[摘要]本文以利用南方CASS進行掃描地形圖規(guī)則DEM制作的流程為主,同時討論:原有紙質(zhì)地形圖高分辨掃描方法及掃描質(zhì)量評定;利用南方CASS掃描地形圖糾正方法及糾正精度的評定;利用南方CASS制作標準DEM格網(wǎng)的方法及格網(wǎng)平面精度的評定;基于距離加權(quán)平均值法研究DEM格網(wǎng)點高程賦值的方法及DEM精度評定;基于構(gòu)三角網(wǎng)法DEM高程點自動高程賦值的方法及DEM精度評定。 
[關(guān)鍵詞]數(shù)字高程模型 圖像掃描 圖像糾正 DEM格網(wǎng) 精度評定 DEM產(chǎn)品 
  1概述 
  DEM是對地球表面的數(shù)字表達,它彌補了等高線的不足,既能表示地面連續(xù)的起伏變化,又適合作相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析和模擬。它是多學(xué)科交叉與滲透的高科技產(chǎn)物,在測繪、資源與環(huán)境、災(zāi)害防治、國防等與地形分析有關(guān)的科研及國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。正是由于DEM具有廣泛的應(yīng)用價值,而且DEM質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到地理信息系統(tǒng)各種分析結(jié)果的準確性,所以在建立和應(yīng)用DEM中,必須盡量準確、客觀地反映地形表面的起伏變化。 
  DEM的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)獲取方式對于DEM的最終質(zhì)量至關(guān)重要。DEM原始數(shù)據(jù)主要是高程和平面位置數(shù)據(jù),在可能條件下還應(yīng)包括各種地形結(jié)構(gòu)線如山谷線、山脊線、斷裂線等。另外,DEM應(yīng)用目的、數(shù)據(jù)采集效率和成本、技術(shù)熟練程度也影響著DEM數(shù)據(jù)采集的方法和策略。 
  目前,DEM的數(shù)據(jù)主要來源于原有地形圖、攝影測量與遙感影像數(shù)據(jù)、地面測量、原有DEM數(shù)據(jù)成果等。原有紙介質(zhì)地形圖通過掃描矢量化、制作大比例尺DEM經(jīng)過研究是可行的,利用南方CASS進行掃描地形圖DEM制作的流程。 
  本文以利用南方CASS進行掃描地形圖DEM制作的流程為主,同時討論:原有紙質(zhì)地形圖高分辨掃描方法及掃描質(zhì)量評定;利用南方CASS掃描地形圖糾正方法及糾正精度的評定;利用南方CASS制作標準DEM格網(wǎng)的方法及格網(wǎng)平面精度的評定;基于距離加權(quán)平均值法研究DEM格網(wǎng)點高程賦值的方法及DEM精度評定;基于構(gòu)三角網(wǎng)法DEM高程點自動高程賦值的方法及DEM精度評定。 
  2紙介質(zhì)地形圖準備工作 
  2.1掃描原圖要求 
  根據(jù)《1:500 1:1000 1:2000地形圖數(shù)字化規(guī)范》(GBT 17160-2008),掃描原地形圖一般應(yīng)該為聚酯薄膜圖,其變形應(yīng)該小于千分之0.2。若采用紙質(zhì)圖,根據(jù)用戶需要精度可適當放寬,但變形要均勻,經(jīng)過仿射變換處理后應(yīng)該能達到相應(yīng)的精度要求。掃描原圖精度具體要求,圖廓邊長誤差≤0.2mm;圖廓對角線誤差≤0.3mm;公里網(wǎng)點間距誤差≤0.2mm。同時應(yīng)保證掃描原圖上的地理要素清晰、正確、圖面整潔。 
  2.2掃描前準備工作 
  掃描數(shù)字化的前期準備工作主要包括:根據(jù)技術(shù)設(shè)計書,全面了解測區(qū)情況,如掃描原圖的比例尺、等高距、四周接邊情況以及作業(yè)時應(yīng)該注意的事項;檢查掃描原地形圖是否符合要求,特別注意對圖廓邊長的檢查,以保證掃描后地形圖影像的精度;檢查數(shù)據(jù)采集所需的軟件是否安裝齊備;準備好作業(yè)過程中所需資料以及生僻字登記簿。 
  2.3掃描原圖圖面預(yù)處理 
