14 数字高程樸型 土的大部分地区都有着包含等高线的高质量地形图,这些地形图无疑为地形建模提供了丰富、 廉价的数据源。 从既有地形图上采集DEM涉及两个问题,一是地图符号的数字化,再就是这些数字化数 据往往不满足现势性要求。因此,对于经济发达地区,由于土地开发利用使得地形地貌变化剧 烈而且迅速,既有地图往往也不宜作为DEM的数据源;但对于其他经济落后地区如山区,因 地形变化小,既有地图无疑是DEM物美价廉的数据源。 基本地形图系列的比例尺和包含内容在不同国家可能有所不同。在英国覆盖全国的基 本地形图比例尺为11万而在另外一些国家如中国,这一比例尺从1:100万到1:1万。表2 1-1列出了根据比例尺和综合程度进行分类的地形图。 涉及地形图一个最重要的方面是地形图的数据质量特别是它在精度方面的数量指标。 等高线地形图表达的可信度主要取决于等高线的密度及其本身的精度。有关等高线密度的 个主要方面是等高线间距。不同比例尺地图比较常用的等高线间距列于表212中。 表211不同比例尺的地形图和它们的地形综合特性地形图 比例尺 特征 大比例尺地形图 >1:1万 综合程度很低,较真实地反映地形 中比例尺地形图(1:2万)~(1:7.5万)作了一定程度的综合,近似地反映地形 小比例尺地形图 <1:10万 综合程度很高仅反映地形的大致特征 表212地形图比例尺与等高距的关系 地形图的比例尺 等高距 1:20万 25~100m 1:10万 1:5万 1:2.5方 5~20m 1:1万 2.5~101 3地面本身 用全球定位系统GPS、全站仪或经纬仪配合袖珍计算机在野外进行观测获取地面点数 据经适当变换处理后建成数字高程模型,一般用于小范围详细比例尺(如比例尺大于 1:2000)的数字地形测图和土方计算。以地面测量的方法直接获取的数据能够达到很高的精 度常常用于有限范围内各种大比例尺高精度的地形建模如土木工程中的道路、桥梁、隧道、 房屋建筑等。然而,由于这种数据获取方法的工作量很大,效率不高加之费用高昂并不适合 于大规模的数据采集任务,比如在采集覆盖一个地区、一个国家的数据时,就不可能使用这种 方法
第二章数宇高程模型的数据获取 4其他数据源 用气压测高、地质勘探和重力测量等方法,可得到地面稀疏分布的高程数据,以此建立的 数字高程模型主要用于大范围且高程精度要求较低的科学研究。 第二节数据釆集方法 由于摄影测量的方法和地形图数字化的方法是大规模DEM采集最有效的两种方式,也 是最为普遍采用的方式,因此本节将对这两种方法进行详尽的阐述。 1摄影测量数据采集方法 1.1发展过程简述 摄影测量采集空间数据的方法是与摄影测量的发展过程紧密相关的。摄影测量的发展可 划分为三个阶段即模拟摄影测量解析摄影测量与数字摄影测量。 模拟摄影测量的发展可追溯到19世纪。19世纪中叶,劳塞达(A. Laussedat,被认为是 掇影测量之父”)利用所谓的“明箱”装置测制了万森城堡图。当时一般采用图解法进行逐点 测绘。直到20世纪初才由维也纳军事地理研究所按奥雷尔Ore)的思想制成了“自动立体 测图仪”,后来由德国卡尔蔡司厂进一步发展,成功地制造了实用的“立体自动测图仪”。经过 半个多世纪的发展,到60~70年代,这种类型的仪器发展到了顶峰。由于这些仪器均采用光 学投影器或机械投影器或光学一机械投影器“模拟”摄影过程,用它们交会被镊物体的空间位 置所以称其为“模拟摄影测量仪器"。在模拟摄影测量的漫长发展阶段中,摄影测量科技的发 展可以说基本上是围绕着十分昂贵的立体测图仪进行的而且操作方式是全手工的 随着模数转换技术、电子计算机与自动控制技术的发展, Helava于1957年提出了摄影测 量的一个新的概念就是“用数字投影代替物理投影”。所谓物理投影”就是指“光学的、机械 的或光学一机械的”模拟投影。“数字投影"就是利用电子计算机实时地进行共线方程的解 算从而交会被摄物体的空间位置。这一发展时期有代表性的产品是“解析测图仪”。解析测 图仪与模拟测图仪的主要区别在于前者使用的是数字投影方式后者使用的是模拟的物理投 影方式。由此导致仪器设计和结构上的不同前者是由计算机控制的坐标量测系统;后者使用 纯光学、机械型的模拟测图装置。还有操作方式的不同:前者是计算机辅助的人工操作;后者 是完全的手工操作。由于在解析测图仪中引入人工半自动化的机助作业,因比免除了定向的 繁琐过程及测图过程中的许多手工作业方式。但它们都是使用摄影的正片(或负片)或像片, 并都需要人用手去操纵(或指挥)仪器,同时用眼进行观测。其产品也主要是描绘在纸上的线 划地图或印在相纸上的影像图,即模拟的产品。当然,在模拟测图仪上附加数字记录装置,或 在解析测图仪上以数字形式记录多种信息,也可形成数字的产品
