高精度DEM的生成及其精度分析

房雷

來源：智能與信息化 2016年

摘要

隨著地理信息系統的發展，數字高程模型在地學領域發揮越來越重要的作用。DEM作為一種基礎數據，更作為一種數據處理和應用方法已經成為了地理信息系統的一個重要組成部分。建立高質量的DEM對國家地理信息系統及各專業領域有非常重要的作用。論文簡單介紹了DEM的應用及主要表示模型，總結DEM數據質量檢查精度評定的方法，以供參考。

關鍵詞

數字高程模型;不規則三角網;精度

1、DEM的含義和現狀

數字高程模型是通過有限的地形高程數據實現對地形曲面數字化模擬，可以用一組有限序列的三維向量來表示。數字高程模型作為DTM的一個分支，其他各種地形特征值均可由此派生。DEM在各專業領域具有很重要的應用，已成為國家基礎地理信息數據的重要組成部分。相對于傳統測量獲得的地形圖，DEM 在表達地面的起伏形態方面有無可比擬的優越性，在保證精度的前提下，可以以多種形式顯示地形信息，具有非常大的潛力。

2、DEM的應用

DEM作為多學科聯系的產物[1]，它的重要特點是任何一個能夠轉換為數字的特征數據，都與特定的坐標數據相結合。它在各個領域都有較多的利用價值，例如：（1）作為國家地理信息的基礎數據，即現在強調的 4D 產品的建設；（2）在線路勘測設計中建立的 DEM 可以求得線路縱斷面和橫斷面上的地形特征信息，并以此求得最佳線路；（3）在一些大型工程中，必須經過勘測、規劃、設計等階段，而通過 DEM 能快速獲得該區域的等高線、斷面圖并最終完成規劃方案設計；（4）為軍事目的而進行的三維顯示；（5）工程項目中的挖填方計算，可以大量節省內、外業的工作量，在工程規劃選址、坡度坡向分析、洪水險情預報、景觀設計與城市規劃和土地利用現狀等方面也有重要作用。

3、DEM的主要表示模型

3. 1規則格網模型

人們通常采用規則格網模型作為 DEM 模型。規則格網法是把 DEM 表示成高程矩陣，把區域空間切分為許多個規則的格網單元，此時，DEM 來源于直接規則矩形格網采樣點或由不規則離散數據點內插產生。當整個地形表達范圍內各數據點的間隔相同時，地形簡單的地區存在大量冗余數據，在復雜地形區則不能完整的表達。鑒于此，人們通過改變格網的大小來適用起伏程度不同的地區，在地形簡單地區增大格網間隔，而在復雜地區則減小格網采樣間隔。

3. 2 等高線模型表示法

等高線模型所表示高程值的集合是已知的，等高線一般被存儲成一個有序的坐標點序列，這樣一系列等高線集合和它們的高程值構成了一種地面高程模型。由于等高線模型只是表達了區域的部分高程值，往往需要通過內插方法來計算等高線以外的其他未知點的高程。

3. 3 不規則三角網 TIN表示法

不規則三角網[2]表示法利用所有采樣點取得的離散數據，按照優化組合的原則，把這些離散點（各三角形的頂點）連接成相互連續的三角面的表示方法，是另外一種表示數字高程模型的方法，此模型既可以減少規則格網方法的數據冗余，又可以提高計算效率方面。當采樣點呈不規則分布的時候可采用此法，根據地形的復雜程度來確定采樣點的密度和位置，能充分表示地形特征點和線，從而節省存儲空間。利用地形特征點和線等方面的數據獲得高質量的 DEM 數據便能夠較好地表示復雜地形，獲得高質量的三維立體圖。不規則三角網的缺點是數據結構比較復雜，操作起來有很大的難度。

4 DEM數據質量檢查精度評定

4. 1 DEM數據質量檢查

DEM 數據質量指的是 DEM 數據在表達空間位置、高程和時間信息[3]這 3 個基本要素時所能達到的準確性、一致性、完整性以及他們三者之間統一性的程度。DEM 質量的好壞決定 DEM 的精度，因此，質量檢查是 DEM 生產重要環節之一。不同 DEM 數據的獲取方式 DEM 數據質量檢查是不完全相同，總的來說，DEM 質量檢查主要包括以下內容：（1）DEM 原始的數學基礎是否準確；（2）DEM 原始數據的質量檢查；（3）確定 DEM 高程值的有效范圍是否正確；（4）DEM 的接邊檢查；（5）DEM 數據內插模型的檢查；（6）DEM 產品的元數據和附件質量的檢查。數據采集是 DEM 的關鍵，在 DEM 數據采集時，根據地形復雜程度和所需的精度確定數據采集的取樣間隔，并動態調整 DEM 數據采樣點密度。DEM 主要表達的是高程屬性特征，DEM 格網點的高程精度便成為檢查的重心，主要檢查格網點是否含有粗差。主要方法有以下幾種。

