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)、設(shè)定網(wǎng)格間距、導(dǎo)出DEM成果、成果檢查修改等內(nèi)容。

(1)創(chuàng)建TIN

利用“創(chuàng)建TIN工具”將轉(zhuǎn)換高程基準(zhǔn)的特征點(diǎn)、特征線導(dǎo)入生成TIN數(shù)據(jù)不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)使用ArcGIS模塊中3D Analyst 生成TIN[9],見圖4所示。

圖4 生成TIN(局部)

表1 坐標(biāo)文件表 單位:m

(2)生成DEM

對(duì)TIN檢查合格后,用TIN轉(zhuǎn)柵格工具生成1.0 m×1.0 m網(wǎng)格的DEM成果見圖5所示。再根據(jù)需求范圍對(duì)DEM成果進(jìn)行裁剪,輸出DEM柵格數(shù)據(jù)。DEM地圖的不同格式可以通過Global Mapper軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,比如提交數(shù)據(jù)格式為*.tif。

圖5 DEM成果(局部)

3 結(jié)果檢驗(yàn)

DEM高程誤差主要通過曲面內(nèi)差得到的DEM成果與實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)間的差異,包括采集的特征線位置、合理性、采集誤差等。 為了能夠快速計(jì)算檢測(cè)點(diǎn)與DEM柵格間的差值,利用Python腳本語言編寫ArcGIS工具來實(shí)現(xiàn)。

腳本代碼如下:

# Import arcpy module

import arcpy

arcpy.CheckOutExtension("spatial")

外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)=arcpy.GetParameterAsText(0)

if 外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)=='#' or not 外業(yè)檢測(cè)點(diǎn):

外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)="檢查點(diǎn)"

DEM柵格數(shù)據(jù)=arcpy.GetParameterAsText(1)

if DEM柵格數(shù)據(jù)=='#' or not DEM柵格數(shù)據(jù):

DEM柵格數(shù)據(jù)="吉林DEM200 m.tif"

精度檢測(cè)表=arcpy.GetParameterAsText(2)

if 精度檢測(cè)表=='#' or not 精度檢測(cè)表:

精度檢測(cè)表="C:UsersAdministratorDesktop新建文件夾123.xls"

# Local variables:

Extract_shp3=外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)

Extract_shp3__2_=Extract_shp3

檢查點(diǎn)__3_=Extract_shp3__2_

Extract_shp3__3_=檢查點(diǎn)__3_

精度檢測(cè)=Extract_shp3__3_

#柵格值提取至點(diǎn)

arcpy.gp.ExtractValuesToPoints_sa(外業(yè)檢測(cè)點(diǎn), DEM柵格數(shù)據(jù), Extract_shp3, "NONE", "VALUE_ONLY")

#添加字段

arcpy.AddField_management(Extract_shp3, "檢查點(diǎn)高程", "FLOAT", "10", "2", "", "", "NULLABLE", "NON_REQUIRED", "")

arcpy.AddField_management(Extract_shp3__2_, "差值", "FLOAT", "10", "2", "", "", "NULLABLE", "NON_REQUIRED", "")

arcpy.CalculateField_management(檢查點(diǎn)__3_, "檢查點(diǎn)高程", "[RASTERVALU]", "VB", "")

arcpy.CalculateField_management(Extract_shp3__3_, "差值", "[檢查點(diǎn)高程]-[Field7]", "VB", "")

# 導(dǎo)出精度檢測(cè)表

arcpy.TableToExcel_conversion(精度檢測(cè), 精度檢測(cè)表, "NAME", "CODE")

通過356個(gè)實(shí)測(cè)高程與DEM成果進(jìn)行高差對(duì)比,計(jì)算得到的高程中誤差為0.22 m,滿足項(xiàng)目要求的0.5 m高程中誤差的要求。

高程中誤差計(jì)算采用公式(1)執(zhí)行。

(1)

式(1)中:M為成果中誤差;n為檢測(cè)點(diǎn)(邊)總數(shù);Δi為較差。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)DEM高程基準(zhǔn)的問題及轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,通過將特征線轉(zhuǎn)為點(diǎn)文件,利用七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型將點(diǎn)的Z值從大地高轉(zhuǎn)為“85高”,利用點(diǎn)、線間的關(guān)聯(lián)關(guān)系重新成特征線,從而完成了高程基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換。采用此方法可以很好地解決利用立體模型生產(chǎn)DEM過程中,因模型高程基準(zhǔn)與成果要求不一致導(dǎo)致的高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換問題。對(duì)電力行業(yè)高程分析提供了有利的技術(shù)支撐。

從電力行業(yè)地圖長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來看,DEM標(biāo)準(zhǔn)能從根本上解決當(dāng)前出現(xiàn)的各種問題。電力行業(yè)需要按照測(cè)繪行業(yè)規(guī)定好DEM的高程基準(zhǔn),為電力的行業(yè)建設(shè)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

2000國家大地坐標(biāo)系越來越廣泛的應(yīng)用,解決了當(dāng)前工程設(shè)計(jì)、測(cè)繪、監(jiān)管等多部門大地基準(zhǔn)不統(tǒng)一問題,對(duì)于電力測(cè)量來說,它能夠符合大地基準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì),有利于地球空間信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,能夠滿足當(dāng)前與未來我國電力測(cè)繪及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)與社會(huì)發(fā)展對(duì)大地坐標(biāo)系的要求[10]。