数字高程模型质量检验方法

2022-06-15冯海涛

科学与信息化 2022年11期

冯海涛

广东省国土资源测绘院广东广州 510500

引言

信息时代到来后，各种的计算机信息技术的应用范围显著扩大，信息技术在测绘工作中的应用，加快了测绘技术的信息化、数字化发展，在各种测绘工作的进行中，传统的人工测绘已经被3S技术所取代，甚至出现了一些数字测绘技术。数字高程模型实际上属于一种4D产品，在测绘工程领域，经由数字高程模型的高质量构建，可更为直观地反映地面空间形态。正是因为数字高程模型的这一特点，使得其在军事、航空等领域都有着无可比拟的价值，但为有效发挥其价值，做好数字高程模型的质量检验尤为关键。

1 数字高程模型的基本概述

数字高程模型在测绘工程领域的出现频次较高，其英文为Digital Elevation Model，也就是DEM，其中包含了规则格网点的平面坐标与高程坐标所构成，从本质上来看，数字高程模型实际上也就是区域地形在模型中的数字化呈现。现阶段，随着技术的不断进步，测绘领域应用了越来越多的现代化技术，DEM显然已经成为空间信息系统中的重要构成部分，在气候、土壤监测、地质灾害预警等方面都有着重要的作用[1]。就现阶段的DEM建立来看，可采用多种的方法，如果从数据源和采集方式的角度来分析，可直接利用GPS、全站仪等开展地面测量；也可采用摄影测量的方式；如果从现有地形图中进行相应的数据采集，本质上就是通过矢量化来自动生成DEM。但在DEM的建立过程中，不论采用的是哪种方式，其检验结果并不会存在明显的区别。

2 DEM数据的数据格式及结构

就我国国内关于DEM数据的格式，更多地以文本和栅格为主，从数据结构的角度，包含了元数据、头数据、数据体，其中，元数据是对数据所做出的基本的定义，并描述了数据本身的基本特点，包含对数据内容、质量和其他各种特征的描述，人们可通过元数据来对数据有更为深刻的理解，指导后续的数据应用，只有在元数据基础上，数据共享的目标才能实现；头文件中全部为文本类型的文件，这些文件详细记录了DEM数据的生成的过程和与之有关的信息，比如，包含格网的起始点坐标、格网间距和行列数，数据格式是决定头文件内容、格式的直接因素，在不同的数据格式下，头文件格式、内容也存在一定的差异；数据体是依据一定的行列顺序对格网点高程值所产生的，BIL格式的数据体以二进制文件的方式存在，而其余格式的数据体则全部以文本文件的方式存在[2]。

3 数字高程模型质量检验内容与要点

3.1 成果格式检验

就当下数字高程模型的应用情况来看，其格式有多种，比如，国标（GB/T17798-2007《地理空间数据交换格式》）、ASCII、ARCGRID、BIL多种，其中，国标和ASCII从根本上看为文本格式，当配置了文本编辑类软件时，可直接打开这些文件进行浏览，文件中存在有头文件相关的内容、数据体信息，数据体中详细记录了格网点高程值，且这些高程值并非混乱排列的，而是依据相应的次序来规范存在的，不同高程值之间采用空格分隔开来。在ARCGRID格式的DEM中，其中有2个文件夹：info、数据体文件夹[3]。在数据体文件夹中，包含的文件类型相对较多，但不论是哪种类型的数据体文件，全部都采用的是二进制码，只有配备了专门的软件，这些文件才能够被打开。BIL格式下为没有经过压缩存储的，可用于遥感影像数据格式的二进制文件，可以以行为基准，依次对每个波段、每一列的像元信息加以存储，数据体同样为二进制文件。

不论是哪种类型的DME数据，其中都包含有头文件、数据体文件，但即使如此，格式间的头文件项、内容存在着一定的差异，如果要满足不同格式之间相互转换的要求，一般要利用Arc Map软件来完成。

即使DEM成果在格式方面存在一定的区别，但是其头文件内容核心部分却存在着高度的相似性，附加内容部分也存在一定的差异，这些差异往往是因为国内外商用或者专用软件存在着算法方面差异所引起，即使他如此，这些差异也都属于正常现象。头文件与数字正射影像成果中的部分文件高度一致，在对数字高程模型开展质量检验的过程中，有关人员要对不同格式下DEM数据中的同头文件、数据体文件内容等有清晰的了解，只有如此，才能够在质量检验的过程中快速发现错误并进行相应的处理[4]。

每一种格式的DEM数据各有各的特征，总体上看，DEM成果的存在格式，不仅与国家的建库需求有着紧密的联系，更与现行的行业环境、工序流程息息相关。相比较而言，文本格式的直观性较强，在将该文件打开以后，关于DEM的各项指标可直接获得，这种特点使得在大比例尺的数字高程模型中，文本格式的应用相对较多。现阶段的测绘技术日渐进步，数字测绘地理信息取得了显著的发展成效，在这一发展趋势下，Arc Map的应用范围显著扩大，也进一步刺激了ARCGRID格式的流行，对于1∶10000～1∶5000的基本比例尺，国家、省级基础测绘项目、大型数据库建设中的数字高程模型而言，这种格式更为适用。

