一种适用于山区DEM生产的地形特征点自动提取技术研究与应用

周扬

摘 要：本文对山区DEM生产过程中地形特征点的自动化提取技术进行了研究，提出了以三角网坡度阈值为条件提取地形特征点位置以及曲面拟合以及矢量栅格空间叠加分析优化地形特征点高程值的方法，并设计实现了相应的软件进行了测试验证和实际应用。通过综合对比分析，此技术对山区DEM生产的生产效率和成果质量方面均有显著的提升。

关键词：DEM；地形特征点；高程赋值

1 概述

传统的DEM生产技术路线主要是使用包含等高线、高程点的DLG矢量数据进行构TIN然后栅格化的方式生产。其缺点是有时不能准确表示地形的结构与细部，无法准确表示地貌。为克服其缺点，可采用附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、山谷线、断裂线等，从而构成完整精确的DEM。

地形特征点线对应的都是地形变化剧烈，DEM插值极易产生错误的区域。传统的特征点线提取都是由人工从立体模型上进行采集生产。对于山地、高山地地形区域，此项工作无疑是一项耗时巨大的工作。而且对于某些生产原始数据只有DLG没有立体模型和地形特征点线数据的项目，地形特征点线将无法提取，相应的DEM精度也无法达到规范要求。

如果解决了利用现有的DLG数据，提取满足精度要求的地形特征点并减少人工编辑的工作量的问题，将会使DEM的生产技术更加先进，成本大幅降低，效率大大提升。

2 国内外相关技术发展现状

国内外比较常用的DEM生产软件主要有：ArcGIS、MapGIS、GeoWay、VirtuoZo、JX4等。

ArcGIS软件的DEM生产模块支持各类数据构TIN并栅格化生产DEM和拓扑转栅格方式生产DEM（不通过构TIN直接利用拓扑曲面拟合的方式生成DEM）。但是缺点在于没有特征点提取的功能，而且对参与运算的数据量大小也存在限制。

MapGIS軟件中DEM生产模块提供了TIN基础上的四剖面和八剖面插值，能够减少部分特征点的需求，但人工采集和修改特征点线的工作量仍然很大，而且对数据量的大小也有限制，无法进行自动化批量生产。

GeoWay软件中DEM生产模块通过优化构TIN的成果，能够使大部分情况在不需要特征点线的参与的情况下DEM也能达到精度要求，但是遇到地形复杂的地区（洼地、狭长山谷等），在有特征点线数据参与的情况下也需要多次修改才能满足要求，通用性不是很好。

VirtuoZo和JX4是两套全数字摄影测量系统。它们的特点在于支持立体模型匹配生产DEM，必须人工采集特征点线，没有专门的优化设计，也没有批量化数据生产的功能支持。

以上几款软件都是国内DEM生产经常采用的软件。它们存在各自的优缺点。通过对现有DEM生产软件的分析可以发现，基本所有软件都要求人工采集大量的特征点线。如果能用计算机自动化提取地形特征点线，则可以大幅度提高生产效率。

3 地形特征点位置提取技术研究

根据人工采集特征点线的经验，需要采集特征点线的位置一般包括山顶、洼地、山脊、鞍部、狭长山谷等地形突变的地方。对没有特征点线的DLG数据构TIN并栅格化生产的DEM进行反生成等高线与原始等高线对比也可以发现同样的规律。如图1为一幅使用ArcGIS软件利用等高线和高程点数据生产的DEM反生成的等高线与原始等高线的对比效果图。可以看出在没有特征点的情况下，在山顶、山脊等地形突变的区域，反生等高线的套合误差较大，反映出DEM成果无法满足精度要求。

将反生等高线与TIN三角网叠加对比分析，发现套合误差大的区域三角网的三角形都有共同的特征：坡度值为0度。

所以，一种简单的提取地形特征点位置的技术路线即可采用：计算TIN三角网的每个三角形的坡度值，以0度为阈值提取相应的三角形，然后以这些三角形的质心坐标作为地形特征点位置。如图2所示。

4 地形特征点高程插值技术研究

地形特征点位置提取之后，还必须给点位赋高程值，而且赋值的准确性直接会影响最终DEM产品的精度。经过反复的试验，最终形成的技术路线为：从曲面拟合生成的DEM数据中利用矢量栅格叠加分析提取特征点高程值初值，然后使用高程带栅格统计分析对地形特征点高程值进行粗差检测和高程值优化。具体的实现方法如下。

1）使用等高线和高程点为基础数据，采用拓扑转栅格的曲面拟合算法生成栅格图像，然后利用之前提取的地形特征点矢量文件与拓扑转栅格生成的栅格图像进行矢量栅格叠加分析，提取出地形特征点位置的栅格像元值作为地形特征点的高程值。

2）从赋值结果与等高线高程值对比可以看出，大部分的地形特征点的高程值符合地形变化的趋势，但是仍然有部分地形特征点的赋值结果是错误的，原因是因为曲面拟合也无法表达所有的真实地形变化，而且在曲面拟合的栅格化过程中也存在精度的损失，格网大小的也会对赋值结果产生影响，使其与实际高程值比较超过限差值。

为了减小这种赋值误差，同时减少人工修改的工作量，必须对赋值过程中带来的粗差进行检测剔除并进行高程值优化。一种简单的方案就是采用等高线转面生成高程分带矢量面文件；然后用面文件与之前拓扑转栅格生成的栅格图像进行矢量栅格叠加分析，统计出各个高程带面区域内的栅格图像的格网统计值（最大值、最小值、平均值、标准差等）保存在面文件属性字段中；再然后采用地形特征点文件与高程带面文件进行矢量空间包含分析，将面的属性字段赋予点文件，最后比较地形特征点的高程初值与面赋予的高程统计值，将差值超限的点剔除，差值在精度范围内的点按标准差向均值靠拢进行优化，最后得到符合地形变化趋势的高程内插值。

5 算法的功能实现和应用分析

作者使用PYTHON程序语言和ArcGIS平台的arcpy库对算法进行了实现。检验使用本文算法提取地形特征点参与生产的DEM成果与没有地形特征点情况下生产的DEM成果对比如图3所示。

从图1和图3对比分析可以看出，由自动提取地形特征点参与生产的DEM数据几乎无需人工修改就能达到山地、高山地地区DEM生产的精度要求，大大减少了人工修改的工作量，极大地提高了生产效率。

本算法经过严格的批量成果生产精度检验后，作为第一次全国地理国情普查贵州多尺度数字高程模型生产软件的核心功能，完成了6000余幅一比一万DEM精细化生产的辅助工作。软件投入前后经过对比分析，生产人员的工作效率提高了约5倍左右，从每人每天生产3—5幅提高到了15—25幅，对项目的顺利完成起到了巨大的推动作用，获得了可观的经济效益，并且在今后的DEM生产中打开了广阔的应用前景。

参考文献：

[1]徐有聪，叶培鹏，霍红建.数字高程模型（DEM）数据采集方法及对比分析.技与生活，2012（2）.

[2]陈永刚，汤国安，祝士杰.DEM重采样误差空间分布格局及差异性分析.中国矿业大学学报，2011（4）.

[3]韩奎峰，侯飞.多分辨率DEM的插值残差计算及精度评价模型.工程勘察，2010（1）.

[4]刘鹏举，赵仁亮.保持地貌特征的数字高程模型生成方法研究.中国矿业大学学报，2006（04）.