一种利用坡度分区滤波的DEM转换等高线方法

赵学松，吴君峰

(广西壮族自治区遥感信息测绘院，广西 南宁 530023)

一种利用坡度分区滤波的DEM转换等高线方法

赵学松，吴君峰

(广西壮族自治区遥感信息测绘院，广西 南宁 530023)

针对DEM转换等高线时，现有方法不能方便、有效处理好曲线光滑与地貌精度损失之间的关系，提出了基于坡度分区滤波的DEM转换等高线方法。对不同的坡度分区采用不同大小的窗口进行均值滤波，并对滤波高程差值进行控制，较好地处理了曲线光滑与地貌精度损失之间的关系；同时，对计曲线之间的窄部首曲线进行自动识别和打断删除。基于该方法，利用ArcGIS+Python脚本开发了DEM到等高线自动转换工具，在数字广西地理空间框架建设1∶1万DLG项目的等高线采集工作中得到了初步应用，取得了良好的效果。

DEM；等高线；坡度分区；滤波；精度控制

获取高精度DEM的传统航测方式之一是先基于立体模型采集特征矢量，然后内插生成DEM格网，此方式人工工作量大、采集效率普遍较低。以PixelGrid为代表的多基线与多重匹配技术、分布式数据处理技术，使航摄影像快速匹配生成高精度DSM成为可能；激光测距技术、雷达干涉技术等可快速、直接获取高精度DSM。对于地形裸露区域，DSM等同于DEM；对植被、构筑物覆盖区域，通过对DSM进行滤波处理等操作后，获取高精度DEM的编辑时间也大大减少。在同时需要DEM和等高线的区域，采用“DSM→DEM→等高线”的作业方式相对“等高线→DEM”的方式，能减少人工工作量，整体作业效率明显提高。

等高线要求光滑、美观，不作任何处理的DEM直接转换为等高线时，通常都存在生硬打折、非地貌抖动、粘连、平缓区域整体不光滑等缺陷，需要进行光滑处理后才能作为等高线成果。近几年，国内测绘地理信息行业学者、技术工作者在这方面做了大量研究，取得了较多有价值的研究成果[1- 14]，许多软件也实现了转换与处理功能。总的来说，现有的技术方法实现等高线光滑处理主要有3种方式：一是对DEM进行光滑处理后生成等高线；二是生成等高线后进行线条光滑；三是对DEM光滑处理后生成等高线，然后再进行线条光滑。这3种方式都能生成光滑的等高线，但均是针对整个区域进行统一的处理，当区域内有多种地形类别时，难以使整个区域的转换精度与曲线光滑程度都达到较满意的效果。对此，本文提出一种基于坡度分区滤波的DEM转换等高线方法。

1 转换思路与步骤

本文研究的方法要解决3方面的问题：一是整个转换处理步骤在一种软件上完成，减少人工干预程度，实现最大程度的自动化；二是在精度可控的条件下，较大程度地改进地势平缓处的图面效果；三是同一幅图内，针对不同地形(陡峭或平缓)，采用不同的光滑强度，达到精度与制图效果更好的统一。在分析相关技术，利用数据进行测试、对比之后，确定了实现转换的思路是：利用ArcGIS+Python脚本开发工具实现自动转换；利用DEM计算地形坡度值，根据坡度值不同划分地形区块；地势平缓处相对其他区域利用更大的窗口进行DEM滤波。

转换分为DEM滤波生成曲线、自动删除窄部首曲线两大环节。第一环节主要包含DEM坡度计算与分区、滤波计算、滤波前后差值控制、栅格转等高线、等高线要素分类等步骤；第二环节主要包含缓冲区分析、阈值判定、曲线抽稀等步骤。具体技术流程如图1所示。

图1 转换技术流程

2 关键技术

2.1 坡度分区

将坡度值划分为[0°,10°]、(10°，20°)、[20°，90°]3个集合区间，分别对应平地、丘陵、山地3种地形类别。在ArcGIS中利用DEM数据进行坡度分析，计算每个DEM栅格的坡度，然后归入相应的集合区间，区间相同且相邻的所有栅格形成聚合区域。形成的聚合区域数量直接影响后续的处理效率，需对聚合区域面积设定一个阈值(可设置为10 000 m2)，小于阈值的聚合区域被合并到相邻最大区域中。最终形成的聚合区域数量适中，仍能较好地反映坡度分区情况(如图2所示)。最后，将碎面合并后的聚合区域栅格转换为矢量面数据，得到包含3种地形类别的坡度分区矢量面。

图2 坡度分区碎面合并前后对比

2.2 滤波方式及滤波窗口设置

通过分析和测试，在其他参数相同条件下，均值滤波的光滑效果优于中值滤波，且转换损失的地貌精度相差较小。因此，本方法选择均值滤波方式进行DEM滤波处理。

对同样的DEM数据进行3×3窗口、5×5窗口、7×7窗口的均值滤波，然后转换生成等高线并进行比较，窗口越大曲线光滑程度越大(在平地区域尤其明显)；相对于不滤波DEM直接生成的曲线，平面位移也越大，在地势越陡的地方滤波引起的高程改变也就越大。用同样大小的滤波窗口对3种地形进行均值滤波，滤波损失的地貌精度：山地>丘陵>平地。基于以上分析，本方法在DEM均值滤波时，对山地、丘陵、平地区域分别采用3×3窗口、5×5窗口、7×7窗口。

