基于地形圖的大比例尺DEM精度檢查技術(shù)

余詠勝，尹言軍，章 琳

（武漢市測(cè)繪研究院，湖北武漢430022）

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基于地形圖的大比例尺DEM精度檢查技術(shù)

余詠勝，尹言軍，章 琳

（武漢市測(cè)繪研究院，湖北武漢430022）

摘 要：大比例尺DEM成果精度檢查是數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的核心內(nèi)容，如何全面核查DEM成果精度、快速發(fā)現(xiàn)粗差區(qū)域?qū)τ谥笇?dǎo)DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)、提高成果質(zhì)量有重要意義。結(jié)合武漢市大比例尺DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)及檢查工作現(xiàn)狀，提出以全要素地形圖為基礎(chǔ)，采用基于FME的高程信息提取模型和DEM精度檢查模型，通過(guò)ArcGIS模板和Python自動(dòng)化處理腳本對(duì)DEM成果精度進(jìn)行檢查分析和統(tǒng)計(jì)的處理技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能提高DEM成果精度檢查分析的效率和質(zhì)量，可廣泛應(yīng)用于DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：DEM；精度檢測(cè)；FME；Python；Arcpy

地形表面的數(shù)字化是用數(shù)字高程模型（DEM）表示，一般以規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)高程數(shù)值矩陣來(lái)表示地表起伏形態(tài)特征信息，可廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、工程建設(shè)、環(huán)境保護(hù)和治理等領(lǐng)域。隨著航空攝影技術(shù)的快速發(fā)展，基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站、利用高分辨率航空影像進(jìn)行大比例尺DEM數(shù)據(jù)采集模式已得到廣泛應(yīng)用。大比例尺DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)較為常用的做法有兩種：一種是通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站進(jìn)行特征點(diǎn)、線的采集，據(jù)此構(gòu)TIN內(nèi)插成規(guī)則格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)；另一種是通過(guò)特征匹配方式直接生成規(guī)則格網(wǎng)的DSM數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上立體模式下進(jìn)行編輯，消除建筑、植被等要素影響生成DEM成果。無(wú)論以何種方式生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)，其成果真實(shí)地反映地形地貌的現(xiàn)狀，其質(zhì)量及數(shù)據(jù)精度能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求。

1　問(wèn)題分析

DEM成果精度檢查主要是檢查DEM數(shù)據(jù)的高程誤差及分布情況、能否準(zhǔn)確反映地形地貌特征，DEM精度檢查的方法有多種，可以通過(guò)分層設(shè)色、三維模型可視化或等高線回放方式檢查，也可以利用已知高程點(diǎn)或地形圖上高程值進(jìn)行檢查。分層設(shè)色和三維模型可視化可以發(fā)現(xiàn)粗差，但不能用于精確評(píng)估；等高線回放模式一般用于定性評(píng)價(jià)；直接上機(jī)檢查一般需要恢復(fù)立體模型，其作業(yè)效率相對(duì)較低。實(shí)際生產(chǎn)中在基礎(chǔ)資料比較齊全區(qū)域一般以大比例尺地形圖為標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)DEM數(shù)據(jù)套合方式進(jìn)行成果精度檢查。

通過(guò)全要素地形圖進(jìn)行DEM精度檢查，在顯示器上點(diǎn)選操作，處理方便，頻繁人工查詢?nèi)≈倒ぷ餍实拖拢挥糜谏a(chǎn)的全要素地形圖數(shù)據(jù)來(lái)源多樣，可能是AutoCAD DWG數(shù)據(jù)格式或MicroStation DGN格式，部分單位甚至在數(shù)據(jù)提供時(shí)進(jìn)行了圖層合并處理，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理；精度檢查工作需要進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)表格填寫(xiě)，人工處理周期較長(zhǎng)。針對(duì)以上情況，本文采用FME空間數(shù)據(jù)處理模型和Python腳本語(yǔ)言對(duì)DEM精度檢查技術(shù)進(jìn)行了研究和探討。FME可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)100種不同空間數(shù)據(jù)格式之間的相互轉(zhuǎn)換，可滿足生產(chǎn)單位對(duì)于多源制圖數(shù)據(jù)高效處理的要求；Python語(yǔ)言是ArcGIS系統(tǒng)中擴(kuò)展地理處理的通用腳本語(yǔ)言，通過(guò)com接口可方便地在不同系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互和處理。結(jié)合大比例尺DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，提出了以全要素地形圖為基礎(chǔ)、以FME空間數(shù)據(jù)處理模型和Python自動(dòng)化處理腳本為手段的DEM成果精度檢查分析與處理技術(shù)，提高了DEM成果精度檢查工作的效率、準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

