基于多种软件的DEM生产方法探讨

赵莎莎 王伟丽 徐文会

(1.自然资源部第一航测遥感院 陕西西安 710054；2.西安航天宏图信息技术有限公司 陕西西安 710005)

数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)是用一组有序数值阵列的形式来表示地面高程的实体地面模型[1]，能真实地反映地表形态，是重要的基础地理信息数据，广泛应用于测绘、工程、地质、规划、军事等领域。随着实景三维中国建设项目的开展，已有的DEM成果已经不能全面满足自然资源调查监测、土地确权登记、国土空间规划和生态修复等工作的需要，快速、高效地大批量生产DEM数据是急需解决的基础性工作。

传统DEM的生产方法主要有野外测量法、地形图矢量化法、DLG内插法和数字摄影测量法等。其中，野外测量法精度高，但费用高且效率低，不适合大范围数据生产；地形图矢量化法生产的DEM的现势性较差，不能满足快速更新的要求；DLG内插法比地形图矢量化法更简易高效，但较难获取精度要求一致的、大范围的DLG建库数据；数字摄影测量方法是DEM数据生产较常用的方法，精度高，但人工编辑的工作量较大。因此，急需探讨能满足实景三维中国建设的、高效生产高精度DEM成果的方法。

本文在大量DEM生产实践的基础上，提出一种基于现有相关软件高效生产DEM的方法。为了验证该方法的可靠性，选择某一具有代表性的地区作为研究区。该地区地表覆盖类型复杂多样，沙漠、戈壁、草地、水域、林地、耕地自西向东呈梯形分布，水体较多，植被和建筑物较少。本文重点对水体的自动提取、立体匹配和DEM编辑等技术进行研究。

1 高精度DEM生产

1.1 高精度DEM生产中使用的相关软件

1.1.1 GEOWAY CIPS集群式影像处理系统

GEOWAY CIPS集群式影像处理系统是一个构建在网格计算环境下，适合大规模遥感影像快速、批量处理的一整套软硬件综合产品，其核心部分是基于高性能集群计算环境的海量遥感影像自动处理[2]。GEOWAY CIPS集群式影像处理系统是进行数据匹配的主要软件之一，在进行数据匹配时可以选择性地生产物方优化数据，同时得到两套匹配成果；其缺点是操作复杂，匹配时间长，匹配成果容易出现台阶状晕渲，后期较难处理。

1.1.2 INPHO软件

INPHO软件是目前被广泛应用的摄影测量系统，它作为专业的数字摄影测量系统软件，包含空三加密、数字地面模型匹配、数字正射影像纠正和影像拼接等系列模块[3]。该软件匹配数据的优势是可以将大面积云雪区域等划定为模糊范围，从而加快匹配速度，匹配成果整体较光滑，呈现出的地表形态整体趋势更合理；其缺点是批量匹配时设置烦琐，匹配成果容易出现格网状晕渲。

1.1.3 PhotoMap软件

PhotoMap软件是一款针对高分辨率遥感影像的半自动化生产软件，在空中三角测量和DSM匹配完成后，使用摄影测量方法编辑生产DSM、DEM和制作DOM成果。PhotoMap软件功能包括两部分：DSM/DEM编辑功能和DOM镶嵌编辑功能[4]。该软件是DEM编辑阶段使用的主要软件，主要用到滤波、局部置平、升降高程和成果分幅输出等功能。

1.1.4 简译软件

简译软件是一款目前应用较为普遍的遥感影像信息提取软件，其优势在于全中文界面，操作简单，能结合面向对象分类，自由切换多尺度分割，进行多尺度编辑，且矢量输出效果媲美人工编辑；其缺点是功能单一，性能不稳定，不便于大面积的影像解译。简译软件主要应用于水资源、建筑物等影像信息的提取。该软件是DEM生产中水体自动提取阶段使用的主要软件。

1.1.5 ArcGIS软件

ArcGIS软件是一款功能非常强大的数据处理软件[5]，可以处理多种格式的地理信息数据，并能进行多样的空间数据分析。在高精度DEM生产方法中主要利用该软件的数据格式转换、缓冲区分析、数据融合与合并等基本功能，辅助DEM生产。

1.2 高精度DEM生产流程

首先，利用资源三号等卫星影像和控制点资料进行区域网平差，构建立体模型，分别利用GEOWAY CIPS集群式影像处理系统和INPHO软件匹配两套DSM数据；其次，利用PhotoMap软件进行立体模型恢复，根据地形地貌选择合适的DSM数据作为基础数据，参考DOM及其他相关资料，先对建筑、桥梁、林地等非地面区域进行DEM 滤波编辑，并进行降低高程处理，即将地表高程降至地面高程，再对其他地面区域进行滤波处理，同时利用简译软件提取的水体边界范围进行水域高程置平；最后，经接边、分幅裁切、元数据制作、质量检查等操作，生成高精度的DEM分幅成果。高精度DEM生产流程如图1所示。

图1 高精度DEM生产流程Fig.1 Work Flow of High- Accuracy DEM Making

2 自动提取水体

传统DEM水体范围采集是基于DOM或立体模型进行人工采集，工作量大，效率低且边界精度参差不齐。本方法使用简译软件结合地理国情监测水域数据，自动解译提取水体范围，操作简单且精度符合要求，极大地提高了工作效率。

