数字高程模型_DEM_的构建及其应用

数字高程模型(DEM)的构建及其应用

张瑞军,杨武年,刘汉湖,曾 涛

(成都理工大学遥感与GIS 研究所,成都 610059)

摘要:

数字高程模型(DE M)是一定区域范围内规则格网点的平面坐标及其高程的数据集或者是经、纬度和海拔高度的数据集。DEM 用途广泛,数字地球、数字城市、数字区调等工作以及虚拟现实三维可视化都需要高精度的DEM 支撑。本文分析了DE M 的构建方法及利用地形图生成的DEM 的技术路线和数据转换的问题,论述了DE M 在数字区调中的应用,实践证明,该技术在一定程度上解决了高原区调面临的难题,为地质工作提供了一种新途径。关键词:数字高程模型;DE M;数据转换中图分类号:P216文献标识码:B

Abstract :DE M (Digital Elevation Model)is a data set of plane c oordinate or longitude,latitude,and elevation of the regular square grid points in some region.It is applied widely,Digital Earth,Digital City,Digital Regional Geological Survey and 3D virtual ima ges are all based on high precision DE M.This paper analyses the construc tional methods of DE M,the key technology and conversion of data of distilling DE M iwth relief map,and discusses its application in Digital Geological Survey.It is proved that this technique can resolve the difference in Altiplano Regional Geological Survey and give a ne w method for geological work.Key words :Digital Elevation Model;DE M;conversion of data 收稿日期:2004-12-20;修订日期:2005-07-10

作者简介:张瑞军(1980-),男(汉族),山西太原人,

硕士.

1 引言

随着计算机信息技术的发展,模拟地图(纸质地图)无法满足工程中自动化设计的要求,制约了地图制图自动化和3S 技术应用进程。DE M 是3S (GIS,GPS,RS)技术应用成果的主要产品之一。高精度的DE M 不仅可以非常直观的展示一个地区的地形、地貌,而且也为各种地形特征的定量分析和

不同类型专题图的自动绘制提供了基本数据[1]

。

DE M (Digital Elevation Model)是/4D 0(/4D 0指数字高程模型DE M 、数字正射影像DOM 、数字栅格地图DRG 和数组线划地图DLG)产品的一种。它是一定区域范围内规则格网点的平面坐标(X,Y)及其高程(Z)的数据集或者是经度K 、纬度5和海拔h 的数据集。该数据集从数学上描述了区域地貌形态的空间分布,通过计算机,采用一定的算法,能很方便地将DEM 数据转换为等高线图、坡度图、断面图、晕渲图以及与数字正射影像(DOM)复合形成景观图等各种专题图产品;或者按用户需求计算出体积、空间距离、表面覆盖面积等工程数据和

统计数据[2]

。由DEM 还可进一步产生坡度、坡向、沟谷、山脊、地表粗糙度等10多个地形要素,构成数字地面模型(DTM)数据。利用这些地表信息与植被、土壤、人文要素的相关性,建立不同的地学

应用模型。2 DE M 的生产方式

构建DE M 的方式众多,各有其特点。实践表明,¹野外实测得到离散地面点数据直接构建TI N,建立DE M,采集的数据点密度是影响精度的关键:密度小,不能如实反映地形,密度大,不但增加工作量,而且效率不高,不适合大规模生产。º利用地形图数字化(等高线矢量化插值)提取DEM 是常用的方法之一。不同的精度要求可选用不同比例尺的地形图来满足,而且它主要工作量集中在等高线的矢量化上,其较高的生产效率、现有设备的可用性及技术上易操作的特性使得许多单位目前还都选择其作为生产DEM 的主要方法。»采用数字射影测量法利用航摄立体像对构建的DE M 空间分辨率(精度)主要取决于航片比例尺的大小:比例尺小,不能反映地形的细微差异,比例尺大,对小区域作业而言,成本又相对较高,因此可根据作业单位实际生产能力和任务进行选择。¼采用数字射影测量法利用卫星图像立体像对构建的DE M 空间分辨率主要