2　大比例尺DEM精度檢查

2．1 大比例尺DEM精度檢查流程

大比例尺DEM成果精度檢查包括DEM數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、高程精度、接邊精度、數(shù)據(jù)范圍的完整性、高程值的有效性以及元數(shù)據(jù)的正確性等內(nèi)容，DEM精度檢查的一般性檢查項(xiàng)目比較容易處理，高程精度的檢查處理則相對(duì)比較困難，是檢查內(nèi)容的關(guān)鍵。本文DEM成果精度檢查是以大比例尺地形圖（．dwg格式）為基礎(chǔ)，從中提取高程點(diǎn)位和高程注記值信息，通過(guò)與DEM數(shù)據(jù)（．img格式）的疊置處理，獲取點(diǎn)位的DEM原始高程并計(jì)算高程較差，在ArcGIS系統(tǒng)中利用圖層模板對(duì)檢查點(diǎn)要素按不同精度要求進(jìn)行分類設(shè)色，便于檢查人員對(duì)誤差較大的問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識(shí)、核查，及時(shí)作出處理；確認(rèn)DEM數(shù)據(jù)滿足相關(guān)精度要求后可通過(guò)python腳本語(yǔ)言自動(dòng)填寫(xiě)相關(guān)記錄表格，并對(duì)檢查成果進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。大比例尺DEM精度檢查處理流程如圖1所示。

2．2 高程信息提取

圖1　大比例尺DEM精度檢查處理流程

高程點(diǎn)信息提取的目的是利用現(xiàn)有地形圖上的高程點(diǎn)位和高程注記信息生產(chǎn)三維點(diǎn)要素，便于DEM疊置處理及精度檢查。對(duì)于已經(jīng)建立大比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫(kù)的區(qū)域，由于高程點(diǎn)位及高程值屬性已經(jīng)進(jìn)行了拓?fù)錂z查和屬性關(guān)聯(lián)，可以直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相關(guān)信息。實(shí)際生產(chǎn)中往往存在大量未入庫(kù)地形圖數(shù)據(jù)，或矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行圖層合并等處理，難以直接從數(shù)據(jù)中提取相關(guān)信息，進(jìn)行高程信息提取時(shí)必須根據(jù)數(shù)據(jù)的具體情況進(jìn)行分析處理。

根據(jù)大比例尺地形圖圖式的要求，高程點(diǎn)一般用0．5mm的黑點(diǎn)表示，由于AutoCAD中點(diǎn)要素不具備尺寸信息，通常采用插入高程點(diǎn)符號(hào)圖塊的方式表示點(diǎn)位，因此高程點(diǎn)位可通過(guò)autocad＿block＿name進(jìn)行過(guò)濾方式確定塊要素，然后根據(jù)要素平面坐標(biāo)采用VertexCreator轉(zhuǎn)換器生成高程點(diǎn)位。高程值一般用TEXT文本標(biāo)注方式保存至指定圖層，由于矢量數(shù)據(jù)存在圖層合并等干擾處理，導(dǎo)致其它圖層注記信息如樓層注記、植被標(biāo)注、圖廓標(biāo)注等信息混合至高程注記層，必須將這些多余信息剔除。為實(shí)現(xiàn)高程注記的有效過(guò)濾，讀取dwg文件時(shí)應(yīng)將autocad＿layer、autocad＿color、autocad＿text＿string、autocad＿text＿size等屬性暴露出來(lái)便于根據(jù)圖層、顏色、字體大小等信息進(jìn)行篩選，同時(shí)為防止高程注記本身存在的輸入錯(cuò)誤（如高程值為21．．3，包含多余小數(shù)點(diǎn)），還需要對(duì)高程注記字符串?dāng)?shù)值正確性進(jìn)行判斷。

