数字高程模型的制作及应用.doc

数字高程模型的制作及应用RESOURCES/O58论文天地l数字高程模型的制作及应用贾亚红白洁内蒙古自治区测绘院贾亚敬宇文海龙呼和浩特市010020摘要:本文结合工作实践,首先总结概括了数字高程模型(DEM)的制作方法及过程,其次阐述了DEM的质量监控,最后简述DEM在实际生产中面临的问题及在实际生产生活中的应用.关键词:高程模型制作应用研究一,引言信息技术的发展,使地图制图技术发生了根本性的变革.数字化,自动化和智能化成为测绘生产的主要技术手段,测绘基础工作由原来的单一生产模拟地图转变为生产基础地理信息产品."4D"产品技术的应用越来越被重视.它是现阶段技术水平上遥感与GIS相结合的成功之路.4D作为国家基础地理空间框架数据的主产品形式,正逐步替代传统的模拟地图,在国民经济的众多领域得到广泛应用,DEM一数字高程模型作为"4D"产品之一的模块在测绘领域占主导力量,DEM是地理数据库中的核心数据,是进行地形分析的基础,被广泛应用于测绘,遥感,资源,环境,城市规划,农林,灾害,水电工程及军事等领域.二,数字高程模型的简介数字高程模型(DtalElevationMode1),简称DEM.它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型,是数字地形模型(DigitalTer-rainModel,简称DTM)的一个分支,其它各种地形特征值均可由此派生.一般认为,DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子,如坡度,坡向,坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布,其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型,其他如坡度,坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生.DTM的另外两个分支是各种非地貌特性的以矩阵形式表示的数字模型,包括自然地理要素以及与地面有关的社会经济及人文要素,如土壤类型,土地利用类型,岩层深度,地价,商业优势区等等.实际上DTM是栅格数据模型的一种,它与图像的栅格表示形式的区别主要是:图像是用一个点代表整个像元的属性,而在DTM中,格网的点只表示点的属性,点与点之间的属性可以通过内插计算获得.由于地形起伏形态通常是高程来表示的,所以DTM也称为数字高程模型(DEM).如下图所示数字地面模型的真实表现:数宇地面模型论文天地l三,DEM的数据源及采集方法建立DEM的方法有多种.从数据源及采集方式讲有:(1)直接从地面测量例如用GPS,全站仪,野外测量等;(2)根据航空或航天影像,通过摄影测量途径获取,如立体坐标仪观测及空三加密法,解析测图,数字摄影测量等等;(3)从现有地形图上采集,如格网读点法,数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集,然后通过内插生成DEM等方法.DEM内插方法很多,主要有整体内插,分块内插和逐点内插三种.整体内插的拟合模型是由研究区内所有采样点的观测值建立的.分块内插是把参考空间分成若干大小相同的块,对各分块使用不同的函数.逐点内插是以待插点为中心,定义一个局部函数去拟合周围的数据点,数据点的范围随待插位置的变化而变化,因此又称移动拟合法.有规则网络结构和不规则三角网(TriangularIrregularNetwork,简称TIN)两种算法.目前常用的算法是TIN,然后在TIN基础上通过线性和双线性内插建DEM.用规则方格网高程数据记录地表起伏的优缺点.优点:(x,Y)位置信息可隐含,无需全部作为原始数据存储,由于是规则网高程数据,以后在数据处理方面比较容易.缺点:数据采集较麻烦,因为网格点不是特征点,一些微地形可能没有记录.TIN结构数据的优点:能以不同层次的分辨率来描述地表形态,与格网数据模型相比,TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空问和时间更精确地表示更加复杂的表面.特别当地形包含有大量特征如断裂线,构造线时,TIN模型能更好地顾及这些特征.基于lx一4CDPW数字摄影测量系统的不断升级,新版本的lX一4C在向量测图模块中增加了构TIN功能,并能对TIN进行实时编辑,使DEM产品联合高效制作成为可能,TIN是表现地形模型的不规则三角网(triangulat-edirregularnetwork).选择已有向量(dxf,vcr)构TIN后直接生成DEM,因此TIN在系列作业中起重要的桥梁作用.