基于地理国情普查中DEM精化技术方法研究

熊淑雅+索菲+王宝

摘 要：通过对已有DEM、DLG数据的分析，研究了一套基于ArcGIS、PixelGrid以及MapMatrix平台快速生成多尺度数字高程模型的工艺流程，并针对不同方法制作DEM的效果进行了实验和分析讨论，得出了具体的结论和成果。对大批量快速制作不同尺度的DEM提供实用的参考价值和制作方法。

关键词：DEM；DEM精化；多尺度；坡度分析

DEM是对地形地貌的一种离散的数字表达，是对地面特性进行空间描述的一种数字方法、途径，它的应用可遍及整个地学领域。

1 数据源分析

基于已有5米格网DEM进行精细化生产相对简单，但只适用于单幅坡度小于45°且占比达到80%以上面积的图幅，因此在决定采用哪种数据源之前需要做好坡度分析工作。

利用ArcGIS空间分析工具Spatial Analyst对DEM进行基于单元的GIS运算，即坡度分析。坡度分析完成后，单幅坡度45°以下，且面积的占比达到80%的图幅，就可以直接利用ArcGIS软件中的栅格处理模块（Raster Processing），对已有DEM成果数据（即5米格网DEM）进行格网重采样（Resample）为2米格网DEM成果，采样方式一般采用双线性内插算法（BILINEAR）。

坡度45°以下且面积占比未达到80%的图幅，需要基于DLG数据源进行DEM精化，所用的软件除常用的ArcGIS外，还有MapMatrix和PixelGrid。利用PixelGrid中的批量拼接和接边功能，将DEM數据在PixelGrid里打开后，同时开启对应的等高线（等高距可选择），参照等高线和对应DEM对接边处进行修测。MapMatrix在控制地形、处理地形细微处和地形变换频繁突兀处可以保证数据成果的精度。

2 基于DLG生产DEM

基于DLG数据源进行DEM生产时，一般原理是在 1：10000数据库中选取其中的等高线、高程点、水系等要素以及已有的地形特征数据，对选取要素进行编辑、拼接、分幅裁切，然后按照统一设计的2米格网大小，采用合适的数学内插方法生成DEM。

2.1 基于ArcGIS快速生产多尺度数字高程模型

针对本次地理国情普查项目的进度要求，快速制作DEM采用了两种试验方法：一是利用ArcGIS模块中的 3D分析工具（Raster Interpolation）；二是在航天远景（MapMatrix）中通过加适量特征线快速制作DEM。利用ArcGIS的Raster Interpolation分析工具选取等高线、水系、高程点以及冲沟、陡坎等方向线，设置适当的参数，运行Topo to Raster命令生成指定格式的DEM成果数据。此法简单、易行且做出来的DEM整体精度高、过渡平滑美观，但因为本次数据源缺少特征线，导致生成的DEM在地形细节方面（主要是地形变换突兀处、微地形处）套合精度较差，且一次不能处理太大范围。

2.2 基于MapMatrix快速生产多尺度数字高程模型

在航天远景（MapMatrix）里操作相对简单，只需取用三维等高线数据，加适量特征线和控制线即可。基于等高线生成DEM的步骤为：

（1）在“MapMatrix-特征采集处理专家”文件新建特征文件，生成*.fdb文件，设置工作区属性，导入*.dxf文件。导入数据后进行矢量外包，全屏显示，将数据范围设置为当前工作范围。

（2）使用平行移动工具，对现有数据进行平行线操作，在原等高线正负向0.2米距离处生成一对平行线，给定不同的图层和色值，输入对应高程值（与原等高线0.5米高差）。数据操作完成后，统一检查修改平行线相交处、地形漏绘处以及等高线接边。

（3）地形复杂区域，利用画线工具沿着山脊和山谷添加特征线。

（4）导出数据“图号.Dxf”，利用小程序把*.dxf转成*.dem，设置X、Y间距（2米）。

（5）在MapMatrix界面下，利用工具 DEM转换，把*.dem输出指定的格式。反生等高线进行检查若有粗差或套合超限处，重新进入“MapMatrix-特征采集处理专家”进行处理，直至满足要求为止。

