数字高程模型(DEM)质量检验方法研究

魏易从, 曹建君,2

(1.甘肃省测绘产品质量监督检验站，甘肃 兰州 730000;2.兰州交通大学，甘肃 兰州 730000)

数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)是描述地表形态的一种数字化地面模型，它是国家基础地理信息4D数字产品之一，也是其它数字化产品直接或者间接的数据来源[1]。DEM作为基础地理信息数据，近年来被广泛应用于测绘、水文、地质、建设、军事等多个行业领域。其数据质量的好坏，将直接影响到国民经济和国防建设。本文从DEM的质检内容、评价准则等角度出发，对DEM的质检方法做出探讨。

1 DEM质量评价体系

1.1 DEM质量检验内容

目前，DEM质量检验执行的标准主要是GB/T 18316-2008《数字测绘产品质量检查与验收》，它将DEM质量的问题按特性概况归纳为空间参考系、位置精度、逻辑一致性、时间精度、栅格质量、附件质量等6类质量元素[2]。质量元素由质量子元素(描述质量元素的某一特定方面)构成，质量子元素又由具体检查项(描述具体检查内容)构成。DEM质量检验内容[3]如表1所示。

表1 DEM质量检验内容

1.2 DEM质量评价准则

按照GB/T 18316-2008《数字测绘产品质量检查与验收》的规定，DEM成果的质量评价体系可以概括为以下三个层次[3]：

(1)各检查项合格，质量子元素合格；各质量子元素合格，质量元素合格。

(2)各质量元素合格，单位成果质量合格，并取各个质量元素中的最小分值作为单位成果的最终得分。

(3)各单位成果(即样本)质量合格，批成果质量合格。

2 DEM成果信息化质检方法研究

目前，常用的DEM成果格式大致可以分为文本格式和栅格格式两大类。文本格式主要包括国家标准空间数据交换格式NSDTF-DEM(*.dem)、Arc ASCII Grid(*.asc)等；栅格格式主要包括Arc info Grid(*.grd)、Tiff(*.tif)等。不同格式由于表现形式、数据结构、存储方式的不同，导致具体的检验方法和检验内容也会存在差异。但不论是何种格式的DEM成果数据，其本质都是一系列给定坐标的高程数据点集。

2.1 空间参考系检查

对于NSDTF-DEM(*.dem)、Arc ASCII Grid(*.asc)等文本格式的数据，空间参考系的检查主要是依据GB/T 13989-2012 《国家基本比例尺地形图分幅和编号》中标准图幅的计算规则，通过DEM图号反算出其坐标范围、行列数、成果数据量等信息，进而与DEM头文件中所含的空间参考系信息作对比检查。值得注意的是，NSDTF-DEM(*.dem)头文件中的定位信息为图幅范围的左上角角点坐标[4]，Arc ASCII Grid(*.asc)头文件中的定位信息一般为图幅范围的左下角中心点坐标。文本格式的DEM，主要是涉及图幅范围的反算，数据读取与操作简便，利用VC等编程软件进行系统开发就能实现自动化检查。

对于Arc info Grid(*.grd)、Tiff(*.tif)等栅格格式的数据，其检验原理与文本格式相同，且可检验的内容更丰富。但由于要涉及空间数据的操作，因此在对该类数据质检时，宜利用第三方地理信息软件开发包编写程序实现自动化检查。 如利用ESRI的ArcGIS Engine组件开发包中的IRasterProps接口[6]，就可以有效实现对成果空间参考系的检查，包括坐标系统、高程基准、投影参数等各个方面。

2.2 位置精度检查

如表1所示，位置精度包含高程中误差、套合差、同名格网高程值等三项检查内容。

高程中误差检查：无论是何种格式的DEM成果，其原理都是首先利用内插方法将DEM成果的高程值与所采集的检测点高程值作差值，然后依据不同的检测方式对DEM成果的高程精度进行评定。按照GB/T 24356-2009《数字测绘产品质量检查与验收》的要求，可分为同精度检测、高精度检测。高程中误差的检查，按照不同内插方法的要求，编写自动化检查程序相对容易。

