數字高程模型質量檢驗方法

馮海濤

廣東省國土資源測繪院 廣東 廣州 510500

引言

信息時代到來后，各種的計算機信息技術的應用范圍顯著擴大，信息技術在測繪工作中的應用，加快了測繪技術的信息化、數字化發展，在各種測繪工作的進行中，傳統的人工測繪已經被3S技術所取代，甚至出現了一些數字測繪技術。數字高程模型實際上屬于一種4D產品，在測繪工程領域，經由數字高程模型的高質量構建，可更為直觀地反映地面空間形態。正是因為數字高程模型的這一特點，使得其在軍事、航空等領域都有著無可比擬的價值，但為有效發揮其價值，做好數字高程模型的質量檢驗尤為關鍵。

1 數字高程模型的基本概述

數字高程模型在測繪工程領域的出現頻次較高，其英文為Digital Elevation Model，也就是DEM，其中包含了規則格網點的平面坐標與高程坐標所構成，從本質上來看，數字高程模型實際上也就是區域地形在模型中的數字化呈現。現階段，隨著技術的不斷進步，測繪領域應用了越來越多的現代化技術，DEM顯然已經成為空間信息系統中的重要構成部分，在氣候、土壤監測、地質災害預警等方面都有著重要的作用[1]。就現階段的DEM建立來看，可采用多種的方法，如果從數據源和采集方式的角度來分析，可直接利用GPS、全站儀等開展地面測量；也可采用攝影測量的方式；如果從現有地形圖中進行相應的數據采集，本質上就是通過矢量化來自動生成DEM。但在DEM的建立過程中，不論采用的是哪種方式，其檢驗結果并不會存在明顯的區別。

2 DEM數據的數據格式及結構

就我國國內關于DEM數據的格式，更多地以文本和柵格為主，從數據結構的角度，包含了元數據、頭數據、數據體，其中，元數據是對數據所做出的基本的定義，并描述了數據本身的基本特點，包含對數據內容、質量和其他各種特征的描述，人們可通過元數據來對數據有更為深刻的理解，指導后續的數據應用，只有在元數據基礎上，數據共享的目標才能實現；頭文件中全部為文本類型的文件，這些文件詳細記錄了DEM數據的生成的過程和與之有關的信息，比如，包含格網的起始點坐標、格網間距和行列數，數據格式是決定頭文件內容、格式的直接因素，在不同的數據格式下，頭文件格式、內容也存在一定的差異；數據體是依據一定的行列順序對格網點高程值所產生的，BIL格式的數據體以二進制文件的方式存在，而其余格式的數據體則全部以文本文件的方式存在[2]。

3 數字高程模型質量檢驗內容與要點

3.1 成果格式檢驗

就當下數字高程模型的應用情況來看，其格式有多種，比如，國標（GB/T17798-2007《地理空間數據交換格式》）、ASCII、ARCGRID、BIL多種，其中，國標和ASCII從根本上看為文本格式，當配置了文本編輯類軟件時，可直接打開這些文件進行瀏覽，文件中存在有頭文件相關的內容、數據體信息，數據體中詳細記錄了格網點高程值，且這些高程值并非混亂排列的，而是依據相應的次序來規范存在的，不同高程值之間采用空格分隔開來。在ARCGRID格式的DEM中，其中有2個文件夾：info、數據體文件夾[3]。在數據體文件夾中，包含的文件類型相對較多，但不論是哪種類型的數據體文件，全部都采用的是二進制碼，只有配備了專門的軟件，這些文件才能夠被打開。BIL格式下為沒有經過壓縮存儲的，可用于遙感影像數據格式的二進制文件，可以以行為基準，依次對每個波段、每一列的像元信息加以存儲，數據體同樣為二進制文件。

不論是哪種類型的DME數據，其中都包含有頭文件、數據體文件，但即使如此，格式間的頭文件項、內容存在著一定的差異，如果要滿足不同格式之間相互轉換的要求，一般要利用Arc Map軟件來完成。

即使DEM成果在格式方面存在一定的區別，但是其頭文件內容核心部分卻存在著高度的相似性，附加內容部分也存在一定的差異，這些差異往往是因為國內外商用或者專用軟件存在著算法方面差異所引起，即使他如此，這些差異也都屬于正常現象。頭文件與數字正射影像成果中的部分文件高度一致，在對數字高程模型開展質量檢驗的過程中，有關人員要對不同格式下DEM數據中的同頭文件、數據體文件內容等有清晰的了解，只有如此，才能夠在質量檢驗的過程中快速發現錯誤并進行相應的處理[4]。

每一種格式的DEM數據各有各的特征，總體上看，DEM成果的存在格式，不僅與國家的建庫需求有著緊密的聯系，更與現行的行業環境、工序流程息息相關。相比較而言，文本格式的直觀性較強，在將該文件打開以后，關于DEM的各項指標可直接獲得，這種特點使得在大比例尺的數字高程模型中，文本格式的應用相對較多。現階段的測繪技術日漸進步，數字測繪地理信息取得了顯著的發展成效，在這一發展趨勢下，Arc Map的應用范圍顯著擴大，也進一步刺激了ARCGRID格式的流行，對于1∶10000～1∶5000的基本比例尺，國家、省級基礎測繪項目、大型數據庫建設中的數字高程模型而言，這種格式更為適用。

3.2 起始點位置正確性檢驗

因為關于DEM數據的格式有著多種類型，在開展數字高程模型的檢驗過程中，同樣需加強起始點位置的檢驗。格式存在差異的DEM數據，其起始點位置也會存在或大或小的區別，起始點位置是否正確，直接會影響到柵格質量檢查。根據DEM在測繪領域的應用，其成果從根本上來看是對地面規則格網點高程信息描述的集合，為了給質量檢驗提供便捷，人們往往會依據一定的算法，將相應的數據以暈渲或者柵格影像的方式呈現出來，經由這種處理和呈現方式，檢驗人員在開展質量檢驗的過程中，可輕易得到每個格網點的平面、高程等信息，也就可判斷起始點、數據裁切范圍是否能夠滿足相應的規定[5]。