高程點(diǎn)位和高程值注記提取之后，需要進(jìn)行圖形和屬性關(guān)聯(lián)操作。通常高程注記的平面位置可能根據(jù)圖面負(fù)載情況進(jìn)行移位處理，考慮到注記的大小，該移位距離通常不超過(guò)20m，該距離可設(shè)置為高程注記的最大搜索范圍。FME中可通過(guò)NeighborFinder轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高程點(diǎn)位和注記的關(guān)聯(lián)，在最大搜索范圍內(nèi)的、距高程點(diǎn)位最近的高程注記作為高程值與點(diǎn)位關(guān)聯(lián)，對(duì)于只有高程點(diǎn)位沒(méi)有高程注記、有高程注記沒(méi)有對(duì)應(yīng)高程點(diǎn)位的直接剔除，確保散點(diǎn)高程信息提取準(zhǔn)確、有效。從矢量地形圖中進(jìn)行高程點(diǎn)信息提取的模型如圖2所示。利用該圖高程點(diǎn)信息提取模型，通過(guò)FME批量轉(zhuǎn)換向?qū)Чぞ撸梢宰詣?dòng)完成任意數(shù)量矢量地形圖數(shù)據(jù)的高程信息提取工作。

圖2　地形圖高程點(diǎn)信息提取模型

2．3 DEM精度檢測(cè)與分析

大比例尺地形圖的高程點(diǎn)信息提取工作是進(jìn)行DEM精度檢查的前提，提取高程點(diǎn)要素之后才能進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)的精度檢查和分析處理。DEM數(shù)據(jù)通常以不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模式或規(guī)則格網(wǎng)（Grid）模式表現(xiàn)，生產(chǎn)中DEM成果一般采用浮點(diǎn)型柵格數(shù)據(jù)格式保存（．img或．tif格式）。在FME中根據(jù)已有高程點(diǎn)的平面位置從DEM數(shù)據(jù)上獲取相應(yīng)點(diǎn)位的高程值可以通過(guò)PointOnRasterValue－Extractor轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，高程較差通過(guò)AttributeCreator新增字段計(jì)算并保存。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，大比例尺DEM數(shù)據(jù)一般采用2．5m格網(wǎng)間距，高程中誤差按平地、丘陵地、山地等地形類別劃分不同精度等級(jí)，粗差比較集中的區(qū)域可能是DEM數(shù)據(jù)采集存在問(wèn)題的區(qū)域，也有可能是地形發(fā)生變化的區(qū)域，對(duì)于這類區(qū)域需要重點(diǎn)核查。在FME中可以通過(guò)HullAccumulator轉(zhuǎn)換器將超限區(qū)域連接成多邊形，一般采用Concave模式生成凹包，根據(jù)大比例尺地形圖高程注記點(diǎn)位間距分布規(guī)律，對(duì)于離散的粗差范圍可以設(shè)置閾值將面積小于3000的破碎區(qū)域進(jìn)行濾除。DEM精度檢查模型如圖3所示。

圖3　DEM精度檢查模型

根據(jù)DEM制作要求，立交橋、高架橋等路面一般按橋下地面實(shí)際高程表示，而全要素地形圖上立交橋、高架橋均存在高程散點(diǎn)，此時(shí)DEM精度檢測(cè)出的粗差屬于偽變化，需要剔除；此外，由于水位漲落的影響，地形圖上部分河流岸線區(qū)域的高程點(diǎn)可能位于DEM數(shù)據(jù)采集時(shí)的水位線以下，此時(shí)檢測(cè)出的粗差也應(yīng)剔除。為便于質(zhì)量檢查人員直觀、方便地對(duì)DEM精度檢查結(jié)果進(jìn)行核查分析，對(duì)存在問(wèn)題的區(qū)域進(jìn)行快速定位和標(biāo)識(shí)，通常需要在Arc－GIS系統(tǒng)對(duì)檢查點(diǎn)位矢量和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量和柵格數(shù)據(jù)疊置處理，以便快速識(shí)別偽粗差、圈定粗差較大的問(wèn)題區(qū)域。為提高DEM精度檢查作業(yè)的效率，避免在不同的圖幅間切換時(shí)需重復(fù)對(duì)高程較差進(jìn)行符號(hào)化設(shè)置，一般需要將DEM高程檢查點(diǎn)矢量要素保存為圖層檢查模板，數(shù)據(jù)切換時(shí)直接指定．lyr圖層文件作為高程較差符號(hào)化的模板進(jìn)行自動(dòng)處理。

2．4 DEM精度統(tǒng)計(jì)

DEM數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)是成果質(zhì)量檢查的一項(xiàng)重要工作，其主要內(nèi)容是根據(jù)高程點(diǎn)精度檢查情況，填寫(xiě)相關(guān)精度檢查記錄表格。按常規(guī)作業(yè)模式需要通過(guò)人工核查圖面檢查點(diǎn)位分布并選點(diǎn)，再根據(jù)點(diǎn)位高程及較差信息填寫(xiě)相關(guān)記錄表格，該項(xiàng)工作相當(dāng)繁瑣且容易出錯(cuò)，本文通過(guò)python腳本實(shí)現(xiàn)了精度統(tǒng)計(jì)的自動(dòng)化處理。

