基于Arcpy的DEM生產解決方案

張學儀

(四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，成都 610072)

DEM生產是測繪地理信息專業領域最重要的業務之一。總結了DEM生產項目經驗，針對流域規劃、水域分析和河湖劃界等解決DEM生產中的實際問題，經過試驗和調整，提出了一套較完整的解決方案。流程如圖1所示。

圖1 DEM生產解決方案圖Fig.1 Conceptual drawing of DEM production

1 DEM生產解決方案

1.1 DEM基礎數據

DEM生產方法很多，本研究主要分析其中兩種，即利用激光點云生成DEM，在地形圖中提取高程點及等高線生成DEM。提取基礎數據后，利用Arcpy開發程序集，對基礎數據進行質量檢查，分析基礎數據質量，對有問題的數據進行整改。數據檢查包括以下內容：等高線高程點屬性字段檢查，如是否有低點、錯點或等高線錯值與非整數值等；處理等高線自相交、相交與水系相交；穿雙線水域等高線兩邊拉直，不要有弧度；池塘等高線下水處理、水域遇涵洞與閉合圈處理、房區周圍等高線處理、特征點(鞍部、閉合圈等)處理。

針對DEM生成和后期水面改正，開發了DLG質檢程序集，如圖2所示，主要用于檢查基礎數據資料質量。

圖2 DLG質檢工具集Fig.2 DLG quality control tool set

1.2 構建TIN

TIN的全稱是Triangulated Irregular Network，即“不規則三角網”，也是一種數字模型。TIN文件可表達高程的數字模型，與DEM的區別是矢量，而DEM是柵格。矢量的高程點和等高線轉換為連續面狀DEM高程數據模型則需要插值完成。而插值過程不能直接將矢量插值轉化為柵格數據，應先插值生成TIN模型，再將其轉化為柵格數字高程模型DEM文件。

1.3 三角約束處理

雖然通過特征點線建構TIN生產的DEM質量很高，但TIN數據中通常存在平三角(三角形3個頂點高程相等)。平三角在局部地形，特別是山脊和山谷會出現一些不合理的平坦區域，在DEM反生等高線與已有圖進行套合比對時，兩者差異會出現不符合規范要求的情況，因此需要利用程序來解決。圖3是平三角處理前后反生等高線套合的結果，圖4是TIN編輯處理效果對比圖。

圖3 平三角處理前后反生等高線套合情況Fig.3 Inversion contour nesting before and after flat triangulation

圖4 TIN編輯處理效果Fig.4 TIN editing treatment effect

1.4 DEM水面改正

激光點云生成DEM的過程中，由于一般水面對激光的反射信號很弱，導致水面上沒有激光點，因此生成的DEM上會出現空洞。由于水中有沙灘和漂浮物等，會使激光雷達在水面上的激光點有誤差，令生成的DEM水面變得很粗糙。而由等高線和高程點生產的DEM，在水面區域也會出現類似問題。

對于DEM水面改正這一問題提出微分階梯法，即將水面微分為一段很小的面，認為此水面是水平的，由一個個小平面模擬構成水面。但在實施中發現，微分法會產生很多小面，數據量非常大，即使河流微分化再小，實際水面仍是不連續的階梯平面。

針對此問題提出一種新方法，即斜面法，將河流進行分段處理。河流一般都很長，如果不分段處理，其數據量非常大，程序運行效率很低。且一條大河流在不同區域的特性有差異，分段化是為了區分河流的變化。分段處理完成以后，將分段河流看做是三維空間的一個斜面，在流向方向一直遞增或遞減，使其更符合河流的特性，更切合實際，如表1所示。

表1 算法設計對比Tab.1 Comparison of algorithm design

DEM水面改正程序采用斜面法模型，將流域內水面微分成指定間距的一個個斜面，為保持河流特性，在斜面相交的地方用小三角形斜面連接，用小三角形進行過渡，以解決因不同斜面不共面而造成的誤差及河流倒流等情況，通過斜面方程重新計算流域內水面的格網高程，完成水面改正并計算中誤差。通過參考三維空間的高程數據，計算出該斜面的方程。算法模型概念設計如圖5所示。

圖5 算法模型概念設計示意Fig.5 Schematic map of the conceptual designof the algorithm model

斜面法模型方程為Z=Ax+By+C，主要由離散點擬合平面，利用超定方程：

由BX=L，其最小二乘解為X=(BTB)-1BTL。

程序功能：一是生成斜面。將河流分段，通過用戶采集的水邊線和激光點云，對河流進行分段處理。二是計算斜面參數。在生成斜面后，根據激光點云，生成斜面參數，利用該參數計算斜面內任意一點的高程。三是利用斜面修改DEM。根據計算的斜面參數，對DEM進行修正，將DEM中的水面高程進行修改，計算并輸出DEM成果，如圖6所示。

圖6 水面改正程序實現和運行Fig.6 Implementation and operation of water surface correction program

基于Arcpy程序開發，解決了DEM生產過程中的水域問題，運行效果如圖7所示。

圖7 DEM水面改正效果圖Fig.7 DEM water surface correction effect

1.5 柵格DEM

經過TIN編輯、平三角處理和DEM水面改正，將TIN轉換為成果DEM，再進行相關柵格計算和分幅裁剪，輸出規范的DEM成果。

2 結束語

DEM生產是測繪地理信息中的基礎工作之一，為了高質量、高效率地生產DEM，通過生產項目實踐，利用ArcGIS和Arcpy程序開發，針對實際問題，提出了解決方案。