受图像比例尺的影响,卫星图像覆盖面积较大,更适用于大面积获取DE M,与航摄相比,成本较低。½利用合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)获取DE M,具有全天候观测、穿透力强等优点,特别适

用于常年积雪区,植被严重覆盖区的DE M 提取。InSAR 的应用,弥补了光学遥感技术的许多不足。表1是目前构建DE M 的几种主要方式的比较。

DEM 生产方式的比较

表1

编号方法

精度及优势

效率和成本

¹野外实测得到离散地面点数据直接构建TIN,建立DEM

精度取决于采点密度,适合建立小范围大比便尺

区域的DEM

效率低,成本较高º利用地形图数字化(等高线矢量化插值)提取DEM

精度取决于地形图比例尺,方法较简便效率较高,成本较低»采用数字摄影测量法利用航摄立体像对建立D EM 精度取决于航片比例尺的大小效率较高,成本较高¼采用数字摄影测量法利用卫星图像立体像对(如SPO T 图像等)建立D EM

精度较高,可大面积获取DEM

效率较高,成本较低½

利用合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)获取DEM

精度较高,尤其适用于常年积雪区、植被严重覆盖区的DEM 提取

效率较高,成本较高

相比而言,利用现有地形图生成DEM,方法简便,成本较低,对大多数用户来讲,应该是首选的方法之一。限于篇幅,以下主要介绍这种方法的技术路线及其特点。

3 基于现有地形图的DEM 构建

311 地形图矢量化

基于现有地形图的质量和等高线的密集程度,以分辨率300~400dpi,用扫描仪扫描成栅格图,以.TIF 等格式存储在计算机中。.TIF

格式的地形图在矢量化之前必须进行几何精校正,避免产生数字化的结果与原有地形图位置不相重合的问题。

矢量化的过程一般是以栅格图为底图,用矢量化软件对底图上的等高线及控制点、地形点等要素进行矢量化和定位。对等高线密集的区域可以采用

简化等高线的方式进行矢量化,即只勾绘能够反映地形变化的计曲线

或者每隔数条矢量化一条等高线。

如果地形复杂,要考虑冲沟、陡坎等地形特征和房屋、桥梁等地形点,将冲沟、陡坎处的等高线顺连,矢量化后结合原有地形图对数字化结果赋正确属性值(

主要是高程信息)。

笔者使用MapGI S6.2软件的/输入编辑0功能对经过配准的地形图矢量化,然后赋正确的高程属性,保存为软件默认的.wl 线文件。312 格式的转换

考虑到建模区域的复杂程度,及模型精度,笔者选择美国Golden 软件公司在Windows 环境下开发的、主要用于绘制等值线图和相应三维图形的地理数据绘图软件SURFER 来构建DEM 。

但是,SURFE R 软件读取的常用格式为ASCII Data

(.dar),而MapGIS 则是矢量化线文件(.wl),因此,如何将MapGI S 的.wl 文件转换成ASCII 码的.dat 成为构建DE M 的关键。

M apGIS 线文件.wl

GIS 数据方式输出DXF

CAD 可读的.dxf

ARCVIEW 编辑变换

ArcVIEW 的.shp

Arc Toolbox 格式转换工具

ArcGIS 的line coverage

DRDAS IMAGINE 三维数据导出

SURPER 可读的.dat

图1 数据格式转换流程图

如图1所示,将MapGIS 矢量化线文件按照/GIS 数据方式输出DXF 0输出;利用Arc VIEW 的扩展模块Cad Reader 读取1DXF 文件,转换成Shapefile;接着利用Arc Toolbox 工具把.shp 文件转换成Coverage 类型,这里的Coverage 文件是line coverage;最后用ERDAS I MAGI NE 的三维地形表面模块读取line coverage 文件,把线最终转换成离散点,导出SURFER 可读取的.dar 数据文件。313 DE M 的构建

DE M 有多种表示形式,主要包括规则格网