数字化等高线质量的软件自动检查方法.docx

标 题: 数字化等高线质量的软件自动检查方法 发信站: 幽幽黄桷兰 (2004年04月10日16:35:52 星期六), 站内信件 数字化等高线质量的软件自动检查方法 刘建军 王东华 商瑶玲 国家基础地理信息中心 北京市紫竹院百胜村一号 100044 摘要: 本文通过对国家基础地理信息系统1：5万DEM建库数据质量控制的方法研究和 实践，提出了数字化地形图生产DEM过程中，解决等高线数据质量控制的技术方法，并介 绍了其在1：5万DEM数据库质量控制中的应用。 1. 问题的提出 目前，大规模生产数字高程模型（DEM）的方法主要有两种：（1）数字化现有地形图上 的等高线等地貌信息，然后内插生成DEM数据；（2）以数字化的航摄影像、控制点为资 料，采用数字摄影测量工作站自动生成DEM。第一种方法因其充分利用已有的测绘成果， 速度快、成本低，因而得到普遍采用。 国家基础地理信息系统已建成全国1：100万、全国1：25万、七大江河重点防范区1：1万 DEM数据库，目前正在建设全国1：5万的DEM数据库，其数据生产也主要采用数字化地形 图的方式，即首先采集1：5万或1：10万地形图上的等高线、高程点、水系、特征线、特 征点等矢量数据，然后通过构造TIN，内插生成25米分辨率的栅格形式的DEM数据。矢量 数据是生成DEM数据的源泉，要保证DEM数据质量，矢量数据的质量控制是基础，而矢量 数据中的等高线高程值的检查又是关键内容。数字化的过程中，等高线高程值一般由人 工交互地配赋，当等高线复杂时，要完全正确地配赋所有等高线的高程值是非常困难的 ，总是不可避免地产生一些错误，而这些错误对DEM质量的影响是致命的，必须将它们改 正以后，等高线才能使用。传统检查等高线数据质量的方法，是将等高线数据绘图输出 为纸图，用输出的纸图与数字化原图人工叠合检查错误，或用计算机屏幕显示检查，或 用最后生成的DEM反生成等高线与原图比较等。这种检查方式工作量大，时间长，检查结 果质量的人为因素大，很难保证完全无误。如果能够充分利用等高线之间的图形相关性 ，寻找其中的规律，通过设计计算机算法和程序，实现等高线数据质量的自动检查，将 能够彻底、高效地进行等高线高程值错误的自动检查及错误定位，可以大幅度提高生产 效率和数据成果的质量，将对1：5万DEM数据库建库发挥重要的促进作用。 2. 等高线数据中可能存在的问题及特征 等高线数据中，可能存在图形、属性、以及与其它要素的关系等三方面的问题：（1）图 形方面：要素遗漏、位置跑线、等高线相交打折等；（2）属性方面：等高线代码错误、 高程值错误等（3）等高线与其它要素的关系：等高线与相近的高程点矛盾、与河流、水体矛盾等。其中，等高线的高程值错误是主要的错误类型，一般都是由于作业员的操作引起的偶然错误，绝大部分为粗差。 等高线是一组具有空间关系的曲线，用来表示地形起伏。它们具有其独特的性质：（1） 不相交性，即任意等高线两两不相交；（2）连通性，即除特殊地貌外，等高线一般都保 持连通；（3）高程递变性，即相邻等高线的高程按等高距进行递变，相邻等高线高程的 递变规律可部分参考下表： 计曲线 首曲线 间曲线 助曲线 计曲线 h 1/2h 1/4h 首曲线 h h 1/2h 1/4h 间曲线 1/2h 1/2h 1/4h 助曲线 1/4h 1/4h 1/4h 根据等高线的一些上述特性，可以得知，只要通过各种数据运算确定相邻等高线之 间的相互关系，就可以简单高效地对等高线的高程值进行质量检查。 3. 自动检测等高线错误的技术方法 针对国家1：5万DEM生产的流程和技术条件，利用等高线所具有的特征和规律性，设计两 种检测与剔除等高线数据中粗差的方法：一种是考虑等高线的拓扑关系，利用矢量处理 方法来进行粗差检测与剔除；另一种是将所有的等高线离散化成栅格数据，利用栅格处理方法来进行粗差检测与剔除。 3.1. 矢量等高线拓扑关系处理法 矢量等高线拓扑关系处理法的核心思想是：在GIS基础软件的支持下，等高线数据以 矢量结构存储，要素的对象是线段形式，通过设计算法得到等高线的邻接拓扑关系信息，建立任意两条相邻等高线的联系，并计算他们高程值的差，再根据相邻等高线的类型和高程递变的规律，从而求得哪些相邻的等高线存在矛盾，这些地方很可能就是错误的地方，人机交互判断后，就可以对这些地方进行检查和修改。 