一种基于数字摄影测量系统制作高精度DEM的方法

1、一种基于数字摄影测量系统制作高精度 DEM 的方法娄纯柱于福来刘伟(山东省国土测绘院济南市250013提要 数字高程模型 (DEM 是地理信息数据库的基本内核, 其应用的广泛性不言而喻。关于 DEM 的制作方法多种 多样。但要生产高精度 DEM , 一般是采用数字摄 影 测 量 方 法, 借 助 于 立 体 模 型 对 DEM 进 行 可 视 化 编 辑、 修 改。这 种方法能够达到制作高精度 DEM 的要求。该文主要论述应用数字摄影测量系统制作高精度 DEM 及其精度检测的 方法。 关键词数字高程模型数字摄影测量系统不规则三角网矩形格网A Method of Generating High

2、Precision DEM Based on DigitalPhotogrammetric SystemLou ChunzhuYu FulaiLiu Wei(Shandong Surveying and Mapping Institute of National Land AbstractDEM is the basic kernel of data -base of geographical information , which has wide applications.There are many methods for making DEM. However to produce h

3、igh accuracy DEM ,the technique of digital photogrammetrics and stereoscopic model are needed to editor DEM. This paper primarily discusses the method of generating high accuracy DEM based on digital photogrammetric system and its accuracy check method. KeywordsDEM ; digital photogrammetric system ;

4、 TIN ; GRID作者简介:娄纯柱, 男, 1966年生, 高级工 程 师, 主 要 从 事 数 字 摄 影 测 量的应用研究工作。 收稿日期:2005-03-211前言数字高程模型 DEM 在 许 多 领 域 都 获 得 了 广 泛的应用。它被用于各种线路 (铁路、 公路、 输电线 的 设计及各种工程的面 积、 体 积、 坡度 的 计 算; 在 测 绘 中被用于 绘 制 等 高 线、 坡 度 坡 向 图、 制 作 正 射 影 像 图、 立体透视图以及地图的修测等; 在遥感中可作为 分类的 辅 助 数 据; DEM 是 地 理 信 息 系 统 的 基 础 数 据, 可用于土地利用现状的分析

5、、 合理规划及洪水险 情预报等; 在军事上可用于导航及导弹制导; 在工业 上可用于绘制表面结构复杂物体的形状。这些应用 都基于高精度 DEM 的获取。DEM 数据的采集主要有下列四种方法:地面测 量法、 现有地图数 字化 法、 空 间 传 感器 法、 数 字 摄影 测量法。其 中 数 字 摄 影 测 量 法 是 获 取 高 精 度 DEM 的常用方法。这种方法借助数字摄影测量系统并基于立体模 型 对 DEM 进 行 数 据 点 的 采 集、 编 辑 和 修 改。目 前, 国 产 数 字 摄 影 测 量 软 件 的 代 表 Vir-tuoZo 和 JX -4C 已在国内外的许多行业得到广泛应 用

6、。因此, 研究应用这些系统制作高精度 DEM 的方 法具有普 遍 的 现 实 意 义。本 文 主 要 阐 述 应 用 JX -4C 并通过构建不规则三角网 TIN(Triangulated Irregu-lar Network 的 方 式 制 作 高 精 度 DEM 及 其 精 度 检 测 的方法。2基础数据获取TIN 的创建需要导入一些基础数据。这些基础数据包 括:外 业 点 数 据、 三 维 DXF 数 据、 VirtuoZo 的 矢量数据以 及 JX -4C 的 矢 量 数 据、 特 征 线 数 据 和 DEM 数据等。基础数据获取的方法:1由外业实测所得到的测量碎部点形成文本格 式的文

7、件, 格式如下:点号 X Y Z65勘 察 科 学 技 术 2005年第 6期2 由 AUTOCAD 所生成的三维 矢量 格 式 的 DXF 文件。文件中的点要变为 “多义线” 的形式且 “标高” 项不能为空。3 由 VirtuoZo 生成的矢量 XYZ 数据, 将 其 转 换 为三维 DXF 数据。4 由 JX -4C 系 统 自 身 生 成 的 矢 量 格 式 数 据。 如 VTR 数据、 特征线数据和 DEM 数据等。这些数据最终要在 JX -4C 系 统的 “矢量 测 图” 模块内集成。在构建 TIN 之前, 需要做以下工作:1 根据原始数据的不同类型分别采取不同的引 入方法, 将其作