3.2 起始点位置正确性检验

因为关于DEM数据的格式有着多种类型，在开展数字高程模型的检验过程中，同样需加强起始点位置的检验。格式存在差异的DEM数据，其起始点位置也会存在或大或小的区别，起始点位置是否正确，直接会影响到栅格质量检查。根据DEM在测绘领域的应用，其成果从根本上来看是对地面规则格网点高程信息描述的集合，为了给质量检验提供便捷，人们往往会依据一定的算法，将相应的数据以晕渲或者栅格影像的方式呈现出来，经由这种处理和呈现方式，检验人员在开展质量检验的过程中，可轻易得到每个格网点的平面、高程等信息，也就可判断起始点、数据裁切范围是否能够满足相应的规定[5]。

如果在测绘工程领域面对的1∶500～1∶2000比例尺的DEM成果，一般直接为50cm×50cm正方形分幅，将图廓作为分界点来进行裁切处理，在此过程中不存在任何的外扩现象；图幅文件命名为图幅左下角坐标；数据起始点不论是处于左上角还是左下角，均可利用图号与格网尺寸相结合的方式来进行相应的计算，在得到了计算结果以后，再将其与实际的数据加以对比。针对1∶5000～1∶50000的DEM成果，以国家基本比例尺进行分幅与编号，如果为梯形分幅，在外接矩形并外扩以后来进行图幅范围的确定，在这种情况下，只需要配备相应的检查软件，就可实现自动对比与检查。

在实际的质量检验过程中，可能会出现大比例尺成果起始点选择错误的现象，比如，直接将左上角格网中心位置作为角点位置，或者直接将左下角格网角点作为格网中心，因为起始位置选择的错误，每个格网点存在着明显的偏移，在这种情况下，每个高程值都是经由平差计算或者内插以后所得到的，不是数据体中关于格网点或者高程的描述。

因此，在对数字高程模型开展质量检查的过程中，必须要保障起始点位置的正确性，否则，可能会导致在测绘工作中出现一定的偏差。

3.3 高程精度检验

在数字高程模型的质量检验中，高程精度检验尤为重要，高程精度能否满足实际的检验标准，将会影响到最终的测绘精度。针对高程精度的检验，在具体的检验工作进行中，应从多个方面，选择不同的检验方法，来得到相对可靠的检验结果。通常情况下，数字高程模型成果的高程精度检验，要从高程中误差、与矢量数据套合差、同名格网点高程值来进行。

3.3.1 高程中误差。根据当下关于数字高程检验的相关规范和标准，其中对于高程精度检验做出了明确的规定，为保障检验工作的高效开展，在具体的检验工作进行时，要严格遵守这些规定。但实际情况是，在不同比例尺、不同成果的高程精度检验时，应结合实际情况来确定检测点数量，并选定恰当的检验方法。

对于1∶500、1∶1000、1∶2000的大比例尺数字高程模型成果而言，其图幅面积相对较小，在开展质量检验的过程中，要注意对其中的一些特殊性因素加以考虑，比如，城市建筑群的密集程度等，如果在检验的过程中无法达到选点标准，就需要适当扩大检测点的统计范围，比如，在条件允许的情况下，可将图幅向四周延伸，形成2幅图或者4幅图或者更多图幅，在这种方式下，符合同一区域网、同一测区或者相同地形类别图幅精度相一致的要求。对于1∶5000～1∶50000的中小比例尺DEM成果来说，如果测绘区域位于青海、新疆等沙漠分布地区，在质量检验的过程中要注意对沙漠因素的分析，而如果处于南方地区，则要考虑水文或者植被因素，出于这些方面的因素考虑，在质量检验的过程中要严格对检测点的数量加以控制。

高程精度质量检验的过程中，检测点的选择要注意以下几个方面：①高程检测点从本质上来看属于内插点，高程中误差应根据格网点高程精度的1.2倍来开展相应的计算；②如果点超过了2倍高程中误差，则是粗差，粗差比例应在5%以内，2倍以内的误差值需计入精度统计的范畴。

3.3.2 套合差。数字高程模型中的质量检验，也应该包含套合差检验，套合实际上是将DEM数据以晕渲或者反生成等高线的形式显示时，与其他检核参数开展的套合检查。比如，适量DLG、三维特征点线。在具体的检验工作进行时，一旦套合差不超1/2等高距，不做处理即可；但如果处于1/2到1个等高距之间，需对相应的数据加以检查和调整；超过1个等高距的情况下，意味着DEM成果不符合要求。这种套合在标准、规范及等倾斜区域应用时，可得到相对可靠的检验结果，但从我国实际的地形地貌特征来看，地形地貌非常复杂，呈现出不规则的特征，部分地区的等高线较为稀疏，但一些地区的等高线密集，这就使得在开展套合检验的过程中，很难得到相对有效的结果。此外，DEM在生产的过程中，可能会出现特征点线采集的密集度不够，反生成的等高线和晕渲是根据离散格网点高程推算出来的情况，针对这些条件下所得到的结果，由于与地面情况无法保持高度的一致性，在开展套合检验时，难度较大。

如果与矢量数据套合以后依旧无法达到对DEM套合差检验的要求，可恢复立体模型并与DEM数据叠加，在此条件下开展套合检验。对于大比例尺的DEM，特别是平坦地区的DEM，在该地区内的等高线分布较少，其中的很多图幅更多的是用高程点来进行区域地形特征的呈现的，在这种情况下，开展套合差检查时，不仅可以以晕渲的方式来检查，更要将DEM反生成等高线与矢量来开展套合检查。