数字高程模型第三讲：DEM数据获取方法.ppt

数字高程模型 第三章DEM数据获取方法 3 1DEM的数据来源 3 1 1DEM的数据来源1 影像航空摄影测量 地形图测绘和更新的最有效 最主要的手段 高精度大范围DEM生产最有价值的数据源 航天遥感 从相片上获取的高程数据精度低 只是获取大范围小比例尺数据的有效方法 LandSat的MSS TM和SPOT上的立体扫描仪 近年来出现的高分辨率图像 IKONOS 合成孔径雷达干涉测量技术 机载激光扫描仪等新型传感器能获取高精度高分辨率的DEM 应用影像数据作为DEM数据源时要注意以下几个特点 遥感影像的几何畸变 遥感数据的增强处理 用于扩大不同地物影像的灰度差 遥感影像数据的空间分辨率 遥感影像数据的解译和判读 2 地形图 地形图是地貌形态的传统表述方法 是各种尺度DEM建立的主要数据源 应用地形图作为DEM数据源时要注意以下几个特点 地形图的现势性 纸质地形图制作工艺复杂 更新周期比较长 经济发达地区比落后 或山区 更明显 地形图存储介质 传统地形图多为纸质存储介质 受环境影响易变形 地形图精度 地形图精度决定着地形图对实际地形表达的可信度 与地形图比例尺 等高线密度 由等高距表示 成图方法有关 不同比例尺的地形图 其所表示的几何精度和内容详细程度有很大的差别 地形图比例尺越小 对地形的综合程度就越大 所表示的地形就越概括和近似 反之亦然 我国地形图比例尺系列特征 3 地面测量数据Gps 全站仪 经纬仪等与计算机在野外观测获取地面点数据 处理变换后建成数字高程模型 一般用于大比例尺的地形测图和地形建模 如公路铁路勘测设计 房屋建筑 场地平整 矿山 水利等对高程精度要求较高的工程项目 虽然地面测量方式的精度非常高 但其工作量大 周期长 更新十分困难 费用较高 一般不适合大规模的数据采集 可采用地面摄影测量在地面摄取立体像对 通过近景摄影测量方法获得小区域的DEM 4 其他数据源用气压测高法 航空测高法 重力测量等方法 可得到地面系数分布的高程数据 依此建立的DEM主要用于大范围且高程精度要求较低的研究 5 既有DEM数据我国到目前为止 已经建成了覆盖全国范围的1 100万 1 25万 1 5万数字高程模型 以及七大江河重点防洪区的1 1万DEM 省级1 1万数字高程模型的建库工作也已全面展开 对已存在的各种分辨率的DEM数据 应用时要考虑自身的研究目的以及DEM分辨率 存储格式 数据精度和可信度等因素 3 2DEM数据采样理论基础 DEM 实际地形表面的再现 可信程度 原始地形采样点的分布和密度 DEM数据采样要求 深入了解地形表面结构特征和地形复杂程度 正确选择地形特征点和线 合理分布采样点 3 2 1采样的理论背景理论上 点 0维 无大小 地表全部几何信息包含无数个点 不可能获取地表全部信息实践上 不需要DEM表达全部信息 测量表达相应地表所需要的数据点 达到地形表面精度和可信度即可 如何用有限的地面高程点来表达完整的地形表面 采样理论 由采样数据获得的格网点信息仅仅能表述那些波长大于2倍采样间隔的信息 3 2 2基于不同观点的采样1 统计学观点 DEM表面可以看作是点的特定集合 采样空间 有随机采样和系统采样两种方法 因此 对特定集合的研究可以转化为对采样数据的研究 随机采样 对各采样点以一定概率进行选择 各点被选中的概率各不相同 若概率相同则为简单随机采样 系统采样 也称规则采样 以预先设定的方式确定采样点 各采样点被选取得概率为100 2 几何学观点 