2.1 基于ArcGIS生成解译范围

利用ArcGIS软件对地理国情监测数据的水域层进行缓冲区处理，生成需要自动解译的范围，文件格式为shp格式。结合生产经验，将缓冲区距离设置为100～200 m，可有效覆盖研究区DOM中水体的范围。这样在后期自动解译时速度快，而且综合效率最高。

2.2 利用简译软件生成水体范围

将生成的自动解译范围的shp格式文件导入简译软件。简译软件只自动解译缓冲区内的DOM影像，大大缩小了解译范围。由于自动解译范围内的地物相对简单，因此干扰特征大量减少，凸显了水体特征，大幅提高了解译精度和解译速度。

在简译软件中通常是人工选取水体样本，因而可根据不同地形灵活调整分割尺度，自动融合生成完整连续的水体范围，再进行节点抽稀平滑处理，得到准确的矢量格式的水体范围。

3 立体匹配数据选择

针对研究区的地形，分别利用GEOWAY CIPS和INPHO软件自动匹配了两套DSM数据作为DEM生产的基础数据。

利用GEOWAY CIPS进行立体匹配，整体噪声点较多，在范围较大的地形平缓区域存在明显台阶状晕渲，人工处理很难达到精度要求。但其立体匹配的优势是在山脊和山顶位置匹配效果较好，能够准确显示高地的最高点，有利于把控整体地形状况，提高匹配精度。此外，利用该软件进行立体匹配，对砾石地、冲沟和垄状沙丘等微小地貌的表达比较细致。

利用INPHO进行立体匹配，整体比较光滑，噪声点减少，平缓区域精度较高，晕渲表达合理，且沟谷区域表达连续，所需人工干预少，但其在微小地貌及地形变换处精度损失较大。

综上，这两种软件进行立体匹配各有优势，都可以快速得到大量的初始匹配结果。在利用PhotoMap进行DEM编辑时，根据本测区的地形特点，选取INPHO匹配数据作为基础数据，当砾石地、丘陵、地形变化较多的山地区域或INPHO匹配数据出现格网晕渲时，可使用GEOWAY CIPS数据作为替换数据。将这两套初始匹配数据互为补充使用，在保证精度的前提下，可以减少人工干预的工作量，最大限度展现地貌形态特征。两种软件在不同地形的匹配效果如图2所示。

图 2 两种软件在不同地形的匹配效果Fig.2 Matching Effects of Two Kinds of Software in Different Terrains

4 DEM编辑

在高精度DEM生产方法中，DEM滤波编辑及后期的接边、镶嵌和分幅裁切等工作都是利用PhotoMap软件完成的，主要使用的功能有均值、降低高程、缓冲区分析、镶嵌和DEM替补等。

4.1 均 值

对于初始匹配结果较好的区域，可以根据区域圈定滤波范围，给定过渡宽度，再用设定的快捷键直接使用“均值”工具就能得到较好的滤波结果。

4.2 降低、抬高高程

对于局部出现不合理的较高或较低区域，可以使用“降低、抬高高程”功能进行快速的高程降低与抬高处理，再结合“均值”工具将明显的边缘痕迹处理合理。

4.3 缓冲区分析

对于连续的山脊和沟谷，可以划定线条，根据给定的缓冲宽度，利用PhotoMap软件自动在缓冲范围内进行滤波处理。滤波处理后的晕渲过渡自然，效果较好。

4.4 DEM替补

当局部数据需要替换其他匹配成果，如云影、雪山或砂砾地等特殊地貌有更好的DEM数据来替换时，可以使用“DEM替补”工具，对圈定的范围进行快速替换，使用较灵活。

以上这些常用到的功能，在PhotoMap软件中都能通过设置快捷键快速地进行功能切换，在具体工作中灵活使用各种功能，能得到更好的滤波效果。

4.5 镶 嵌

DEM编辑完成后，还需要在PhotoMap软件中使用“镶嵌或局部替补”功能完成接边工作，然后就可以使用镶嵌工具拼接区域性的DEM成果，也可以使用图幅工具以标准图幅或指定裁切坐标范围输出需要的DEM成果。

5 精度分析

按项目设计书的要求，本测区内的平地、丘陵地、山地、高山地格网点高程中误差的要求分别为4 m、5 m、8 m和13 m，高程中误差的两倍为检查采样点数据限差，高程值取位至0.01 m。DEM成果的高程精度通过高程中误差进行检测，是将检测点的检测高程值与DEM格网内插的检测点高程值进行比较，得到高程较差，再利用中误差计算公式得到高程中误差。

本文选取测区成果中的28幅数据进行精度检测，检测数据地形类别包括平地、丘陵地、山地和高山地，地物要素涵盖建筑物、水系、道路和植被等，一共选取1 379个检测点，检测结果见表1。

表1 DEM成果的高程中误差Tab.1 Elevation RMSE of DEM Achievements地形类别图幅/幅平均检测点/个允许中误差/m检测中误差/m平地53541.11丘陵74651.52山地85782.13高山地852132.84

从表1可以看出，基于现有相关软件高效生产DEM方法得到的DEM成果精度远高于项目设计书要求的成果精度。

6 结 语

数字高程模型是传统的地理信息成果，随着地理信息技术的发展，DEM数据的生产方法在不断地改进。当前实景三维中国建设等数字化项目对DEM成果的精度和更新速度提出了更高的要求。本文在生产实践的基础上，结合多种数据处理软件的优势，提出了一种快速生产高精度DEM的方法，解决了生产中的实际问题，为实景三维中国建设项目的开展提供了一种新的DEM生产方式。