張一飛 楊 毅

（西安煤航信息產業(yè)有限公司，陜西 西安 7110054）

數(shù)字高程模型（DEM）是在測繪工作中，利用密集地形特征點坐標（x，y，z）形成的數(shù)字曲面集合來表達地面起伏形態(tài)的一種實體地面模型［1］。由于DEM是一種利用數(shù)值有序陣列表示地貌信息的方法，通過DEM模型的建立，可以按照用戶需求計算土方量、空間距離、覆蓋面積等，還可以提取各種地形參數(shù)，包括坡度、坡向、粗糙度等。此外，基于DEM水文分析，可以對區(qū)域匯水量、降雨影響程度、淹沒程度等進行分析，對防洪減災方面提供了極大幫助。由此可見，DEM在測繪、水文、氣象、地貌、地質、土壤、工程建設和通訊等國民經濟、人文及自然科學領域得到廣泛應用。

1 DEM的生成方法

數(shù)字高程模型（DEM）的構建需要密集的攜帶地形特征的三維點（x，y，z）集合，從數(shù)據(jù)源的獲取方式來講，建立DEM的方法可以分為三種［2］：

1.1 利用GPS、全站儀等測量儀器直接進行野外測量獲取。這種方法獲取數(shù)據(jù)的效率低、成本較高，為了保證DEM構建精度，需要減小數(shù)據(jù)采集密度，一般適用于小范圍大比例尺DEM的構建。

1.2 利用航空攝影、遙感、In-SAR技術獲取地形數(shù)據(jù)。如空三加密法、解析測圖、雷達干涉等，這類方法獲取數(shù)據(jù)的效率高、覆蓋面積大、實時更新速度快，是目前應用最普遍的DEM構建方法。構建的DEM精度和數(shù)據(jù)獲取設備分辨率直接相關，適用于各類比例尺DEM的構建，但由于這種方法與地面實體沒有實際接觸，獲取的地形特征點對地表實際地形特征的表達需要得到野外現(xiàn)場調繪和實測，一些地形特征點的缺失也需要通過野外測量進行補測。

1.3 已有地形圖的掃描采集。利用格網讀點法、數(shù)字化掃描儀等對地形圖進行半自動數(shù)據(jù)采集，通過內插生成DEM，該類方法效率較高，生成的DEM精度取決于地形圖精度，如果地形復雜，在構建過程中要考慮沖溝、陡坎等地形特征點以及房屋、道路等對矢量化結果的影響。

2 攝影測量數(shù)據(jù)特點及預處理

攝影測量方法是一種利用攝影、遙感、雷達等技術獲取的帶有地理坐標的數(shù)字正射影像圖［3］，形成了三維數(shù)據(jù)點云，包含了上萬甚至更多的點位數(shù)據(jù)，其不僅具有三維坐標信息，而且還隱含了點位之間的幾何拓撲信息，對影像在各方面的應用提供了便利，并且可以影像圖提供的三維點云，進行三維信息數(shù)據(jù)的深加工處理。

然而，由于獲取的三維點太過密集，數(shù)據(jù)量較大，不僅降低了數(shù)據(jù)計算速度，增大存儲難度，還增加了數(shù)據(jù)重構的誤差，所以應對攝影測量數(shù)據(jù)進行必要的預處理，主要包括影像去噪濾波和數(shù)據(jù)精簡。一般情況下，影像在購買時已經進行了必要的去噪濾波操作，而數(shù)據(jù)精簡工作是按照實際應用的要求進行的，操作過程只是對原始數(shù)據(jù)點云進行刪減，不產生新的點位，盡量保持原有數(shù)據(jù)形態(tài)和點位間的拓撲關系。

3 數(shù)據(jù)點云構建DEM

數(shù)字高程模型（DEM）是利用獲取的三維點位數(shù)據(jù)通過內插生成的，現(xiàn)有內插方法主要有整體內插法、分塊內插法和逐點內插法三種，其原理都是通過定義的函數(shù)對離散數(shù)據(jù)進行擬合構建地形地貌虛擬格網。格網的精度取決于選用的擬合方法，而決定了生成的DEM的準確度。目前，應用最多的算法是不規(guī)則三角網，其能夠以不同層次的分辨率來描述地表形態(tài)，能夠較完整地記錄微地形信息，利用更少的空間和時間精確地記錄和表達復雜表面，優(yōu)于其他各種方法。本文以ArcGIS軟件為基礎，從數(shù)據(jù)精簡到TIN的構建來闡述攝影測量數(shù)據(jù)生成DEM的方法。具體步驟如下［4-5］：

①將數(shù)據(jù)點云轉換成ArcGIS軟件應用形式，計算高斯曲率k和平均曲率H，并對其表達的高斯曲面進行分層［6］，即將特征點表達的地表特征進行了分層；

②對分層后的特征點進行柵格數(shù)據(jù)重采樣，對點云進行精簡，重采樣格網值的重新劃分需要針對不同曲面特征點圖層，對于曲面特征明顯的山峰、谷底等來說，重采樣格網設置小，而對于曲面特征不明顯的平地來說，重采樣格網可以設置大，重采樣后格網數(shù)較少，但不會影響原有曲面特征［7］；

③結合原始數(shù)字正射影像圖對精簡后的數(shù)據(jù)進行檢查，補充因柵格重采樣而剔除的微地形特征點，以便提高生成DEM的準確性；

④利用ArcGIS軟件提供的［3D Analyst］工具—［TIN管理］—［創(chuàng)建TIN］生成新圖層TIN；

⑤執(zhí)行命令［3D Analyst工具］—［轉換］—［由TIN轉出］—［TIN轉柵格］，指定相關參數(shù)：采樣距離，輸出柵格的位置和名稱：［TinGrid］，其中采樣距離是像元大小，其直接影響DEM生成的精度，在滿足精度要求的前提下，考慮計算機存儲和計算能力的限制，合理選擇像元大小。

4 結語

數(shù)字高程模型（DEM）的構建需要大量三維數(shù)據(jù)的支撐，攝影測量方法高效率地獲取三維點云數(shù)據(jù)，為數(shù)字高程模型的建立提供了幫助。而在ArcGIS軟件平臺上，對攝影測量點云數(shù)據(jù)進行精簡和重采樣，在此基礎上完成DEM的構建，形成了點云數(shù)據(jù)從預處理到DEM生成的整套技術流程。然而，在數(shù)據(jù)處理過程中，要特別注意和原始數(shù)字正射影像圖進行對照，避免造成微地形的缺失，影響DEM生成結果的準確性。

［1］李志林，朱慶.數(shù)字高程模型［M］.武漢：武漢測繪科技大學出版社，2000.

［2］茆德柱.TIN模型的構建方法研究［D］.南京：河海大學，2007.

［3］閆龍.基于CCD的立體視覺測量系統(tǒng)精度分析與結構設計研究［J］.儀器儀表學報，2008，29（2）：410-413.

［4］歐陽霞輝.ArcGIS地理信息系統(tǒng)大全［M］.北京：科學出版社，2009.

［5］鄒曉軍.攝影測量與遙感［M］.北京：測繪出版社，2011.

［6］張麗艷，周來水，周儒榮.逆向工程中曲面重構算法研究與實現(xiàn)［J］.航空學報，1999，20（3）：242-244.

［7］李松濤，張長水，榮剛，等.一種基于最小二乘估計的深度圖像曲面擬合方法［J］.自動化學報，2002，28（2）：310-313.