其显着优点是可变的分辨率,即当地表粗糙或地貌形态变化剧烈时,TIN能包含大量的数据点,而在同样大小的区域TIN与规则的格网相比则只需最少的数据点.TIN在GIS中得到普遍使用,特别是在三维可视化方面受到格外关注.1.利用矢量数据创建TIN制作DEM(1)数据源的准备.将已知的外部数据导入,作为相关初值,经过一系列加工后进行DEM的制作.一般常用的外部数据有向量数据.向量数据指在jx一4CDPW软件窗口下直接打开已有的向量文件,删掉不参与相关的向量(如:房屋,高架桥,等级路等高于地面的数据),否则生产的DEM数据会出现非法值与地面产生矛盾.只利用其地貌数据中的等高线,地表高程点,冲沟及湖波,水库等面状的静态水域的水涯线等基本特征线和特征点,关闭无需构TIN的非地表元素基础数据.如建筑类,桥梁类,管线类,地貌中的比高及桥上和双线路上与地面矛盾的高程点,并检查高程点有无异常值和删除在测图过程中产生的废层.为了提高工作效率和DEM的质量,我们将准备好的矢量数据在7x一4CDPW窗口下以三维的形式导出dxf格式,在AutoCAD平台下在山谷和山脊中以捕捉的形式加特征线,然后再把特征线导入到JX-4CDPW窗口下与矢量数据镶嵌到一起映射到立体模型上进行基础数据的检查.注:导入的数据必须带有三维坐标即(x,Y,z),否则在AutoCAD中加的特征线不能使用,在立体模型下检查无误后方可构TIN.(2)检查TIN数据TIN为表现地形模型的不规则的三角网.由于受计算机能力的限制,在立体模型上直接编辑三角网有所困难,作业时一般利用间接的方法进行TIN的编辑,编辑单位以图幅,像对均可,他们中问必须有足够的重叠,在有三角网映射的立体模型上,寻找没有切准地面的三角网点,在此处加测特征点或特征线,同时对特殊区域进行处理,如:水域,森林,人工破坏地貌,湖波等面状静态水域水涯线上的高程值应一致,不能与实地相矛盾.处理完成后以新旧特征点线再次构TIN,映射到立体模型上再次进行编辑,这样迭带数次,直到TIN区域的三角网点全部切准地面.注:此工作必须做到与立体模RESOURCES|059RESOURCES/O60论文天地l型相匹配,若出差错既影响后期DoM的制作而且DEM也得返工,这样我们事倍功半了.(3)DEM的提取利用编辑好的TIN的矢量数据,在jx一4CDPW窗口下DEM图窗口中选择"TIN一提取特征点线矢量"直接内插成(5mX5m)的大区域DEM并保存,一般可将628幅1:1万比例尺的DEM拼成一个大区域.(4)DEM的裁切1:1万标准图幅的DEM解算范围,起止格网点坐标计算公式为:X起=Intmax(xl,x2,x3,x4,)/d+1xdYilii=Intlmin(yl,y2,y3,y4,)/d×dx【E=Intlmin(xl,x2,x3,x4,)/dxdY=Intmax(y1,y2,y3,y4,)/d+1xd式中:xl,x2,x3,x4,yl,y2,y3,y4,为内图廓点坐标,d为DEM格网尺寸ox起,Y起为DEM起始点坐标,x止,Y.为DEM终止点坐标.在jx一4CDPW窗口下打开大DEM利用【命令窗】下的【操作区域】选取外图廓边线进行DEM外裁切.裁切好的DEM必须按国家1:1万标准分幅的图号保存.如K49G079030.dem单图幅DEM必须按规范要求严格接边,接边后不应出现裂缝,重叠部分的DEM值应在DEM要求的限差范围,达到规范精度后方可输出DEM的最后成果.2.利用原始影像生产DEM在没有数据源的情况下,制作DEM时我们完全依据立体模型获取DEM.我们首先要对模型加特征点和线,特征点和线指地表起伏的地貌特征及地形变换处,高差较大的区域也得精确采集与影像一起直接相关出大格网的DEM.注:如果遇到森林或其他植被与周围色差较分明时就必须在此区域加特征线,然后在立体模型下进行TIN的编辑,编辑好后再生产出最终DEM成果.这种方法只针对大比例尺的DEM制作,相对精度较低只适用于公路设计与一般规划所参考.四,DEM在实际生产中优缺点及存在的问题1.DEM生产的优点:在.yx一4CDPW窗口下,直接创建TIN生成DEM不但快捷,方便而且平面精度高.矢量数据经过严格接边裁切,所以DEM无需接边就能达到精度要求.在此窗口下编辑静态水域相当方便,还可以裁切成用户所需的任何大小范围的DEM数据.缺点:在生成DEM前的工作量较大,在修测TIN的重复工作量大,如果大区域DEM制作时,TIN的映射速度慢而且容易死机.如果所生产的DEM数据过大或地貌特征弯曲幅度范围较大时,TIN就无法生成,所以就必须将矢量数据裁切成小面积的初始数据,再将小范围DEM拼接成所需DEM.