套合差检查：套合差是指DEM 再生等高线与原始等高线之间差的定量描述指标[5]，通常以再生等高线偏移原始等高线三分之一量值作为限差。目前，套合差利用计算机实现自动质检的方法较少，多为人工检查，评判尺度不一、检查效率低下。本文结合汤国安[5]、张新利[6]等学者的理论方法,提出利用计算机编程实现自动质检的两点关键技术：(1)线与线之间比较偏移量无法量化，应转换思路，考虑利用原始等高线的线节点高程值与DEM成果的高程值进行比较，从而实现数据量化。(2)等高线是否偏移的评判标准应考虑两个方面，一是原始等高线的节点高程值与DEM高程值的差值大小，二是各超限线节点间的总长相对于整条等高线的占比多少。由于等高线套合差检查会涉及对点、线等空间要素的操作，因此宜使用第三方地理信息软件开发包，编写程序实现自动套合检查。

同名格网高程值检查：即接边检查。“同名格网”，即同一坐标、同一位置的意思。对于NSDTF-DEM(*.dem)等文本格式数据的检查，主要是依据GB/T 13989-2012 《国家基本比例尺地形图分幅和编号》中的计算规则，按图号计算出重叠范围，对重叠范围内的同名各网点高程值间做差值，最后应用精度检测公式对接边精度进行评定。该项利用VC等编程软件进行系统开发就能实现自动化检查。对于Arc info Grid(*.grd)等栅格格式的DEM成果，宜利用第三方地理信息软件开发包编写程序实现对空间数据的接边自动检查。如利用ESRI的ArcGIS Engine组件开发包中的IMath Op接口[6]，可实现栅格数据的数学运算, 将重叠区域的栅格值进行栅格相减操作, 之后应用精度检测公式对接边精度进行评定。值得注意的是，不论哪种格式的接边检查，涉及跨带接边时，首先应进行换带，将其转换为统一投影带，再检查其接边精度。由于经过换带后重叠区的格网点已不是同名格网点，因此高程较差的比较采用的是内插高程值，允许中误差应放宽一定的值[7]。

2.3 逻辑一致性检查

DEM成果的逻辑一致性检查，一般按照CH/T 1005-2000《基础地理信息数字产品数据文件命名规则》、CH/T 9008.2-2010 《基础地理信息数字成果 1:500 1:1000 1:2000 数字高程模型》的要求进行。一般采用人机交互的方式对文件命名的准确性，数据归档、数据格式以及数据组织的符合性进行检查。

2.4 时间精度检查

时间精度一般通过人工方式来检查。主要检查DEM现势性是否满足要求。

2.5 栅格质量检查

对于NSDTF-DEM(*.dem)、Arc ASCII Grid(*.asc)等文本格式的数据，格网尺寸的检查主要是通过读取其头文件中的X方向和Y方向间距信息，通过比对计算进行检验；格网范围的检查，主要是通过图号反算DEM成果范围，与原DEM成果范围进行比较的方法。

对于Arc info Grid(*.grd)、Tiff(*.tif)等栅格格式的空间数据的检查，宜利用第三方地理信息开发软件实现对空间数据的自动检查。如利用ESRI的ArcGIS Engine组件开发包中IRasterProps接口的Height和Width的属性完成对格网尺寸的检查，通过Extent属性读取范围坐标来完成格网范围的检查。

2.6 附件质量检查

对于元数据和图例簿的检查，一般是依据CH/T 1007-2001《基础地理信息数字产品元数据》的要求或技术设计书约定的属性项与属性值内容，利用人机交互检查或计算机编程自动检查方式来实现。

对于附属文档，一般通过人工检查的方式，检查DEM成果的技术设计书、技术总结、检查报告等文档资料的完整性、正确性和权威性。

3 结 语

本文紧紧结合GB/T 18316-2008《数字测绘产品质量检查与验收》国家标准规范的检验内容，对DEM质检的6个质量元素进行了深入分析，基于现行的DEM数据格式提出了切实可行的质检方法，并结合实践经验就实现软件自动化检查方面提供了一些具体的办法措施，对DEM成果的信息化质检具有一定的借鉴作用和参考价值。