16 数字高程模型 数字摄影测量的发展起源于摄影测量自动化的实践,即利用相关技术,实现真正的自动化 测图。这种方式的基本思想是将各种模拟的影像变成能为计算机处理的数字影像然后使用 计算机实现摄影测量的全过程。随着计算机技术及其应用的发展以及数字图像处理、模式识 别、人工智能专家系统以及计算机视觉等学科的不断发展,数字摄影测量的内涵已远远超过 了传统摄影测量的范围,现已被公认为是摄影测量的第三个发展阶段。数字摄影测量与模拟 解析摄影测量的最大区别在于:它处理的原始信息可以是像片,更主要的是数字影像(如 SPOT影像)或数字化影像;它最终是以计算机视觉代替人眼的立体观测,因而它所使用的仪 器最终将只是通用计算机及其相应外部设备,特别是当代,工作站的发展为数字摄影测量的发 展提供了广阔的前景;其产品是数字形式的,而传统的产品只是该数字产品的模拟输出。 应当指出尽管早期的模拟摄影测量相比于现代的数字摄影测量有它无法克服的局限性, 但它在特定的历史条件下曾发挥过重要的作用。实际上,即使现在以至将来的很长一段时间 使用这三个阶段的仪器进行空间数据采集仍会相互补充。总的来说摄影测量是空间数据采 集最有效的手段之一,它具有效率高劳动强度低、精度高等优点。在本书中将以获取DEM 数据为目的而设计的具体摄影测量采集方法称作摄影测量采样方法这也是下一节将要讨论 的主要内容 1.2现有的摄影测量采样方法 涉及DEM数据采集的摄影测量采样方法包括等高线法规则格网点法选择采样法渐 进采样法、剖面法混合采样法等,这些方法可以是人机交互式的或自动化的。 (1)沿等高线采样 在地形复杂及陡峭地区,可采用沿等高线跟踪的方式进行数据采集,而在平坦地区,则不 宜采用沿等高线采样的方法。沿等高线采样可按等距离间隔记录数据或按等时间间隔记录数 据。当采用后者时,由于在等高线曲率大的地方跟踪速度较慢,因而采集的点较密集,而在曲 线较平直的地方跟踪速度较快采集的点较稀疏故只要选择恰当的时间间隔所记录的数据 就能很好地描述地形,又不会有太多的数据冗余。 (2)规则格网采样 正如其名字所言,规则格网采样能确保所采集的数据具有规则的格网形式。通过固定某 方向(如X轴方向),而在另一方向(如Y轴方向)以等间距移动测标同时对每一点测量其 高程值便可获得规则格网数据。在这种方法中量测点在X或Y方向的移动由微处理器自 动控制不需要手工的操作。显然这种方法非常适于自动或半自动的数据采集。 (3)剖面法 剖面法与规则格网法类似,它们之间的惟一区别是在格网法中量测点在格网的两个方向 上都均匀采样,而在剖面法中只是在一个方向即剖面方向上均匀采样。在剖面法中,通喾情 况下点以动态方式量测,而不像在规则采样中以静态方式进行。因此这种方法从速度方面来 说具有较高的效率但其精度将比以静态方式量测的规则格网点的精度低。另外这种方法的
第二章数字高程模型的数据获取 固有缺点是如果要保持较小而且重要的地形特征,那就必须保证采样数据有较高的冗余度。 大多数情况下剖面法并非主要为了采集DEM数据,而是与正射影像的生产联系在一起的。 从这一方面来说DEM数据更像剖面法的副产品,而不是其主要产品。 (4)渐进采样 为了使采样点分布合理,即平坦地区样点较少地形复杂地区的样点较多,可采用渐近采 样方法。在这种方法中,小区域的格网间距逐渐改变,而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所固有的数据冗余问题但这种方法仍然存在一些缺点 共在地表突变邻近区域内的采样数据仍有较高的冗余度; 有些相关特性在第一轮粗略釆样中有可能丢失,并且不能在其后的任一轮采样中恢 复 跟踪路径太长,导致时间效率降低。 (5)选择性采样 为了准确反映地形,可根据地形特征进行选择性的采样例如沿山脊线、山谷线断裂线以 及离散待征点(如山顶点)等进行采集。