基于摄影测量数据的数字高程模型的构建

张一飞 杨 毅

（西安煤航信息产业有限公司，陕西 西安 7110054）

数字高程模型（DEM）是在测绘工作中，利用密集地形特征点坐标（x，y，z）形成的数字曲面集合来表达地面起伏形态的一种实体地面模型［1］。由于DEM是一种利用数值有序阵列表示地貌信息的方法，通过DEM模型的建立，可以按照用户需求计算土方量、空间距离、覆盖面积等，还可以提取各种地形参数，包括坡度、坡向、粗糙度等。此外，基于DEM水文分析，可以对区域汇水量、降雨影响程度、淹没程度等进行分析，对防洪减灾方面提供了极大帮助。由此可见，DEM在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设和通讯等国民经济、人文及自然科学领域得到广泛应用。

1 DEM的生成方法

数字高程模型（DEM）的构建需要密集的携带地形特征的三维点（x，y，z）集合，从数据源的获取方式来讲，建立DEM的方法可以分为三种［2］：

1.1 利用GPS、全站仪等测量仪器直接进行野外测量获取。这种方法获取数据的效率低、成本较高，为了保证DEM构建精度，需要减小数据采集密度，一般适用于小范围大比例尺DEM的构建。

1.2 利用航空摄影、遥感、In-SAR技术获取地形数据。如空三加密法、解析测图、雷达干涉等，这类方法获取数据的效率高、覆盖面积大、实时更新速度快，是目前应用最普遍的DEM构建方法。构建的DEM精度和数据获取设备分辨率直接相关，适用于各类比例尺DEM的构建，但由于这种方法与地面实体没有实际接触，获取的地形特征点对地表实际地形特征的表达需要得到野外现场调绘和实测，一些地形特征点的缺失也需要通过野外测量进行补测。

1.3 已有地形图的扫描采集。利用格网读点法、数字化扫描仪等对地形图进行半自动数据采集，通过内插生成DEM，该类方法效率较高，生成的DEM精度取决于地形图精度，如果地形复杂，在构建过程中要考虑冲沟、陡坎等地形特征点以及房屋、道路等对矢量化结果的影响。

2 摄影测量数据特点及预处理

摄影测量方法是一种利用摄影、遥感、雷达等技术获取的带有地理坐标的数字正射影像图［3］，形成了三维数据点云，包含了上万甚至更多的点位数据，其不仅具有三维坐标信息，而且还隐含了点位之间的几何拓扑信息，对影像在各方面的应用提供了便利，并且可以影像图提供的三维点云，进行三维信息数据的深加工处理。

然而，由于获取的三维点太过密集，数据量较大，不仅降低了数据计算速度，增大存储难度，还增加了数据重构的误差，所以应对摄影测量数据进行必要的预处理，主要包括影像去噪滤波和数据精简。一般情况下，影像在购买时已经进行了必要的去噪滤波操作，而数据精简工作是按照实际应用的要求进行的，操作过程只是对原始数据点云进行删减，不产生新的点位，尽量保持原有数据形态和点位间的拓扑关系。

3 数据点云构建DEM

数字高程模型（DEM）是利用获取的三维点位数据通过内插生成的，现有内插方法主要有整体内插法、分块内插法和逐点内插法三种，其原理都是通过定义的函数对离散数据进行拟合构建地形地貌虚拟格网。格网的精度取决于选用的拟合方法，而决定了生成的DEM的准确度。目前，应用最多的算法是不规则三角网，其能够以不同层次的分辨率来描述地表形态，能够较完整地记录微地形信息，利用更少的空间和时间精确地记录和表达复杂表面，优于其他各种方法。本文以ArcGIS软件为基础，从数据精简到TIN的构建来阐述摄影测量数据生成DEM的方法。具体步骤如下［4-5］：

①将数据点云转换成ArcGIS软件应用形式，计算高斯曲率k和平均曲率H，并对其表达的高斯曲面进行分层［6］，即将特征点表达的地表特征进行了分层；

②对分层后的特征点进行栅格数据重采样，对点云进行精简，重采样格网值的重新划分需要针对不同曲面特征点图层，对于曲面特征明显的山峰、谷底等来说，重采样格网设置小，而对于曲面特征不明显的平地来说，重采样格网可以设置大，重采样后格网数较少，但不会影响原有曲面特征［7］；

③结合原始数字正射影像图对精简后的数据进行检查，补充因栅格重采样而剔除的微地形特征点，以便提高生成DEM的准确性；

④利用ArcGIS软件提供的［3D Analyst］工具—［TIN管理］—［创建TIN］生成新图层TIN；

⑤执行命令［3D Analyst工具］—［转换］—［由TIN转出］—［TIN转栅格］，指定相关参数：采样距离，输出栅格的位置和名称：［TinGrid］，其中采样距离是像元大小，其直接影响DEM生成的精度，在满足精度要求的前提下，考虑计算机存储和计算能力的限制，合理选择像元大小。

4 结语

数字高程模型（DEM）的构建需要大量三维数据的支撑，摄影测量方法高效率地获取三维点云数据，为数字高程模型的建立提供了帮助。而在ArcGIS软件平台上，对摄影测量点云数据进行精简和重采样，在此基础上完成DEM的构建，形成了点云数据从预处理到DEM生成的整套技术流程。然而，在数据处理过程中，要特别注意和原始数字正射影像图进行对照，避免造成微地形的缺失，影响DEM生成结果的准确性。

［1］李志林，朱庆.数字高程模型［M］.武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000.

［2］茆德柱.TIN模型的构建方法研究［D］.南京：河海大学，2007.

［3］闫龙.基于CCD的立体视觉测量系统精度分析与结构设计研究［J］.仪器仪表学报，2008，29（2）：410-413.

［4］欧阳霞辉.ArcGIS地理信息系统大全［M］.北京：科学出版社，2009.

［5］邹晓军.摄影测量与遥感［M］.北京：测绘出版社，2011.

［6］张丽艳，周来水，周儒荣.逆向工程中曲面重构算法研究与实现［J］.航空学报，1999，20（3）：242-244.

［7］李松涛，张长水，荣刚，等.一种基于最小二乘估计的深度图像曲面拟合方法［J］.自动化学报，2002，28（2）：310-313.