2.3 转换损失精度的控制

对DEM进行均值滤波时，需要对滤波前后的差值进行控制，否则峰、谷、沟、坎等局部区域地貌细节将会有所损失，从而在一定程度上影响生成等高线的地貌精度。可设置滤波前后高程差值达到2 m以上的不更新，小于2 m的才更新。通过数据测试，2 m的阈值控制比较合理，既充分体现了滤波效果，又使精度得到较好控制。需要说明的一点是，由于DEM是通过格网内插的方式生成曲线，相邻多个格网共同决定曲线走向，而且并不是所有格网都会参与等高线的内插。因此，滤波前后单个格网高程改变数值并不等同于等高线地貌精度损失情况，前者会比后者大。

2.4 窄部首曲线自动删除

(1) 曲线外包矩形范围生成：通过逐步计算曲线要素的最大X、Y坐标和最小X、Y坐标，自动生成曲线的矩形范围，从而省去了人工输入图框的繁琐。

(2) 窄部曲线保留：对于鞍部，无论计曲线间隔多窄，都需要保留一定长度的首曲线。在没有鞍部定位信息辅助情况下，本文方法在处理地势陡峭处鞍部时将会出现部分鞍部曲线不被保留的异常。但在有鞍部定位信息辅助时，该异常能被完全解决。鞍部点较难通过拓扑分析准确定位，需要手动采集定位或导入已有鞍部点定位。

(3) 自动查找首曲线保留的范围：设定两相邻计曲线间判定为窄部的最大间隔，以1/2间隔距离为缓冲距离，建立计曲线缓冲区，并用该缓冲区减去第(1)步的矩形范围，得到计曲线间大于间隔距离的位置面要素；进而以该位置面为缓冲对象，1/2间隔距离为缓冲距离建立缓冲区，并与2倍间隔距离为缓冲距离建立的鞍部点缓冲区合并，得到需要保留首曲线的范围面，如图3所示。

3 转换试验与效果分析

3.1 试验数据情况

试验数据为一幅1∶1万图幅的DEM数据。数据采集方式为基于航测特征线采集方式生产；地形类别总体为丘陵地，局部区域地势陡峭，局部区域地势平缓；DEM成果标称中误差为0.36 m，检测点最大较差为1.31 m。

图3 缓冲区分析查找首曲线保留范围

转换时部分参数设置为：等高距为2.5 m，等高线光滑参数3 m，没有导入鞍部点矢量辅助处理，窄区曲线保留距离30，间隔距离15。在普通个人电脑上，转换运行时间约20 min，除转换参数输入外无需其他人为操作。

3.2 转换效果分析

用本方法滤波后的DEM转换生成等高线，全区域范围内明显改善了折线的生硬程度，消除了曲线的非地貌抖动及线段尖角，平缓区域在保障转换精度的情况下曲线整体光滑、图面美观。在同样需要保障一定地貌精度的前提下，对比其他转换方式，平缓区域的曲线光滑程度明显改善，如图4所示。

图4 平缓区域改善效果

从效果上看，图面美观，曲线光滑程度或许已经远超出了人工绘制的效果。

3.3 转换损失的地貌精度评价

相对于直接转换的曲线，DEM滤波后的曲线在平缓区域的位置调整幅度虽然比较大，但精度损失却并不大。

(1) DEM滤波损失的精度统计如图5所示。

(2) 小坡度区域曲线位移大，大坡度区域曲线位移小；高程改变均不大。

图5 DEM滤波损失精度的统计方法和试验结果

(3) 由于DEM滤波导致等高线套合立体后不满足1∶1万精度而需要修改的情况非常少，试验图幅仅10处小地方，套合立体修改花费不到半小时。

4 结 语

本文研究的方法同时考虑了曲线光滑与转换精度，开发的工具实现了DEM数据自动转换为光滑、美观的等高线，转换精度可以得到较好的控制。该方法及自主开发的转换工具在数字广西地理空间框架1∶1万DLG项目的等高线采集中得到了初步应用，效果良好。通过具体项目应用，笔者也提出了改进目标：进行技术方法和代码的优化，减少运行时间；增加转换精度的自动统计和评价，与成果一同输出；继续研究直接从DEM自动提取鞍部点的方法。

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A Method of Converting DEM into Contours Based on Slope Division Filtering

ZHAO Xuesong,WU Junfeng

(Guangxi Institute of Surveying and Mapping of Remote Sensing Information, Nanning 530023, China)

While converting DEM into contours, the existing methods are incapable to find a good balance between curve smoothness and the loss of topographic accuracy. Thus, the authors thought of the method of converting DEM into contours based on slope division filtering. This method uses different- sized windows to average filter the slope division and control the filtering elevation difference, which better balances the curve smoothness and the loss of topographic accuracy and meanwhile automatically recognizes, interrupts and deletes the narrow intermediate contours between the index contours. The authors made use of the ArcGIS+Python script to develop a tool which could automatically convert DEM into contours. The tool was applied in contours collecting in the program of Digital Guangxi Geo Spatial Framework Construction and had got good results.

DEM; contours; slope division; filtering; accuracy control

2016- 06- 19；

2017- 01- 17 作者简介： 赵学松(1982—)，男，高级工程师，主要从事GIS、摄影测量相关工作。E- mail：93336487@qq.com

赵学松，吴君峰.一种利用坡度分区滤波的DEM转换等高线方法[J].测绘通报，2017(3)：120- 123.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0099.

P208

A

0494- 0911(2017)03- 0120- 04