  在原地形圖掃描前,應(yīng)對圖面進行預(yù)處理,預(yù)處理主要包括:檢查要掃描的原地形圖與相鄰圖幅的接邊情況;線狀要素的連續(xù)性,如道路、河流、境界的走向,名稱、等級是否一致,等高線是否連續(xù)等;面狀地物如水域、植被、房屋以及大型工礦建筑物等是否閉合。發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)該作處理并做記錄。根據(jù)需要添補不完整的線劃。對圖上沒有明確界線的面狀要素部分,應(yīng)該加繪其概略范圍線,如復(fù)合植被、土質(zhì)類別、沼澤、水中灘等。如果掃描原地形圖不整潔,線劃、注記不清晰,可進行補修或者重新標描。 
  2.4屬性數(shù)據(jù)預(yù)處理 
  屬性數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括:對于圖上不易區(qū)分的要素類別和屬性應(yīng)該在預(yù)處理圖上標識出來,如標明同一線狀地物屬性變化和具有多重屬性的地物編碼等;檢查掃描原圖中各個要素信息是否完整(如行政區(qū)劃名稱、公路名稱和編號等),如果不完整,則應(yīng)該根據(jù)含有該要素信息的相鄰圖幅補充要素信息。 
  3原圖掃描與檢查 
  通過掃描儀將紙介質(zhì)地形圖掃描為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存放到計算機中,掃描分辨率不應(yīng)低于12點/mm(300dpi)。 
  掃描完成后,應(yīng)及時檢查如下內(nèi)容: 
 。1)柵格圖像分辨率是否達到300dpi。標準圖幅(50×50)掃描后圖像寬度應(yīng)不低于10680像素,高度應(yīng)不低于7052像素,水平分辨率應(yīng)不低于300dpi,垂直分辨率應(yīng)不低于300dpi,位深度應(yīng)不低于8; 
  (2)清晰程度,掃描圖像應(yīng)清晰,地物等點、線、面狀物應(yīng)明顯; 
 。3)錯位情況,掃描圖像應(yīng)無錯位情況; 
 。4)完整程度,掃描圖像應(yīng)百分之百完整。 
  4掃描圖圖像糾正 
  利用南方CASS圖像插入功能將掃描地形圖圖像插入至CASS中,利用圖像糾正功能進行圖像的定位、定向與尺度匹配,然后進行圖像糾正精度評定。 
  CASS掃描地形圖糾正的技術(shù)要求 
  4.1圖像糾正技術(shù)要求 
  柵格數(shù)據(jù)圖像糾正一般采用內(nèi)圖廓四個角點坐標進行圖像糾正,如果四個角點不能滿足精度要求,則需要進行公里格網(wǎng)逐個點的糾正,糾正后的柵格數(shù)據(jù)平面精度應(yīng)滿足規(guī)定。定向后的柵格數(shù)據(jù)圖廓點與理論圖廓點誤差應(yīng)該不大于一個像素。 
  4.2圖像糾正精度評定 
  圖像糾正精度應(yīng)采用坐標差法評定,即在糾正后的圖像上采集各坐標格網(wǎng)點的坐標,計算采集的坐標與坐標格網(wǎng)點理論坐標之差,得到各坐標格網(wǎng)點的ΔX、ΔY,并求得各坐標格網(wǎng)點的ΔS,利用公式4-1計算坐標格網(wǎng)點的糾正點位中誤差  經(jīng)統(tǒng)計計算的M△S值應(yīng)不小于相應(yīng)比例尺圖上0.2mm,超過時應(yīng)重新進行圖像糾正,直至符合該要求為止。 
  5 DEM標準格網(wǎng)生成 
  數(shù)字高程模型是在二維空間上對三維地形的描述,也就是說,它首先研究區(qū)域在二維平面上進行格網(wǎng)劃分,格網(wǎng)的大小一般取決于DEM的應(yīng)用目的,形成覆蓋整個區(qū)域的格網(wǎng)空間結(jié)構(gòu);然后利用分布在格網(wǎng)點周圍的地形采樣點內(nèi)插計算格網(wǎng)點的高程值,最后按一定的格式輸出,形成該地區(qū)的格網(wǎng)DEM。 
  根據(jù)DEM成圖的要求,利用CAD命令或CAD VBA程序生成標準的DEM格網(wǎng),CAD生成的DEM格網(wǎng)是嚴格按要求的間距完成的,不需要檢查。 
  6 DEM標準格網(wǎng)點高程賦值 
  DEM標準格網(wǎng)點高程賦值可以根據(jù)掃描的地形圖信息賦值,通常有兩種方法,即距離加權(quán)平均值法、三角網(wǎng)法,下面簡要介紹這兩種方法。 
  6.1距離加權(quán)平均值法 