4.1.1人工判斷法

人工判讀高程檢查是檢查 DEM 精度最可靠的方法，通過比較人工在地形圖上讀出的高程值和各種 DEM 內插算法計算出的格網點高程，從而檢查出格網點是否存在粗差點，進而對 DEM 高程的質量情況進行評定。

4.1.2 分層設色法

分層設色檢查法分為常規的高程分帶設色和基于高程數據的灰度影像，其基本原理是根據等高線劃分出地形的高程帶，按一定的色相色調設定原則，給不同的高度帶設置不同的顏色。

4.1.3 三維可視化法

三維可視化檢查方法是在建立數字地形模型的前提下，從整體上檢查地勢起伏變化和 DEM 數據符合情況，從而對數據的的質量進行評定。

4. 2 DEM精度評定方法和精度模型

DEM 精度[4]是數字地形建模、數字地形分析和各種地學過程模擬最為關心的問題。數字高程模型精度研究分為2個階段：第一階段的基本特征是內插技術分析和數據采樣策略研究；第二階段對 DEM 精度的研究由內插分析逐步轉向原始數據質量控制與分析。近年來，隨著 DEM 應用由數據層面向地學建模和地表過程分析轉變，DEM 誤差與結構特征對應用的影響分析成為一個研究熱點。DEM 精度評定在內容上可通過 2 種不同的方式進行，即平面精度和高程精度分開評定和平面精度和高程精度同時評定。DEM 高程精度的評定主要有理論分析和實驗分析 2 種方法。理論分析是通過一定的數學方法來尋求對地表起伏復雜變化的統一規律，結合各種內插數學模型，使評定所得的精度、評定方法以及某些比較規律的結論，有相對普遍的理論意義。實驗分析是從數據源隨機抽取樣區或通過專家經驗選取典型地貌樣區，通過考慮各種采樣方式等因素的影響，并依據地形復雜情況選用不同的高程內插數學模型，來評定所建數字高程模型的精度。主要模型有以下幾種。

4.2.1 檢查點法和 DEM 中誤差模型

檢查點法是按格網或任意形式分布的檢查點與生成的DEM 數據點進行檢查，將這些點處的內插高程和實際高程逐一比較得到各個點的誤差，然后計算中誤差。我國國家測繪局1∶10000和 1∶50000 數字高程模型生產技術規定用 28 個監測點對圖幅內和圖幅邊緣進行檢測。

4.2.2 等高線套合分析和 DEM 定性評價模型

等高線套合分析指將已經獲得的 DEM 數據內插生成等高線，并將剛生成的等高線與原始等高線或其他圖形產品疊加，用目視檢查等高線是否有異常情況。

4.2.3 實驗方法和 DEM 經驗模型

DEM 經驗模型建立包括 2 個基本的環節，即原始數據精確度評價和DEM精度評定。原始數據精確度評價主要對數據源、數據獲取方式等方面做出評價，目的是減少原始數據的系統性誤差和消除粗差；DEM 精度評定則重點研究 DEM 內插、數據點分布和密度、是否考慮地形特征、建模方法等因素對DEM 精度影響。

5 結語

數字高程模型作為地形特征的最重要的空間信息資料和進行地形分析的核心數據系統，由于數據形式的多樣性及應用領域的廣泛性，DEM 的數據與空間分析問題幾乎涵蓋了地理信息系統理論和方法的各個方面，高精度的 DEM 建立已極為重要，并將在各行業得到廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 李志林，朱慶.數字高程模型[M].武漢：武漢大學出版社，2003.

[2] 王光霞，朱長青.數字高程模型地形描述精度的研究[J].2004（33）:168-169.

[3] 羅伏軍，李程.測繪與空間地理信息[J].2016（3）:57-59.

[4] 江帆.DEM 表面建模與精度評估方法研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2006

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