DEM表面通过不同的几何结构来表示 这些结构按其自身的性质可分为规则和不规则两种形式 规则结构据其在空间表现可分为 一维结构 对应的采样方法为剖面法或等高线法 二维结构 通常为正方形或矩形 等边三角形 六边形或其他规则几何图形 不规则结构 不规则三角形或多边形 基于特征的采样观点 地形曲面的几何特征 形态各异的地形表面通过具有特征意义的点和线划分为一系列单一的地貌形态 点和线具有不同的地形信息 特征要素 地形特征点和特征线特征点 山顶 洼地 鞍部 山脚点 山脊点 山谷点等 不仅能表示出自己的高程信息 还能给周围点更多的地形信息 特征线 山脊线 山谷线 断裂线 陡坎 海岸线 水涯线等 将特征点相连形成 坡度变换点 在地形剖面上反映了地形的坡度变化趋势 陡缓坡的变化 方向变化点 在平面上刻划着地形特征线的走势变化 正负坡的变化 非特征要素 分布在各个地形单元上的点和线 为满足采样点密度要求而加测的点和线 用于辅助地形重建 地形结构特征 实线为山脊线 虚线为山谷线 三角形表示山顶 小圆为鞍部 正方形为方向变化点和坡度变化点 4 地形的复杂程度地形曲面的复杂程度是地形数据采样时必须考虑的又一个因素 地形比较破碎 采样点多 地形比较均匀平坦 减少采样点 地形复杂度可以通过粗糙度和不规则性来描述 可用不同参数来表达 分数维 地形曲率 相似性 坡度等 这些参数能够描述地形曲面的总体特征 5 地貌单元类型不同的地貌类型划分对DEM数据采集有一定的指导意义 如黄土地貌破碎 要分布较的采样点 而平原地区高程数据的精度要求比较高 对坡向 流域网络影响比其他地区要大 3 2 3采样数据的属性采样 确定在何处需要量测点的过程 这个过程由三个参数决定 点的分布 点的密度和点的精度 1 采样数据的分布 由数据位置和结构来确定 指数据点的分布形态 位置由地理坐标系统中经纬度或格网坐标系统中坐标决定 结构 分布 的形式很多 因地形特征 设备 应用的不同而不同 结构 或分布 的类别之间没有明显的界线和标准 实际采样时相互之间很多时候是重叠的 2 数据的密度数据密度是指采样数据密集程度 与研究区域的地貌类型和地形复杂程度相关 用于刻画地形形态所必需的最少的数据点 表示方法 相邻两点之间的距离 单元面积内的点数 截止频率 单位线段上的点数等 采样距离 相邻两采样点之间的距离 也称采样间隔 采样距离为20米 表示规则格网分布的采样数据每平方米500点 描述随机分布的采样数据单位线段上的点数 每米2点 描述数据分布是沿等高线或特征线等线状分布采样点 3 数据的精度数据点精度指数据点本身所具有的精确度 是数据获取过程中各种不同类型误差的综合反映 采样数据精度与数据源 数据的采集方法和数据采集的仪器密切相关 野外测量 影像 地形图扫描的精度从高到低 激光扫描 干涉雷达的精度是非常高的 摄影测量比GPS的精度要高 达到厘米级 地形图的手扶跟踪和扫描矢量化的精度都较低 3 3DEM数据采样策略与方法 3 3 1采样方法1 沿等高线法 采样时将Z轴固定 即固定高程值眼等高线采集高程点 平坦地区不宜使用 2 规则格网采样 通过规定X和Y轴方向的间距来形成平面格网 在立体模型上两侧这些格网点的高程值 规则格网采样能确保所采集数据的平面坐标具有规则的格网形式 3 剖面法采样 数据采样时将X或Y轴之一固定 沿一个方向即剖面方向上对高程进行采集 速度较快 精度比规则格网的要低 4 渐进采样 随着地形复杂程度的变化合理的分布采样点 在小区域内网格间距逐渐改变 采样也由粗到精地逐渐进行 