8、为构建 TIN 的基础矢量数据。2 将基础 矢量 数据 映射 至 立 体 模型 进 行检 查, 删除高于地形表 面的 地 物 图层, 并参 照 立 体模 型 补 测特征点、 线、 面 数 据, 使 所 构 建 TIN 能 准 确 地 反 映 地形、 地貌的变化, 以减少 TIN 的编辑工作量。 3 对特征线进行预处理, 以消除空间点的 “二义 性” , 避免构建 TIN 失败。在 “特征线预处理” 对话框 输入适当参数, 系 统 自动 将 空 间 相交 的 两条 线 求交 点, 然后分别由交点处打断成两条线。3TIN 的构建与编辑运行命令 “提取特征点线矢量” 。输入合适的抽 点参数, 系统依

9、此 参 数自 动 将 基 础 数 据中 的 向量 提 取为构建 TIN 所用的特征点、 线。若关闭某层, 则此 层不参与 提 取 及 构 建 TIN 。 本 系 统 的 DEM 数 据 也 可作为基础 数据 参与 构 建 TIN 。 TIN 的 创 建 工 作 由 系统自动完 成。通 过 给 TIN 填 充 颜色 的 方 法, 可 以 检查将要生成的 DEM 范围是否符合要求。在矢 量 窗 口 打 开 矢 量 和 TIN 数 据, 将 矢 量 和 TIN 映射至立体模型, 依此对 TIN 进行可视化编辑。 这是获取高精度 DEM 的有效保证。在矢量窗口进入 TIN 的编辑工作状态。在立体 模型

10、下漫游检查 TIN 与模型是否套合; 综合运 用 加 点、 加线、 加测区域等命令, 以重构 TIN , 直到 TIN 与 立体模型严密套合为止。4DEM 创建与立体编辑DEM 有多种表现形式, 主要包括规则矩形格网 与不规则三角 网等。由 于 矩 形 格 网 DEM 便 于 使 用 且容易管理, 因而是目前运用最为广泛的一种形式。 因此要将 TIN 转换为矩形格网形式。按要求输入 DEM 间隔, 就可以直接利用 TIN 进 行双线性内插, 以生成物方格网 DEM 。本方法所用 到的数据包括:1 经过预处理之后的外部特征线向量。2 加测的特征点、 线、 面数据。3 所引入的外部 DEM 数据。

11、4 迭代 中 前 一 级 生 成 且 立 体 编 辑 之 后 的 格 网 DEM 数据。5 核线特征匹配经过加密后的相关点。格网 DEM 的范围取决于基础矢量数据的范围, 基础向量的范围一般要比要求的范围大一些, 以避 免 DEM 出现不满幅现象。在创建完格网 DEM 之后, 必须经过立体检查与 编辑。将 DEM 格网点映射至立体模型, 重点编辑与 模型套合误差较大的区域。立体编辑格网 DEM 的主要方法有:1 数据点 编 辑。直 接 对 DEM 的 格 网 点 进 行 编 辑。2 数 据 检 查 编 辑。 功 能 同 上, 但 可 以 实 现 对 DEM 数据的漫游。3 面编辑。参 照 立

12、体 模 型, 用 鼠 标 绘 出 所 要 编 辑的区域, 然后对区域内的 DEM 点进行编辑。 4 局部重构。用鼠标绘出闭合区域, 在 区 域 内 仍可增测特征点、 线。闭合区域内原来的 DEM 格网 点值自动清除, 系 统根据区域边界和区域内的特征 点、 线重构 TIN 并重新内插生成区域内的 DEM 格网 点。此功能 主 要 用 于 地 形 复 杂 区 域 以 及 填 补 DEM 漏洞。5DEM 裁切与接边为了确 保 DEM 能 够 满 幅 (图 幅 边、 角 处 无 漏 洞 , 生成的 DEM 范围往往大一些, 因此需要裁去图 幅外的数据值。首先根据图幅的理论坐标建立一个 用于裁切 的