这种方法的突出优点在于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。但另一方面,因为它需要受到专业训练的观测者对立体模型 进行大量内插所以并非一种高效的采样方法。实际上,没有一种自动采样程序是基于这种采 样策略的。也正因为这个原因,在一些需要快速获取数据的机构或组织(比如军事测绘单位) 这种方法并不常见。 (6)混合采样 混合采样是一种将选择采样与规则格网采样相结合或者是选择采样与渐进采样相结合的 采样方法。这种方法在地形突变处(如山脊线断裂线等)以选择采样的方式进行,然后这些特 征线和另外一些特征点如山顶点、谷底点等被加入规则格网数据中。实践证明,使用混合采 样能解决很多在规则格网采样和渐进采样中遇到的问题。混合采样可建立附加地形特征的规 则矩形格网DEM也可建立沿特征附加三角网(Grid-Tin)混合形式的DEM,但显然其数据 的存贮管理与应用均较复杂。 (7)交互式采集 土述的(1)、(3)(5)和(6)等方法适合于利用解析测图仪或机助测图仪进行半自动化的交 互式数据采集。特别是在数字摄影测量工作站DPW中,混合采样的方法既可以达到较高的 作业效率,又可取得较好的数据质量。这种方法首先使用计算机自动相关生成粗格网DEM, 然后在立体模型上加测地形特征线,在此基础上内插细格网DEM (8)自动采集 这也是数字摄影测量系统最主要的特征。自动采集方法按照像片上的规则格网利用数字 影像匹配进行数据采集若利用高程直接求解的影像匹配方法,也可按模型上的规则格网进行 数据采集。全数字化摄影测量系统在市场上已有比较成熟射产品,比如Lea/ Helava的H
数字高程模型 leiss/Intergraph的Z、中国的JX-4A和 virtuozo等。这种方法的优点是许多操作是自动化 的,用户不需要做太多的于预。但是在自动相关生成DEM时仍需要采集地貌特征点线,才能 保证DEM的高保真度。特别是在平坦地区森林覆盖地区和房屋密集的城区,仍需要相当多 的人工干预和编辑工作,否则DEM的精度将难以保证。 2从现有地形图获取数据 不论从哪种比例尺的地形图上采集DEM数据,最基本的问题都是对地形图要素如等高 线进行数字化处理,如手扶跟踪数字化或者半自动扫描数字化然后再用某种数据建模方法内 插DEM。而关于地形图要素的数字化处理特别是半自动扫描数字化技术已经很成熟并已成 为地图数字化的主流。 21手扶跟踪数字化 将地图平放在数字化仪的台面上,用一个带有十字丝的游标,手扶跟踪等高线或其他地物 符号,按等时间间隔或等距离间隔的数据流模式记录平面坐标,或由人工按键控制平面坐标的 记录高程则需由人工从键盘输入。这种方法的优点是所获取的向量形式的数据在计算机中 比较容易处理;缺点是速度慢、人工劳动强度大。 22扫描数字化或称屏幕数字化 利用平台式扫描仪或滚筒式扫描仪或CD阵列将地图扫描得到栅格形式的地图数据,即 组阵列式排列的灰度数据(也就是数字影像)。将栅格数据转换成矢量数据可以充分利用图 像处理的先进技术进行曲线自动跟踪和注记符号的自动识别等,因此效率很高。目前主要采 用半自动化跟踪的方法,即先由计算机自动跟踪和识别,当出现错误或计算机无法完成的时候 再选行人工干预这样既可以减轻人工劳动强度,又能使处理软件筒单易实现。国内已有许多 优秀的半自动扫描矢量化软件,如 Geoscan等。 数字化后的等高线数据通过一定的处理如粗差的剔除高程点的内插高程特征的生成等 便可产生最终的DEM数据。 从等高线数据可以直接生成TN,也可直接生成格网DEM,另一方面格网DEM也可由 等高线先生成TN再内插而获得。有关具体的算法将在第三章详细阐述。经过实践证明,由 等高线先生成TN再内插格网DEM的精度和效率都是最好的(精度的评估问题可参考第四 章)。图22-1所示是 GetTin软件由等高线地形图生成格网DEM的作业流程。 3关于DEM采集的几点结论 (1)对DEM的采集方法可以从性能、成本、时间精度等方面进行评价。应当指出,各种 采集方法都有各自的优点和缺点因此选择DEM采集的方法要从目的需求精度要求、设备 条件、经费条件等方面考虑选择合适的采集方法。表221是DEM数据采集方法和各自特性 的比较一览表