渐进采样能解决规则格网采样方法中的数据冗余 但在地表突变区域内仍有较高的冗余度 若在第一轮粗略采样中丢失某些相关特征 不可能在后轮中恢复 5 选择性采样 根据地形特征进行选择性采样 沿山脊线 山谷线 断裂线 离散特征点 山顶点 等 优点是只需以少量的点便能使其所代表的地面具有足够的可信度 6 混合采样 将选择性采样与规则格网采样相结合或者是选择性采样与渐进采样相结合的方法 3 3 2DEM数据采集方法1 地形图数据采集方法地形图数字化是一种DEM数据获取的最基本方法 1 手扶跟踪数字化步骤 定参考点 固定地图 定控制点跟踪采集 点方式 流方式 2 扫描数字化 矢量化扫描过程 将地形图从模拟状态 纸质地图 通过扫描转换成灰度 彩色 的数字数据 影像 即以像素信息方式存储地图信息 注意两个问题 分辨率 颜色矢量化过程 将得到的栅格图像转化为矢量数据 具体方法 手动 半自动 全自动式 步骤 扫描图件准备 图件 接图表 控制点 坐标系等图件预处理 检查图面是否平整 图廓点与符号清晰 量测图廓边长 检查变形情况 检查接边 等高线连接情况等 定向纠正与编辑 将地图数据由数字化仪坐标 扫描文件坐标 转化为地理 地图坐标 若图面变形大 逐格网进行纠正 坐标变化方式由仿射变换 双线性变换 二次多项式等方法 坐标误差要小于10米 扫描与矢量化 黑色或彩色扫描 扫描参数根据图件信息量 线划密度 质量等因素调节 一般分辨率不小于300dpi 扫描后进行矢量化 数据分层 主要用于DEM的层有地形信息层 水系层 推测区域 辅助高程层 公里网层等 2 摄影测量数据采集方法1 摄影测量的基本原理 利用在不同地方获取的具有一定重叠度的同一景物的两张影像 在室内建立立体模型 对其进行三维量测 2 摄影测量的信息获取方式航空 航天摄影测量 飞行器上搭载摄影测量设备 传感器 垂直摄影方式获得数据 地面摄影测量 采用倾斜摄影或交向摄影方式获取数据 3 摄影测量数据采集重要注意的问题断裂线 一些地形特征线 陡坎 人工或自然建筑 如梯田 河流 冲沟 池塘等在地面产生了转折或突变 在采集过程中断裂线要给予不同的明确编码 单断裂线 山脊线 山谷线 坡脚线等 双断裂线 陡坎 陡坡 两条断裂线表示上 下缘 成对出现 3 野外测量数据采集方法对于小范围的DEM其主要服务于工程设计 对精度要求较高 采用野外测量 地形图数字化精度不一定够 航测成本高 仪器 全站仪测量 平板测量 GPS测量 车载GPS测量等 4 雷达测量数据采集合成孔径雷达干涉测量InSAR机载激光雷达 机载激光扫描 LIDAR主动遥感测量 周期短 精度高 高程精度可达到10cm 空间分辨率达到1米 通过对获取的三维坐标数据进行滤波 分类等 剔除不需要数据 进行建模 即可得到DEM数据 3 3 3DEM数据采集方法的对比1 选择数据采集方法考虑的因素目的和需求 DEM精度 所需设备条件 拥有的经费等 2 数据采集方法对比 3 4DEM数据采集质量控制 DEM是采样数据的最终表现形式和产品 从原始数据到DEM 要经过一系列的数据处理 在这一过程中原始数据中的误差会被传播和放大 DEM用户应把重点放在数据来源和输入质量控制上 而不是学习复杂的内插方法 影响DEM精度的因素还包括DEM内插方法 有无顾及特征线 DEM分辨率大小等 但是 减少数据采集时的误差是保证DEM精度的根本 3 4 1原始数据粗差检测与剔除粗差 疏失误差 在测量过程中 由于测量仪器工作失常 或观测者疲劳 大意等因素造成的误差 如读取数据 