使用上述方法生成的DEM具备如下优点：

（1）DEM反生的等高线与原始DLG套合精度极高，且地形细微处的表现很细致。

（2）数据整体质量好，等高线自然平滑。

（3）制作过程简单、快捷且数据检查、修改起来方便、易行。

3 实例验证及分析

3.1 坡度分析

首先选取实验图幅I48G006001，基于已有5米DEM数据成果做坡度分析，分析结果主要用于选择DEM精化的方法。具体分析工作在ArcGIS Spatial Analyst中进行，主要分为三步：基于Surface的坡度提取（Slope）；基于Reclass的坡度分级（Reclassify），以45°为界分为两级；基于Conversion Tools的栅格转面（Raster to polygon），用于统计坡度级别面积的占比。以45°为分界点进行面积占比统计，结果如下所示。

3.2 基于DLG生产DEM的两种方法比较

第一种方法是利用ArcGIS模块中的3D分析工具（Raster Interpolation），选取DLG数据中的等高线、水系、高程点，设置适当的参数。

第二种方法是利用MapMatrix-特征采集处理专家，导入DLG数据中的等高线，添加控制线和特征线，运行过程如图所示。

图中白线为原始等高线数据，两侧的红绿平行线为地形控制线，黄线为特征控制线，通过这种方法做出来的DEM既与实际地形的符合程度很高，又很好地保留了细部特征。以上两种方法生成的DEM结果对比如下：endprint

从图5可以看出方法二生成的DEM地形细部特征和局部套合明显优于方法一生成的DEM成果，由此也验证了上述提到的基于MapMatrix快速生产多尺度数字高程模型的优点。

3.3 DEM精化数据接边

DEM批量数据制作好后，直接在PixelGrid打开DEM，进行拼接和接边操作。数据拼接前注意统一所有DEM的坐标投影系统，每幅图除了给定大地基准、投影与分带，还要定义高程基准，以便正确拼接和检查修改。DEM拼接好后，开启对应的图幅结合表和等高线，参照5米等高距对应的等高线和成果DEM对图幅接边处进行检查和修测。针对不同期数据的接邊，此方法立显直观、快捷，且接边后的数据过渡平滑、美观、精度高，能做到随时检查修改。

3.4 DEM精化数据处理及裁切

针对数据不满幅的情况，零值的处理显得尤为重要。不同期数据拼接好后，无值区可能会显示多种不同的值，为了正确显示图像，需统一处理。

3.5 DEM精化问题处理

在等高线套合差检查过程中发现在山区陡崖等位置，不论基于已有DEM重采样还是基于DLG精细化处理的DEM成果，其反演的等高线与DLG成果中的等高线套合差较大，有横穿等高线现象，经分析原因是因为栅格化后的DEM格网空间大小为2米，而陡崖等区域原始的等高线之间的距离间隔远小于2米，反演后的等高线无法准确反映该区域的三维地形信息，这些区域不做检查依据。原则上每幅DEM起止点坐标必须位于起止像素的中心点，发现有不满足要求的图幅（非满幅或通过已有DEM重采样），可以通过重采样的方式对拼接好的DEM整体做角点坐标的适当调整，从而达到单幅裁剪后满足起止点坐标位于像素中心点的要求。

4 结语

通过实验检测了本文设计的一整套DEM精化方案，充分发挥了相关软件（MapMatrix、ArcGIS、PixelGrid）的优势，着重研究了利用DLG快速批量生产DEM的作业方法。生产过程中通过添加适当特征线来提高DEM数据质量精度，实验证明，这种方法投入低、效率高、数据产品质量好且生产周期快，非常适合大规模DEM生产。不足之处是目前的特征线是手工添加的，存在人工判断的误差，导致特征线添加遗漏或冗余的情况出现，在特征线的自动化判断和添加方面需要进一步研究。

参考文献

[1] GDPJ 08-2013《多尺度数字高程模型生产技术规定》.endprint