拓扑关系是空间对象之间的空间关系，例如相邻关系、相连关系、包含关系等。在常用的GIS系统中，一般都容易得到点与面、线与面、面与面之间的拓扑关系，但线与线之间的拓扑关系，要通过复杂的处理后才能得到。 建立等高线之间的邻接拓扑关系，首先建立等高线的属性表，表中包含属性代码（计曲 线、首曲线、间曲线、助曲线等）、高程等属性项，然后生成TIN（不规则三角网），并提取三角网的边，生成新的线段数据。新的线段数据中，每一条线段的首尾两端都连接两条相近的等高线，但不一定是两条相邻等高线，由于我们要得到的必须是相邻等高线之间关系，还须采用GIS空间分析和处理方法，剔除不是连接两条相邻等高线的线段，这些线段出现于三种情况下：图幅接边处、同一条等高线上的点相连接、图内穿越等高线的连接。剔除和处理完的数据，建立线状属性表，并与等高线属性表连接，将相邻两条等高线的代码、高程等信息连接到该线段的属性表中，形成相邻等高线的邻接关系表。 按照相邻等高线高程的递变规律，从相邻等高线的邻接关系表中，选取代码和高程不符合条件的记录，从而确定可能有错误的等高线的编号或位置。 矢量等高线拓扑关系处理法检查等高线错误的数据处理流可参见下图： 原始等高线 生成三角网 线邻接关系表 处理后的数据 3.2. 等高线栅格处理法 等高线栅格处理法的核心思想是：在GIS基础软件的支持下，对等高线数据进行栅 格化处理，根据相邻等高线的高程递变规律，从等高线栅格数据中，搜索出高程异常信息，然后利用异常信息，检查等高线数据相应位置处的错误。 等高线栅格化处理是将矢量等高线转换成栅格数据，有等高线的像元值是该等高线 的高程值，没有等高线的像元值为空值。等高线栅格化处理时，确定合适的格网大小很重要。格网太小，数据量成倍增大，影响检查的速度及效率；格网太大，降低了栅格等高线的精度，从而影响检测结果的准确率。合适的格网大小，通过分析等高线的密集程度或坡度等因素确定。 为了建立相邻两条等高线的关系，需要在空值的格网中填充相近等高线的高程值，填充方法可以采用线膨胀法或最邻近像元法。线膨胀法是沿等高线两边膨胀，每一次膨胀后线宽增加2个象元，经过多次循环处理，直至将栅格数据中的所有空值像元填充为相应的高程值；最邻近像元法是对等高线栅格数据中每一个空值像元进行搜索查找，寻找与该空值像元距离最近的具有高程值的像元，并将该高程值赋予该空值像元。 对栅格数据再处理，以3*3邻域为单位，计算邻域内所有像元的最大高程之差，依据相邻等高线的高程递变规律，相邻像元的高程差大于一个等高距的地方，等高线就可能有错误。 等高线栅格处理法检查等高线错误的数据处理流可参见下图： 原始等高线 等高线栅格化 边缘提取 栅格填充 检查结果 检查报表 3.3. 两种处理方法的特点 等高线矢量处理和栅格处理两种方法，都能够比较快速、彻底地完成等高线数据的 错误检查，两种方法也有各自的特点。见下表： 矢量处理方法 栅格处理方法 1 结果含错误检查报告、等高线邻接拓扑关系表 结果只含等高线错误检查报告 2 检查结果唯一，可以按代码识别，准确率高 检查结果受格网大小影响，可能不唯一，准确率较高 3 可通过属性信息和空间信息定位错误等高线 只能通过空间信息定位错误等高线 4 速度较快，对系统资源要求高 速度快，对系统资源要求低 在实际应用中，对以下问题软件自动检查存在困难，要通过其他方法解决。 l 不能检测出整体绝对高程错误，如所有等高线的高程值都错若干等高距。 l 等高线断裂区域不能智能识别，需人工交互进行校验。 4. 在1：5万DEM中的实际应用 1：5万DEM的质量检查，包括产品归档检查、矢量数据检查、DEM数据检查、元数据 检查等四大部分内容，其中大量地采用了软件自动检查的方法，特别是矢量数据检查和 DEM数据检查中的大部分内容，用其他方法检查非常困难，检查结果的质量也难以保证。 上述所介绍的两种等高线高程错误检查方法，已编制成软件，提供给1：5万DEM数据生产 、数据入库检查中使用。实践证明，检查软件对等高线高程错误的检查十分有效，检查 的速度和成果的质量是常规方法不可比拟