基于傾斜模型的DEM數據生產方法研究

楊輝輝

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引言

近年來,隨著傾斜攝影測量技術的普及和迅速發展,以及無人機設備的日益先進,無人機傾斜攝影測量廣泛應用于現代測繪行業,已實現傾斜模型數據在大多數市、縣級等地的全區域覆蓋。相對于地形圖、正射影像等傳統測繪產品,傾斜模型數據擁有三維可視化效果好、數據準確性高、應用領域廣等特點。DEM(數字高程模型)是對地形表面形態的數字表達,其在測繪、水文、地貌、地質、土壤、工程建設、通訊等領域有著廣泛的應用。DEM是研究和分析地形、流域、地物識別的重要原始資料,可用于繪制等高線、高程圖、坡度圖、水系圖、立體透視圖等。本文結合實際項目,以OSGB格式的原始傾斜模型為數據資料,討論了基于傾斜模型的大面積DEM數據生產方法[1]。

1 測區概況與要求

作業區域為寧波慈溪市,地處浙東杭州灣南岸,東南接鎮海區和江北區,西南連余姚市。慈溪地勢南高北低,呈丘陵、平原、灘涂三級臺階狀朝杭州灣展開。作業范圍總面積約524 km2。

項目建設范圍如圖1所示。

項目要求建設全域524 km2范圍內的DEM數據,網格尺寸大小1 m×1 m,高程中誤差應符合表1規定。

表1 DEM格網點高程中誤差

2 傾斜模型數據分析

已收集到測區內524 km2的傾斜模型數據,該數據由浙江省質檢站檢驗并出具質檢合格報告[2]。數學精度如表2所示。

表2 原始傾斜模型數學精度

3 DEM數據生產流程

基于傾斜模型進行水系面采集,對每個水面賦予合理的高程值;對傾斜模型進行預處理,包含傾斜模型底部懸浮物刪除和破損水面裁切;將處理過后的傾斜模型,轉換成LAS格式的點云數據,在專業點云處理軟件中,通過自動分類和人工判別篩選出地面真實形態的點云,由地面點云生成DEM數據[3-4];對賦予高程的水系面構TIN,并構建水面DEM數據;DEM數據合、整理、輸出。生產流程圖如圖2所示。

1)使用清華山維EPS軟件進行測區內水系面采集。采集對象主要包括水塘、河流等,所有水系面高程置平,可根據水邊線合理賦予高程值。

2)傾斜模型預處理,使用SVS Model或DP Model等模型修飾軟件對模型底部存在懸浮物進行刪除,如圖3所示;傾斜模型中水面為弱紋理區域,有模型起伏、塌陷或空洞的問題,可以使用模型裁切工具,以水系面為參考矢量,將水面區域裁剪掉,如圖4所示。

3)使用專業轉換工具,將預處理完成后的傾斜模型轉換成LAS格式的點云數據[5],一般設置點云采樣間隔為0.1 m,轉換結果如圖5所示。傾斜模型轉換而來的點云數據有以下特點:轉換便捷、成果可靠;具備可分辨的顏色和紋理信息,可直觀區分出建筑、道路、水系等地物,為可視化編輯提供便捷。

4)對傾斜模型轉化而來的密集匹配點云進行濾波處理提取地面點,是DEM生產的關鍵。本生產流程中利用TIN濾波算法進行濾波處理,濾波算法模型圖見圖6。

通過P點與ΔV1V2V3的位置關系(相對地面三角的高度和地形角)來判斷P點是否為地面點。我們將P點到三角面的距離用d表示,P在三角形ΔV1V2V3面上的投影點記作O,其與地面三角形3個角點的連線產生3個夾角,分別為α1,α2和α3[6]。判斷P點是否為地面點參照式(1)。

d

(1)

其中,Sd為設置的相對高度;Sα為地形角閾值。分類地面點需根據地形特點,如農田區域、廠區建筑和居民地建筑等不同設置不同的閾值。如圖7所示為不同參數下的濾波效果。

5)以水系面矢量和手動賦予的高程值為參考數據,構建水面DEM,如圖8所示。合并水面和其他部分DEM數據,輸出測區內整幅DEM成果。局部DEM成果圖9所示。

4 DEM成果精度檢查

對生產完成的DEM數據成果,在測區范圍內均勻選取30個點位,包含鋪裝路面、農田、房屋院落等位置,通過外業實測RTK點對DEM進行精度檢查[7],精度檢查結果見表3。

表3 DEM精度評定表

5 總結與建議

通過本文的闡述,基于傾斜模型的DEM數據生產過程中,需特別關注以下步驟:

1)傾斜模型中水系面破損嚴重,因此水系面DEM應使用矢量面單獨生成;并預先處理傾斜模型,刪除懸浮物和破損水面模型,減少粗差點。

2)對于大面積建筑覆蓋區域,選擇合適的點云分類參數進行處理,若分類結果不滿足項目設計要求,在三維模型中利用EPS進行高特征點或特征線采集,確保DEM成果的精度[8-9]。

3)對DEM成果進行整體補洞處理,補全水系面與堤岸之間的接邊等區域的漏洞。

6 結語

本文討論了以OSGB格式的原始傾斜模型為數據資料生產大面積DEM數據的方法,該方法結合部分人工編輯和自動化處理,項目周期短、外業工作量少、生產成本低、作業效率高、易于實現。并結合了實際項目生產,驗證了該方法在大面積區域內生產DEM數據的可行性,充分利用了原始傾斜模型數據,為作業區提供更豐富的三維數據。

本次作業區域僅包含建筑房屋區、農田區域、稀疏林地區等,基于原始傾斜模型進行DEM數據生產的可行性分析,從數據特征上而言,由于可見光無法穿透密集樹林,在山地植被密集區DEM數據精度有待下一步研究。