记录数据发生的错误等 这种误差属于测量坏值 一旦发现 应及时剔除 由于DEM强调高程数据的准确性 对地形表达的真实性 因此DEM原始数据粗差探查要从单个独立数据 局部地形和整体区域三方面综合考虑 1 基于趋势面的粗差探测与处理基础 基于地形具有的自相关性 即地形表面变化符合一定的自然趋势 表现为连续空间的渐变模型 可用光滑曲面来描述 趋势面表达了地形的宏观变化趋势 当某一采样点的观测值和趋势面计算值相差较大时 该点可能含有粗差 偏离了整体变化趋势 应用趋势面进行粗差探测注意的问题 趋势面函数的确定 理论上任何复杂的趋势面都可用高阶多项式去逼近 但高阶多项式本身不稳定 其系数的物理意义也不清楚 将导致不符合实际地形起伏的趋势 阈值的确定 预测值和计算值相差多大时 被怀疑为粗差点 一般取中误差的三倍为极限值 可能遗漏或过多地选择粗差点 中误差 有限的几次观测的偶然误差求得的标准差 趋势面分析技术的特点 将问题简单化 局部化 能找出部分可疑数据点 但不能确定该点是否为真正的粗差 需要用其他方法进一步分析 2 三维可视化粗差检测技术对含有粗差的原始数据建立三维表面模型 一般为TIN 在三维可视化环境下通过人机交互的方式有效地检测粗差点 这种方法需要高效可靠的构网技术 快速的交互响应效率以及建立对异常值敏感的可视化图形 常用图形 线框透视图和晕渲图 3 基于坡度信息的规则格网分布数据粗差探测技术坡度是地表的固有属性 在局部连续空间的渐变模型上 其变化是连续的 因此 可采用采样点与周围点的坡度变化是否一致来检测采样点是否含有粗差 本方法适用于规则分布的采样点的粗差探测 原理与步骤 1 相邻两个区域坡度差计算 在3 3的局部窗口内 计算在水平方向和垂直方向上相邻两点之间的坡度 12个 然后计算两个格网之间的坡度差 6个 2 通过相邻两个网格之间的坡度差确定衡量坡度是否变化一致的阈值 对当前窗口坡度差进行统计分析 统计标准可采用绝对平均值 数据值范围 均方根 算术平均值或标准差等 阈值为统计标准的K倍 K是常数 3 怀疑一点 当采样点在某一方向上的坡度差大于阈值 则该点在局部范围内不正常 可能含有粗差 4 粗差剔除与数据点改正 通过周围各网点的坡度和高程计算粗差点的高程 取代原有高程值 该方法一次只能检测一个点 当粗差分布比较集中时 要循环进行 该方法不适合边界部分粗差点的检测 李志林等对此法做了深入地研究和试验 统计标准为采用了水平方向和垂直方向标准偏差的和 阈值系数K 3 通过和原始数据勾绘出来的等高线相比 该法在处理格网数据的粗差上 效果是比较显著的 4 基于高程信息的不规则分布数据粗差探测方法数据点呈散乱分布 其坡度信息获取困难 与规则格网分布的区别是 其他步骤基本一致 窗口确定 采用窗口尺寸定义或确定窗口区域采样点数量这两种方法来指定邻域范围 当使用后一种方法时 一般认为包含15 20个点的窗口是适宜的 一致性标准的确定 采用高程信息 即计算高程变化是否一致的阈值 原因是 规则格网上比较容易获取坡度信息 而从不规则分布数据获取坡度信息却比较困难 但高程和坡度同是刻画地形曲面连续性的指标 因此在散乱数据分布的区域上 一致性标准采用高程信息 基于等高线采样数据粗差探测方法 将所有等高线上的点作为离散点 用上述任一种方法进行 按等高线的拓扑关系进行探测与剔除 可视化检查 缺点 1 第一种方法不适合手工数字化的地形采样数据 这是由于手工数字化常常赋错高程值 整条等高线高程都错 其粗差分布具有条带性 不具备单点或集中呈面状的集中分布 2 