Python是一種開(kāi)源的腳本編程語(yǔ)言，是Arc－GIS系統(tǒng)中通用腳本語(yǔ)言。在python腳本中可通過(guò)import arcpy方式引用arcpy站點(diǎn)包，從而實(shí)現(xiàn)shp文件的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和空間分析等操作?；谌氐匦螆D進(jìn)行DEM精度檢測(cè)時(shí)，單幅圖內(nèi)DEM檢查點(diǎn)數(shù)約400點(diǎn)左右，精度檢查記錄表一般只需要填寫(xiě)25個(gè)左右檢查值，可以根據(jù)圖幅的坐標(biāo)格網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾，每個(gè)坐標(biāo)格網(wǎng)內(nèi)取其中心附近的檢查點(diǎn)作為記錄值，其點(diǎn)位分布滿足圖幅內(nèi)均勻分布。當(dāng)圖幅不滿幅時(shí)，可增選格網(wǎng)角點(diǎn)附近的檢查點(diǎn)作為記錄值填寫(xiě)。篩選后的檢查點(diǎn)可通過(guò)arcpy．Search－Cursor（）函數(shù)讀取DEM高程值、高程檢查值及高程較差等屬性。

在Python中調(diào)用和處理Word文檔模板需要pywin32模塊的支持，通過(guò)import win32com．client可實(shí)現(xiàn)com接口的調(diào)度，不需要處理復(fù)雜事件響應(yīng)函數(shù)就可直接對(duì)Microsoft Word文檔中的段落、表格以及文本格式進(jìn)行修改或設(shè)置。利用python腳本進(jìn)行DEM精度統(tǒng)計(jì)的相關(guān)操作主要代碼如下：

import win32com．client，arcpy

＃打開(kāi)Word文件模板準(zhǔn)備寫(xiě)入數(shù)據(jù)

WordApp＝win32com．client．Dispatch（“Word．Application”）

doc＝WordApp．Documents．Open（docPath－Name）

tbl＝doc．Tables（1）

＃打開(kāi)Shape文件讀取高程檢查信息

rows＝arcpy．SearchCursor（shpPathName）

for row in rows：

dem，chk，delta＝row．getValue（“dem”），row．getValue（“chk”），row．getValue（“delta”）＃在Word文檔模板中填入高程及較差信息

if（i＜＝25）：

tbl．Cell（i，2）．Range．Text＝“%．1f”%（dem）

tbl．Cell（i，3）．Range．Text＝“%．1f”%（chk）

tbl．Cell（i，4）．Range．Text＝“%．1f”%（delta）

i＋＝1

以上腳本中，有關(guān)檢查點(diǎn)的篩選、高程中誤差統(tǒng)計(jì)及其它細(xì)節(jié)內(nèi)容由于所占篇幅較多且較容易實(shí)現(xiàn)而進(jìn)行省略處理。

3　試驗(yàn)區(qū)結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文提出的高程點(diǎn)信息提取和DEM精度檢查方法的效率和可用性，結(jié)合武漢市1∶2 000比例尺DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工作進(jìn)行試驗(yàn)，圖4中顯示了經(jīng)本文方法處理后原始DEM數(shù)據(jù)和檢查點(diǎn)高程誤差分布情況。

圖4中檢查點(diǎn)的顏色根據(jù)其高程較差delta的數(shù)值大小進(jìn)行了分類設(shè)色，淺色點(diǎn)的檢查點(diǎn)分別代表平地、丘陵地的精度要求；灰色點(diǎn)位代表山地或隱蔽地區(qū)的精度要求，出現(xiàn)在平地或丘陵地區(qū)域則表示精度可能超限；深色點(diǎn)區(qū)域代表精度超過(guò)限差要求，需要重點(diǎn)核查原因；箭頭為超限區(qū)域連成的多邊形。圖4中高程檢查點(diǎn)存在四處明顯超限區(qū)域，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，其中兩處為橋梁上點(diǎn)位可以剔除，另一處為河岸落水區(qū)域也可以剔除，第四處超限區(qū)域即多邊形區(qū)域經(jīng)核查為實(shí)地發(fā)生地形變化、與地形圖上地形不一致產(chǎn)生超限。經(jīng)核查可將超限區(qū)域點(diǎn)位剔除，其它檢查點(diǎn)參與DEM精度統(tǒng)計(jì)表格的自動(dòng)生成。