13、边 界 文 件 (文 本 型 文 件 , 然 后 应 用 “裁 切” 命令将多余数据裁掉。按理论坐标生成的矩形 DEM 数据之间的接边, 只存在一行或一列重合点, 进行接边检查, 若接边精 度符合要求, 取均值即可。6DEM 精度检测DEM 精度 的 检 测 主 要 是 依 靠 外 业 实 测 点 或 者 是在空三加密过程中预留的一些保密点, 将这些检 查点按照 “点 号 X Y Z ” 的 格 式 保 存 为 文 本 型 文 件 *. chk 。应用 “ DEM 精度检查” 命令, 分别选择 *. chk 文 件和需要检查的 DEM 文件, 系统自动生成精度检查 752005年第 6期 勘

14、察 科 学 技 术报告文件。实验数据说明:DEM 比例尺 1:2000地形类别 平坦地区 实地面积 0.2km 2DEM 格网间距 2.5m检查点数 28个检验报告 (部分 如下:检查结果 19. dem 总点数 28个要求的中误差 0.350m中误差 0.278m点数 28个粗差点数 (超过三倍中误差 r 0(逐点误差数据从略从实验结果看, 最大误差为 -0.48m , 最小 误 差 为 0.025m 。如果剔除空三加密系统误差对 DEM 的 影响, 则所生成的 DEM 中误差将小于 0. 20m 。这个 精度要远高于地形图中等高线与高程点的精度。用 此 DEM 内插 生 成 的 等 高 线

15、 (精 度 约 为 0. 25m 一 定 能够满足地形图的精度要求, 这样将会大大减小立 体测图的工作量。7结语应用 TIN 内插生成格网 DEM 的方法比 传 统 制 作格网 DEM 的方法要优越得多。传统的方法是:先 由人工编辑核线匹配的结果, 再生成格网 DEM 。由 于匹配错误较多、 逐块编辑速度慢、 编辑手段少等缺 点, 这种方法正逐步被淘汰。TIN 能很好的顾及地貌特征点、 线, 表示复杂的 地形表面比矩形格网精确。采用 TIN 的方法创建格 网 DEM 时, 格网 DEM 的实地格网间距不能过大, 否 则, TIN 的优 越 性 便 体 现 不 出 来。若 要 获 取 高 精 度

16、 DEM 数据, 关 键 取 决 于 TIN 表 现 地 形、 地 貌 细 部 的 能力。因此, 大量特征点、 线、 面的量测工作是必要 的。尽管如此, 无论从精度还是速度上来说, 这仍然 是一种高效、 实用的方法。参考文献1张祖勋, 张剑清 . 数字摄影测量学 . 武汉:武汉测绘科技大 学出版社,= 1996(上接第 10页6Gill , D. , Barry M. Lehane. An optical technique for investing soil displacement patterns. Geotechnical Testing Journal , GT-JODJ , 20

17、01, 24(3 :3243297姚学锋, 林碧森, 简龙晖, 等 . 立体摄影术与数字散斑相关 方法相 结 合 用 于 研 究 三 维 变 形 场 . 光 学 技 术, 2003, 29 (4 :4734798Iskander , M. Transparent soils to image 3D flow &deformation , Proc. , 2nd Int. Conf. On Imaging Technologies :Techniques and Applications in Civil Engineering , ASCE , 1998:255264 9White D

18、. J , Take W. A. , M. D. Bolton. Measuring soil deforma-tion in geotechnical models using digital images and PIV analys-is. 10th International Conference on Computer Methods and Ad-vances in Geotechanics Balkema , Rotterdam :9971002 10White D. J , Take W. A. , M. D. Bolton &S. E. Munachen. A def

19、ormation measurement system for geotechnical testing based on digital imaging , close range photogrammetry , and PIV im-age analysis. 15th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Istanbul , Turkey. 539542 11Hu , H. , Saga , T. , Kobayashi , T. , Okamoto , K. , and Tan-iguchi , N. Evaluation of the cross correlation method by using PIV standard images. Journal of Visualization , 1998, 1(