按等高线拓扑关系进行粗差检查 在等高线地图上 各种注记 地物等的压盖 等高线常常不连续 从而使建立等高线的拓扑关系比较困难 因此对基于等高线采样数据的粗差探测 经常采用可视化检查 最常用的 等高线回放检查对原始采样数据点建立DEM 在此DEM上提取等高线 等高线与原始地形图的等高距一致 将原始地形图与提取的等高线套合 检查其中的错误 3 4 2原始数据的滤波处理DEM原始数据三大属性 数据点密度 分布 精度分布和密度 在数据采集前确定 主要影响DEM对地形形态的宏观结构表达以及DEM内插方法和内插精度 数据点精度 反映DEM对地形描述的微观精度和光顺程度 若数据点中含有随机噪声 则由DEM生成的等高线不光滑 呈锯齿状滤波处理 去掉原始数据中的随机误差 以提高数据质量和DEM地形表达精度 滤波的方式 最邻近法重采样 基于局部移动窗口的中值滤波 平均值滤波等 滤波的作用 提供地形描述的精度 可以去除DEM内插过程中生成的洼地等现象 但有可能降低了分辨率 应用对象 随机误差构成误差的主要部分的数据 尤其是对高密度的密集数据 航空 遥感影像等 3 5我国DEM数据 1 我国DEM数据交换格式数据文件包含文件头和数据体两部分 数据体采用从上到下 从左到右的顺序并以ASCII码的方式存储 文件头分为两类数据 一是基本的 必需的数据 一是扩充的附加信息 可以省略 文件头的基本组成单元是项目 格式为项目名 值 我国DEM数据交换格式标准 2 我国1 1万DEM国家测绘局于1999年组织生产了七大江河区域范围的1 1万数字高程模型 格网尺寸为12 5 12 5m 已完成13781幅 目前覆盖全国的1 1万DEM的生产和建库已全面展开 长江 黄河 黑龙江 珠海 淮河 辽河 海河 3 我国1 5万DEM1 5万DEM的格网间距为25米 高程数据采用国际上通用的二维阵列数据格式存放 与其他DEM一样 网格中心点的高程值作为该格网单元高程值 单位为m 格网点按照由上到下 由左到右方向次序排列 平面坐标系为1980西安坐标系为大地基准 投影方式为高斯克吕格投影 以6度分带 高程基准采用1985国家高程基准 1 5万DEM精度要求 按有限的几次观测的偶然误差求得的标准差称为中误差 4 我国1 25万DEM格网间隔为100m 100m和3 3 两种 陆地和岛屿上格网值代表地面高程 海洋区域格网值代表水深 用于生成25万数字高程模型的原始数据包括等高线 高程点 等深线 水深点和部分河流 大型湖泊 水库等 通过不规则三角网内差获得 坐标系统分为两套 高斯克吕格投影 格网尺寸为100 100m 以图幅为单元 每幅图数据按包含图幅范围的举行划定 相邻图幅间有一定的重叠 地理坐标 格网尺寸为3 3 每幅图行列数为1201 1801 所有图幅范围都为大小相等的矩形 高程值的中误差在1 3或1 2等高距之内 5 我国1 100万DEM利用1万多幅1 5万和1 10万地形图按照一定的格网间隔采集高程值 编辑处理后以1 50万图幅为单位入库 全国100万数字高程模型的总点数为2500万个 该数据内插任一点高程值的中误差 高山区 70m 中低山区 41m 丘陵区 20m 平原区 1m 3 6DEM生产项目设计 对于一个DEM项目 最终目标是要经济 快速地生产满足一定精度要求的DEM产品 即DEM生产涉及三个基本问题 精度 生产成本 效率 精度 数据源要有足够的精度和采样密度和表面重建的方法 算法 要完美 成本提高 效率降低 因此 要建立高效规范的生产流程 DEM生产技