圖4　DEM成果及精度檢查結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合大比例尺DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，分析現(xiàn)有DEM成果精度檢查方式的問(wèn)題與不足，針對(duì)質(zhì)量檢查驗(yàn)收人員工作方法單一、自動(dòng)化程度不高的現(xiàn)狀，系統(tǒng)地闡述以大比例尺地形圖為基礎(chǔ)、基于FME空間數(shù)據(jù)處理模型和Python自動(dòng)化處理腳本的DEM成果精度進(jìn)行檢查分析和統(tǒng)計(jì)的處理技術(shù)。通過(guò)試驗(yàn)區(qū)檢測(cè)結(jié)果表明，該方法對(duì)DEM數(shù)據(jù)的精度檢查方法是非常有效的，該作業(yè)模式可以顯著提高質(zhì)量檢查工作的效率，可以廣泛應(yīng)用于DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐。此外，DEM精度檢查生成的粗差區(qū)域多邊形，經(jīng)核查后作為地形圖變化區(qū)域標(biāo)識(shí)，可用于指導(dǎo)大比例尺地形圖的更新工作。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 齊曉飛，王光霞，馬俊，等．DEM誤差可視化方法的適應(yīng)性研究［J］．測(cè)繪工程，2013，22（2）：17－21．

［2］ 陳艷麗．1∶10 000DLG生產(chǎn)DEM的質(zhì)量檢查與評(píng)定［J］．地理空間信息，2011（2）：29－31，7．

［3］ 王佩，呂志勇．DEM產(chǎn)品質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)研究與實(shí)現(xiàn)［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2011（5）：280－283．

［4］ 周小軍，王光霞，薛志偉，等．基于DEM化簡(jiǎn)的等高線綜合研究［J］．測(cè)繪工程，2014，23（2）：10－14．

［5］ 常線．基于Global Mapper的DEM檢查方法［J］．測(cè)繪與空間地理信息，，2014，37（2）：209－210．

［6］ 熊登亮；陳舫益．采用無(wú)人機(jī)影像生成高原山區(qū)高精度DEM的一種方法［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2014，37 （1）：127－128．

［7］ 張朝忙，劉慶生，劉高煥，等．中國(guó)地區(qū)SRTM3DEM高程精度質(zhì)量評(píng)價(jià)［J］．測(cè)繪工程，2014，23（4）：14－19．

［8］ 李孟軍．DEM接邊檢查平差系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2014，37（5）：159－160．

［9］ 梁麗芳，田時(shí)雨，王燕云，等．基于DEM的地形分類方法研究［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2014，37（8）：206－208．

［10］余詠勝，羅名海，吳克友，等．基于FME的地理國(guó)情覆蓋要素提取技術(shù)探討［J］．地理空間信息，2014（5）：01－03．

［11］胡鵬，吳艷蘭，胡海．再論DEM精度評(píng)定的基本理論問(wèn)題［J］．地球信息科學(xué)，2005（3）：28－33．

［12］徐道柱，張衛(wèi)柱，田浩，等．基于等高線約束三角網(wǎng)的格網(wǎng)DEM精度評(píng)估方法［J］．測(cè)繪工程，2013，22（2）：75－78．

［13］張新利．一種DEM套合自動(dòng)檢查算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2012，35（10）：43－46．

［責(zé)任編輯：李銘娜］

Research on the accuracy checking technology of large scale DEM data based on topographic map

YU Yongsheng，YIN Yanjun，ZHANG Lin

（Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China）

Abstract：The accuracy of large scale DEM data is the core content of data quality control．How to check the accuracy of DEM data and quickly find the gross area has important significance for improving the quality of DEM data production．With the discussion of current situation of large scale DEM data production and inspection in Wuhan，a method for DEM product accuracy detection and analysis technology is put forward based on topographic map and an FME model of ground point extraction and accuracy detection with ArcGIS templates and python scripts is proposed．The results show this method can improve the quality and efficiency of DEM products accuracy check．It can be widely applied to the production of DEM data．Key words：DEM；accuracy checking；FME；Python；Arc

作者簡(jiǎn)介：余詠勝（1979－），男，高級(jí)工程師，碩士．

基金項(xiàng)目：國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（PF2013－14）

收稿日期：2014－10－29

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006－7949（2016）01－0069－04