利用DLG数据高效高质量生成DEM的方法研究

戴 腾，周汉华，陈 庆，张 亮，尧志青，郑玉恒

（1. 湖北省测绘工程院，湖北 武汉 430074；2.蔡甸区勘察测绘院，湖北 蔡甸430100；3.湖北省地图院，湖北 武汉 430074）

数字高程模型（DEM）是重要的4D产品之一，应用广泛[1]。数字时代DEM产品生产有更高的要求，比如成本、速度及质量等。DEM制作方法中，利用现有的DLG生成DEM，不需要投入大量设备和人力，成本较低，速度较快，并且容易更新[2]。本文对利用DLG数据生成DEM过程中如何更快速、更好质量的方法进行探索与实验。

1 DLG数据预处理

从等高线生成规则格网DEM一般有2种方式：一是将等高线直接内插形成DEM，二是以等高线上的点作为参考点生成TIN进而内插形成DEM[3]。相比而言，前者比较简单、高效，多适用于区域性的、小比例尺应用，不足是对于很破碎的地形情况，很容易产生地形失真。而TIN模型比较精确，可以适应各种数据分布，能很好地表达不连续的地表数据，清晰地表现地形特征，进而生成质量较高的DEM。本文采用的方式即是这一种。

DEM产品质量控制贯穿于整个数据处理流程[4]。DLG数据预处理是为了提高原始数据质量，保证DEM产品精度。这一过程主要是清理原始数据的粗差、补充重要地形特征细节。

实验数据是恩施测区1︰1万全要素DLG，为e00格式。我们按照代码方案导入软件Geoway先作局部整理[5]：

1）从DLG中提取参与生产DEM的源数据。提取等高线、高程点单独建立terlk层，提取图上面积大于1 cm2的封闭静态水域(本实验动态水不参与)如湖泊、水库建立hydnt层，并根据相邻等高线或高程注记点估读其水涯线高程。

2）曲线连通并补采特征点。对原图上等高线不连续的地方，如坎、陡崖等，需根据实际情况进行处理，能够连接的尽可能连上；重要地貌特征如山头、鞍部、洼地以及弯曲等高线两侧、自由图边的边角等处，根据需要补采高程点并估读其高程值。在CAD中，我们开发了一个半自动的采点程序，即将terlk层数据从Geoway中导出为dxf格式，在CAD中人工判读并选择需要补点的位置，建立人工高程点层rgc层，并根据周围等高线自动给特征点赋值。这种环境下补采特征点非常快速，尤其是需要大量补充特征点的图幅，避免了人工打点又赋值的低效率处理，并能保证赋值的准确性。一般情况下，一幅1︰1万地形图需补采300个重要特征点，5 min就能完成。

3）图层内及图层间的要素检查。将补好点的高程数据再次导入Geoway，利用其质检功能检查水域与等高线、高程点之间关系是否合理、协调，如所有高程点不应该有点线矛盾，属性项与高程信息要正确，水域与等高线不得相交。对于等高线不合理的地方要处理，保证其光滑、实在，无明显打折、自相交，重复数字化及点线要素位移量不能超限。

4）矢量数据接边。保证图幅之间位置接边和属性接边。

5）挑出检测点。从全图原始高程点中均匀挑出28个点不参与构网，仅作为dem精度检查之用。检测点要尽量避开重要特征点。若选取了重要特征点，需在附近位置补采高程点。

2 第二次自动加密点模型和DEM生成

数据在Geoway中整理好后，将其导出为shp格式，并设置好投影。使用Arcgis10工具箱中的“3D Analyst—TIN管理—创建TIN”工具，对话框中加载等高线层、高程点层，分别设置所选择图层的Height Field。这里均用ELEV作为高程属性字段，SF-type类型分别选硬断线和离散点。数据经过前期的预处理，尤其是补采重要特征点这一步，可基本保证构建的TIN在山谷、山顶、鞍部等位置能够很好地逼近真实地形。对DEM产品无太高质量要求下，常规的方法是运用水系面编辑TIN后，直接由ArcGIS自带的线性插值方法转栅格。仔细观察TIN会发现，在等高线弯曲度大的地方，多表现在山脊处有部分小“平台”（其实是多个小“平三角形”），“平台”的高程值与对应生成的等高线高程一致，由TIN反生的等值线可以让“平台”看得更加清晰（图1）。可见，由等高线所表示的山脊在TIN模型中没有被明显地表达出来。为了解决这个问题，必须在“平台”上根据等高线再增加一定数量的特征点。使用手工方式增加特征点，无论在效率方面，还是在完整性、合理性等方面，都是很有限的，因此有必要设计特别的方法自动提取特征点。

