基于倾斜模型的DEM数据生产方法研究

杨辉辉

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司,江苏 南京 210019)

0 引言

近年来,随着倾斜摄影测量技术的普及和迅速发展,以及无人机设备的日益先进,无人机倾斜摄影测量广泛应用于现代测绘行业,已实现倾斜模型数据在大多数市、县级等地的全区域覆盖。相对于地形图、正射影像等传统测绘产品,倾斜模型数据拥有三维可视化效果好、数据准确性高、应用领域广等特点。DEM(数字高程模型)是对地形表面形态的数字表达,其在测绘、水文、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯等领域有着广泛的应用。DEM是研究和分析地形、流域、地物识别的重要原始资料,可用于绘制等高线、高程图、坡度图、水系图、立体透视图等。本文结合实际项目,以OSGB格式的原始倾斜模型为数据资料,讨论了基于倾斜模型的大面积DEM数据生产方法[1]。

1 测区概况与要求

作业区域为宁波慈溪市,地处浙东杭州湾南岸,东南接镇海区和江北区,西南连余姚市。慈溪地势南高北低,呈丘陵、平原、滩涂三级台阶状朝杭州湾展开。作业范围总面积约524 km2。

项目建设范围如图1所示。

项目要求建设全域524 km2范围内的DEM数据,网格尺寸大小1 m×1 m,高程中误差应符合表1规定。

表1 DEM格网点高程中误差

2 倾斜模型数据分析

已收集到测区内524 km2的倾斜模型数据,该数据由浙江省质检站检验并出具质检合格报告[2]。数学精度如表2所示。

表2 原始倾斜模型数学精度

3 DEM数据生产流程

基于倾斜模型进行水系面采集,对每个水面赋予合理的高程值;对倾斜模型进行预处理,包含倾斜模型底部悬浮物删除和破损水面裁切;将处理过后的倾斜模型,转换成LAS格式的点云数据,在专业点云处理软件中,通过自动分类和人工判别筛选出地面真实形态的点云,由地面点云生成DEM数据[3-4];对赋予高程的水系面构TIN,并构建水面DEM数据;DEM数据合、整理、输出。生产流程图如图2所示。

1)使用清华山维EPS软件进行测区内水系面采集。采集对象主要包括水塘、河流等,所有水系面高程置平,可根据水边线合理赋予高程值。

2)倾斜模型预处理,使用SVS Model或DP Model等模型修饰软件对模型底部存在悬浮物进行删除,如图3所示;倾斜模型中水面为弱纹理区域,有模型起伏、塌陷或空洞的问题,可以使用模型裁切工具,以水系面为参考矢量,将水面区域裁剪掉,如图4所示。

3)使用专业转换工具,将预处理完成后的倾斜模型转换成LAS格式的点云数据[5],一般设置点云采样间隔为0.1 m,转换结果如图5所示。倾斜模型转换而来的点云数据有以下特点:转换便捷、成果可靠;具备可分辨的颜色和纹理信息,可直观区分出建筑、道路、水系等地物,为可视化编辑提供便捷。

4)对倾斜模型转化而来的密集匹配点云进行滤波处理提取地面点,是DEM生产的关键。本生产流程中利用TIN滤波算法进行滤波处理,滤波算法模型图见图6。

通过P点与ΔV1V2V3的位置关系(相对地面三角的高度和地形角)来判断P点是否为地面点。我们将P点到三角面的距离用d表示,P在三角形ΔV1V2V3面上的投影点记作O,其与地面三角形3个角点的连线产生3个夹角,分别为α1,α2和α3[6]。判断P点是否为地面点参照式(1)。

d

(1)

其中,Sd为设置的相对高度;Sα为地形角阈值。分类地面点需根据地形特点,如农田区域、厂区建筑和居民地建筑等不同设置不同的阈值。如图7所示为不同参数下的滤波效果。

5)以水系面矢量和手动赋予的高程值为参考数据,构建水面DEM,如图8所示。合并水面和其他部分DEM数据,输出测区内整幅DEM成果。局部DEM成果图9所示。

4 DEM成果精度检查

对生产完成的DEM数据成果,在测区范围内均匀选取30个点位,包含铺装路面、农田、房屋院落等位置,通过外业实测RTK点对DEM进行精度检查[7],精度检查结果见表3。

表3 DEM精度评定表

5 总结与建议

通过本文的阐述,基于倾斜模型的DEM数据生产过程中,需特别关注以下步骤:

1)倾斜模型中水系面破损严重,因此水系面DEM应使用矢量面单独生成;并预先处理倾斜模型,删除悬浮物和破损水面模型,减少粗差点。

2)对于大面积建筑覆盖区域,选择合适的点云分类参数进行处理,若分类结果不满足项目设计要求,在三维模型中利用EPS进行高特征点或特征线采集,确保DEM成果的精度[8-9]。

3)对DEM成果进行整体补洞处理,补全水系面与堤岸之间的接边等区域的漏洞。

6 结语

本文讨论了以OSGB格式的原始倾斜模型为数据资料生产大面积DEM数据的方法,该方法结合部分人工编辑和自动化处理,项目周期短、外业工作量少、生产成本低、作业效率高、易于实现。并结合了实际项目生产,验证了该方法在大面积区域内生产DEM数据的可行性,充分利用了原始倾斜模型数据,为作业区提供更丰富的三维数据。

本次作业区域仅包含建筑房屋区、农田区域、稀疏林地区等,基于原始倾斜模型进行DEM数据生产的可行性分析,从数据特征上而言,由于可见光无法穿透密集树林,在山地植被密集区DEM数据精度有待下一步研究。