如果在測繪工程領域面對的1∶500～1∶2000比例尺的DEM成果，一般直接為50cm×50cm正方形分幅，將圖廓作為分界點來進行裁切處理，在此過程中不存在任何的外擴現象；圖幅文件命名為圖幅左下角坐標；數據起始點不論是處于左上角還是左下角，均可利用圖號與格網尺寸相結合的方式來進行相應的計算，在得到了計算結果以后，再將其與實際的數據加以對比。針對1∶5000～1∶50000的DEM成果，以國家基本比例尺進行分幅與編號，如果為梯形分幅，在外接矩形并外擴以后來進行圖幅范圍的確定，在這種情況下，只需要配備相應的檢查軟件，就可實現自動對比與檢查。

在實際的質量檢驗過程中，可能會出現大比例尺成果起始點選擇錯誤的現象，比如，直接將左上角格網中心位置作為角點位置，或者直接將左下角格網角點作為格網中心，因為起始位置選擇的錯誤，每個格網點存在著明顯的偏移，在這種情況下，每個高程值都是經由平差計算或者內插以后所得到的，不是數據體中關于格網點或者高程的描述。

因此，在對數字高程模型開展質量檢查的過程中，必須要保障起始點位置的正確性，否則，可能會導致在測繪工作中出現一定的偏差。

3.3 高程精度檢驗

在數字高程模型的質量檢驗中，高程精度檢驗尤為重要，高程精度能否滿足實際的檢驗標準，將會影響到最終的測繪精度。針對高程精度的檢驗，在具體的檢驗工作進行中，應從多個方面，選擇不同的檢驗方法，來得到相對可靠的檢驗結果。通常情況下，數字高程模型成果的高程精度檢驗，要從高程中誤差、與矢量數據套合差、同名格網點高程值來進行。

3.3.1 高程中誤差。根據當下關于數字高程檢驗的相關規范和標準，其中對于高程精度檢驗做出了明確的規定，為保障檢驗工作的高效開展，在具體的檢驗工作進行時，要嚴格遵守這些規定。但實際情況是，在不同比例尺、不同成果的高程精度檢驗時，應結合實際情況來確定檢測點數量，并選定恰當的檢驗方法。

對于1∶500、1∶1000、1∶2000的大比例尺數字高程模型成果而言，其圖幅面積相對較小，在開展質量檢驗的過程中，要注意對其中的一些特殊性因素加以考慮，比如，城市建筑群的密集程度等，如果在檢驗的過程中無法達到選點標準，就需要適當擴大檢測點的統計范圍，比如，在條件允許的情況下，可將圖幅向四周延伸，形成2幅圖或者4幅圖或者更多圖幅，在這種方式下，符合同一區域網、同一測區或者相同地形類別圖幅精度相一致的要求。對于1∶5000～1∶50000的中小比例尺DEM成果來說，如果測繪區域位于青海、新疆等沙漠分布地區，在質量檢驗的過程中要注意對沙漠因素的分析，而如果處于南方地區，則要考慮水文或者植被因素，出于這些方面的因素考慮，在質量檢驗的過程中要嚴格對檢測點的數量加以控制。

高程精度質量檢驗的過程中，檢測點的選擇要注意以下幾個方面：①高程檢測點從本質上來看屬于內插點，高程中誤差應根據格網點高程精度的1.2倍來開展相應的計算；②如果點超過了2倍高程中誤差，則是粗差，粗差比例應在5%以內，2倍以內的誤差值需計入精度統計的范疇。

3.3.2 套合差。數字高程模型中的質量檢驗，也應該包含套合差檢驗，套合實際上是將DEM數據以暈渲或者反生成等高線的形式顯示時，與其他檢核參數開展的套合檢查。比如，適量DLG、三維特征點線。在具體的檢驗工作進行時，一旦套合差不超1/2等高距，不做處理即可；但如果處于1/2到1個等高距之間，需對相應的數據加以檢查和調整；超過1個等高距的情況下，意味著DEM成果不符合要求。這種套合在標準、規范及等傾斜區域應用時，可得到相對可靠的檢驗結果，但從我國實際的地形地貌特征來看，地形地貌非常復雜，呈現出不規則的特征，部分地區的等高線較為稀疏，但一些地區的等高線密集，這就使得在開展套合檢驗的過程中，很難得到相對有效的結果。此外，DEM在生產的過程中，可能會出現特征點線采集的密集度不夠，反生成的等高線和暈渲是根據離散格網點高程推算出來的情況，針對這些條件下所得到的結果，由于與地面情況無法保持高度的一致性，在開展套合檢驗時，難度較大。

如果與矢量數據套合以后依舊無法達到對DEM套合差檢驗的要求，可恢復立體模型并與DEM數據疊加，在此條件下開展套合檢驗。對于大比例尺的DEM，特別是平坦地區的DEM，在該地區內的等高線分布較少，其中的很多圖幅更多的是用高程點來進行區域地形特征的呈現的，在這種情況下，開展套合差檢查時，不僅可以以暈渲的方式來檢查，更要將DEM反生成等高線與矢量來開展套合檢查。

4 結束語

高程數字模型的建立中，很多因素都會影響其建立成果，為提高高程數字模型的質量，相關人員在開展測繪工作的過程中，要結合實際需求，按照相應的質量檢驗規范，選擇恰當的檢驗方法，提高質量檢驗結果的有效性。