图1 “平台”（绿色线：原始等高线，红色线：TIN反生的等高线）

2.1 基于ArcGIS平台TIN自动加密点模型

第二次自动加点模型的原理是在ArcGIS中，基于TIN反生的等高线与原始等高线的差集（主要是“平台”），提取这些差集中所有“平三角形”的面点并赋值。该方法首先求得原始等高线与TIN反生等高线的差集，将差集转面（这里需设置容差，保证距离相差很小的也能构成面），然后单独构TIN，得到TIN_DIFF，再将TIN_DIFF转三角形，最后通过要素转点，获取每个小三角形的中心点。注意，这里差集构TIN没有任何高程意义，其目标是尽可能地保证在平台上增加的点的密度且位置合理。获取这些点的高程的方法是：将原始数据构建的TIN内插成DEM，然后用“值提取至点”初步获取这些点的高程值。很明显，此时同一个“平台”上所有增加的点与对应的等高线等高，为保证地貌的合理性需要抬高这些点，因此对这些点的高程再做一步运算。这里，根据“平台”在两条等高线间的位置，采取在它们已有高程值基础上加半个等高距离以内的随机数的方法。顾及数据等高距及分布特点，针对此实验最终选定的增值范围是[1,3.5]。最后对这些点再做一次点线矛盾检查，保证点值的合理性。此方法所有流程可直接运用ArcToolbox功能，然后运用ArcGIS模型构建器将这些地理处理工具串联在一起形成工作流（图2），并托管中间数据，相当于一个新的综合处理工具。只需要提供参数入口，一键完成，操作起来简单、严密、高效、便捷。

图2 ArcGIS中基于TIN自动加密点模型

如果曲线上的点本身比较密集，可以将很小面积的“平三角”过滤掉减轻计算量。运用此模型，图1中第二次加点效果如图3所示。前后两次补点不仅保证了原始采样点的密度与分布，同时也顾及了地形特征，重新构造的TIN模型能很好地逼近实际地形(图4)。

图3 “平台”自动加的点 图4 第二次加点后的TIN

2.2 DEM生产工艺流程

TIN内插生成DEM后，经过DEM接边、质量检查再提交成果。对于相同的原始数据，不同的内插方法对DEM的精度并无显著影响[6]。鉴于ArcGIS平台提供的线性内插比较常用，也不需要太多的计算量，并能满足精度要求，本数据中的TIN内插DEM均采用了此算法。DEM完整的生产工艺流程如图5[7]。

图5 DEM制作流程

2.3 质量检查

DEM产品的质量检查方法有多种，根据文献[8]的要求，我们采用的是测绘行业最常用的质检软件4Dchecker。在此软件下，导入对应图幅28个检测点的txt文本，对DEM进行精度检查，生成精度检查报告，包括接边报告等。它可以从定量的角度来体现DEM的精度，同时也采用等高线回放方式，即将DEM数据再内插生成等高线与原图等高线进行叠合[9]，定性检查有无偏移超限。实验证明，这种工艺流程制作的DEM每幅图70%的高程点精度在0到1/3中误差之内，满足《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》，且精度较高，产品质量较好。

3 结 语

利用DLG数据生产DEM是最直接也最便捷的方法之一，本文充分发挥相关GIS软件功能，重点研究了既快速又高质量生产DEM的方法。前后对DLG数据进行2次加点来提高数据质量精度，实验证明，这种方法成本低，效率高，数据产品质量好，生产周期快，非常适合大规模DEM生产。不足之处是在自动加点过程中，会有少数“平台”出现，原始TIN反生的等高线与初始等高线套合很好，导致这些“平台”没有加上点，初步判断原因是ArcGIS中TIN反生等值线的算法所致，需要进一步研究。

[1]虞继进.数字高程模型DEM的建立与应用[J].江苏测绘，1999，22(3)：33-36

[2]刘志平，张素华，杜启胜，等．基于ArcGIS的DEM生成方法及应用[J]．地理空间信息，2009,7(5)：69-71

[3]眭海刚，朱庆．一种从DLG生成高质量DEM的混合方式[J].测绘通报，2001(4)：16-18

[4]Carrara A，Bitelli G,Caria R. Comparison of Techniques for Generating Digital Terrain Models from Contour Lines[J].Geographical Information Science，1997，11(5)：451-473

[5]陈艳丽.1∶10 000 DLG生产的质量检查与评定[J].地理空间信息，2011，9(2)：29-31

[6]龚健雅．整体SIS的数据组织与处理方法[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1993

[7]王海龙，艾光辉，万会明. 鄱阳湖湖区及五河七口DEM制作[J].江西水利科技，2011，37(3)：202-204

[8]GB/T 18316-2008. 数字测绘成果质量检查与验收[S].

[9]孙文进.1∶10 000基础测绘DEM制作方法的探讨[J].江苏测绘，2012(1)：27-28