数据采集较麻烦,因为网格点不是特征点,一些微地形可能没有记录.2.DEM生产中存在的问题目前生产DEM面临的主要问题是影像匹配的可靠性不完善,必须结合人工手段检查DEM在匹配中所产生的粗差进行相关的修改.在输出DEM成果后利用4D软件检测DEM数据时,一个完整的DEM图幅数据中有一个DEM格网点为空数据,这个空数据用人工方法检测不到,而且这个空数据的原因也未发现.有待于进一步研究发现.由于拍摄时间与制作时间不一致,地貌和地形变换有所不同,给外业调绘和内业JX4测图带来了很大的不便,而且造成DEM数据与实地不符.这样DEM的地形体现就缺乏真实性.五,DEM成果的质量控制(1)在JX一4CDPW窗口下,使DEM格网数据映射到单像对模型下,利用人工检测DEM格网点切准立体地面情况.(2)利用4Dchecker软件平台根据等高距,色谱等参数的设置检查DEM数据,检查等高线有无突变情况.(3)将DEM数据反生成等高线与矢量数据进行套合比较,套合差应在1/2等高距范围内.(4)查看DEM接边精度报告,检查同名格网点高程值是否符合要求.(5)格式一致性检查:检查数据文件存储组织,文件格式,文件名称是否符合要求.(6)格网参数检查:检查格网尺寸,起止格网点坐标,图幅范围是否符合国家要求六,数字高程模型(DEM)的主要功能由于DEM是表现地表的坡度,坡向,坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布,其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型,其他如坡度,坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生.其主要功能有:1.DEM是各种非地貌特性的以矩阵形式表示的数字模型,包括自然地理要素以及与地面有关的社会经济及人文要素,如土壤类型,土地利用类型,岩层深度,地价,商业优势区等等.2.实际上DEM是栅格数据模型的一种.DEM描述的是地面高程信息,它在水文,气象,地貌,地质,土壤,工程建设,通讯,气象,军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用.3.由于DEM描述的是地面高程信息,它在测绘,水文,气象,地貌,地质,土壤,工程建设,通讯,气象,军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用.七,数字高程模型(DEM)在实际生产生活中的应用由于DEM描述的是地面高程信息,它在测绘,水文,气象,地貌,地质,土壤,工程建设,通讯,气象,军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用.1.在工程建设上,可用于如土方量计算,通视分析等;在防洪减灾方面,DEM是进行水文分析如汇水区分析,水系网络分析,降雨分析,蓄洪计算,淹没分析等的基础;在无线通讯上,可用于蜂窝电话的基站分析等等.2.在生产中具有广泛的使用价值,从20世纪50年代至今,DEM在测绘和遥感,通信,农论文天地l林规划,土木工程,军事,地学分析等领域都得到广泛而深入的研究.许多行业由于DEM的渗透和应用而发生了巨大的变化.例如:在通信领域,信号传播环境如地形(高山,丘陵,平原,水域),建筑物(高度,分布,数量,材料),植被特征,天气状况等是影响通讯信号质量的关键.3.在其它信息如植被,建筑物等的配合下,DEM常常用来进行各种通讯没施如电台,电视台发射机等的辅助选址,通讯网络的规划设计,移动通讯传播模型校正等.八,结束语本文结合生产实践首先介绍了DEM产品数据源的准备,生产方法,功能及面临的问题和DEM产品在实际生产生活中的应用.再次介绍了结合生产实际对数字测绘产品质量检查和质量控制问题进行了初步探讨.科技的进步推动着测绘数字化,信息化和集约型测绘经济的发展,空问数据框架以基础数字高程模型为地理参考基础信息,地图仅作为次级表现内容的集成成为"地球空间数据框架"的核心.三维数据和以影像为基础的系统之间的结合将产生更逼真的环境表示.影像地图,数字地图等新图种,制图新工艺迅速大量涌现,并得以广泛应用.参考文献林宗坚.我国"4D"产品生产与应用的现"ga_rq#4j】,测绘通报,2()(11.f21王文浜.王铁军.数字测绘产品的质量检查与质量控制U】,测绘工程,200().【3】曹佩尧.航空摄影ion,4量内业技术大纲,208【4】北京四维远见信息技术有限公司,IX一4C数字摄影测量操作手册,2004.【5l中国四维测绘技术北京公司,自动空中三角测量系统,2001.【6黄世德.航空摄影测量学,北京:测绘出版社.1986.【71国家标准:航空摄影及航空摄影测量有关规定.RESOURCES,061