  距離加權(quán)平均值法屬于逐點內(nèi)插法,即以DEM格網(wǎng)點為中心,確定一個領(lǐng)域范圍,用落在領(lǐng)域范圍內(nèi)的采樣點計算DEM格網(wǎng)點的高程值,該法由于內(nèi)插效率較高而成為目前DEM生產(chǎn)中常采用的方法。該方法原理如下: 
  設(shè)DEM格網(wǎng)點至周圍原圖高程點或等高線的距離(最短距離)為D1、D2、D3…Dn,采樣點的高程為H1、H2、H3…Hn,其權(quán)為P1P2P3…Pn,權(quán)Pi按式6-1計算 
  距離加權(quán)平均值法基本步驟為: 
 。1)選定DEM格網(wǎng)點,定義內(nèi)插DEM格網(wǎng)點的領(lǐng)域范圍,領(lǐng)域范圍至少應(yīng)包含三個以上原圖高程點; 
  (2)確定落在領(lǐng)域內(nèi)的采樣高程點,原圖采樣高程點應(yīng)具有代表意義,即應(yīng)符合領(lǐng)域地形特征,如DEM格網(wǎng)點落在坎上附近,原圖采樣高程點不能選擇坎下高程點,因為不具有地形代表性。 
 。3)通過領(lǐng)域內(nèi)選定的采樣高程點,根據(jù)公式6-1、6-2計算內(nèi)插DEM格網(wǎng)點的高程。 
  距離加權(quán)平均值法數(shù)學(xué)模型簡單,適宜于CAD VBA編程計算,并能實現(xiàn)自動注記到南方CASS圖形中。 
  6.2構(gòu)三角網(wǎng)法 
  利用南方CASS軟件提供的“建立DTM”功能,利用高程數(shù)據(jù)建立DTM(三角網(wǎng)),再利用南方CASS軟件提供的“查詢指定點高程”功能,即可得到DEM格網(wǎng)點的高程,具體操作步驟如下: 
 。1)采集掃描地形圖上的原高程點,圖幅邊緣缺少原高程點時應(yīng)根據(jù)等高線內(nèi)插,使采集的原高程布滿整個圖幅,并形成相應(yīng)的高程數(shù)據(jù)文件。利用南方CASS軟件“建立DTM”功能構(gòu)建三角網(wǎng),對建立的三角網(wǎng)進行處理。 
 。2)利用南方CASS軟件的“查詢指定點高程”功能,查詢DEM格網(wǎng)點的高程,直接在CASS上注記DEM格網(wǎng)點高程,并形成高程數(shù)據(jù)文件。 
 。3)檢查自動生成的DEM格網(wǎng)點高程是否與原地形圖有沖突,誤差較大時應(yīng)進行人工修改DEM格網(wǎng)點高程。 
  7 DEM格網(wǎng)檢查 
  DEM格網(wǎng)檢查應(yīng)包括如下內(nèi)容: 
 。1)位置精度和屬性精度檢查:屬性精度,完整性和邏輯一致性檢查;位置精度和屬性代碼,可以通過南方CASS軟件對矢量數(shù)據(jù)屬性進行符號化和注記,檢查其正確性。 
  (2)生成TIN:檢查生成TIN是否采用了規(guī)定的數(shù)據(jù)內(nèi)容;檢查生成TIN時使用的各種參數(shù)是否合理和正確;檢查TIN是否覆蓋整個圖幅范圍,并向圖廓外適當延伸;對 TIN進行檢驗,發(fā)現(xiàn)粗差的地方和不合理的地方退回上一步,修改矢量數(shù)據(jù)。 
 。3)生成DEM:檢查生成DEM的內(nèi)插模型;檢查DEM數(shù)據(jù)起止點坐標的正確性;檢查高程值有效范圍區(qū)是否正確;檢查DEM是否存在不平滑的地方需要編輯處理;檢查DEM是否有粗差,有則退上一步修改;檢查元數(shù)據(jù)文件是否正確。 
  主要檢查方法:將DEM按高程分層設(shè)色,與等高線和掃描影像疊加顯示或繪圖輸出檢查,或?qū)EM生成的三維暈渲圖與等高線疊加檢查。 
  (4)DEM編輯:檢查DEM數(shù)據(jù)中存在的不平滑現(xiàn)象是否徹底編輯干凈和合理。 
  8結(jié)論 
  本文簡要論述了利用南方CASS進行掃描地形圖規(guī)則DEM制作的主要流程,通過實踐檢驗論證了利用南方CASS進行大比例尺掃描地形圖規(guī)則DEM制作的可行性、可靠性,重點闡述了DEM格網(wǎng)高程賦值的兩種方法及步驟,距離加權(quán)平均值法精度較高,但南方CASS軟件中沒有該功能,需要CAD二次開發(fā)編程實現(xiàn);構(gòu)三角網(wǎng)法依據(jù)南方CASS軟件開發(fā)的功能,操作簡單、便捷、快速,但DTM建立受掃描原圖高程精度的制約,內(nèi)插DEM格網(wǎng)點高程在地形復(fù)雜時需要人為修改量較大。
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