济南市1∶10 000数字高程模型的生成工艺

王鸿 ，田永明

(1.济南市勘察测绘研究院，山东 济南 250013; 2.山东省城市空间信息工程技术研究中心，山东 济南 250013)

1 引 言

近些年来，数字高程模型(DEM)在测绘、气象、地貌、地质、工程建设、通信等许多领域得到迅速的发展、充分的应用和广泛的关注，为国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域的发展提供基础性的应用数据。基于数字高程模型(DEM)在城市建设发展和管理中的重要性，我院制作了济南市主要区域的1∶10 000数字高程模型(DEM)。

2 测区概况、技术要求

济南市是山东省的省会城市，位于山东省中部，地势南高北低，南依泰山，北跨黄河。本次制作的济南市数字高程模型(DEM)的覆盖面积约5 300 km2。结合实际需要我院制作的数字高程模型(DEM)成图数学基础如下:平面坐标系统采用济南市独立坐标系统，该独立坐标系统可与2000 国家大地坐标系进行相互转换，高程基准采用1985 国家高程基准。其基本技术指标如表1所示:

表1 基本技术指标

3 主要工艺流程

在适普摄影测量工作站VirtuoZo 中制作数字高程模型(DEM)的主要工艺流程包括:数据准备、空三加密、自动匹配、匹配结果编辑、生成DEM、DEM 拼接与分幅等，具体如图1所示:

图1 制作DEM 的主要流程图

3.1 空三加密

目前航空摄影可以采用GPS、惯性导航系统等先进技术，这可以大大减少外业像控点布设的工作量。由于我院同时还要生产数字线划图(DLG)及数字正射影像图(DOM)，对空三加密成果的精度要求比较高，所以本次区域网像片控制点的布设采用传统的方法，即采用平高控制点的区域网布点方案，航向每6 条基线布设一组控制点，在山地等不易选点的条件下可放宽至8 条基线布设，旁向每隔1 条航线进行控制点的布设。采用DMC 数字航摄仪获取的数字影像不能被软件直接读取处理，这就需要对原始影像数据进行一下数据格式的批量转换，由航空摄影所直接获得的辐射分辨率12 bit的影像数据批量转换为16 bit影像数据，最后再批量转换为8 bit影像数据。

数据格式转换完成后按照规范及软件要求设定相应参数，依次进行定向(包括内定向和相对定向)、航带偏移、自动转点、自动挑点、绝对定向、平差计算、区域网接边等工作即完成区域网的空三加密工作，空三加密是计算机自动匹配与人工干预共同执行完成的一项交互式的工作，对后续采集各种数字成果的精度影响较大，因此要求加密人员选点合理、刺点点位准确无误。空三加密完成后即可安排作业人员进行DEM、DLG、DOM 等数字产品的制作。

3.2 匹配结果的编辑及数字高程模型生成

数字高程模型(DEM)是一种实体地面模型(如图2所示)。数字高程模型(DEM)在进行土方量计算、通视分析、汇水区分析、蜂窝电话的基站分析等方面的应用十分广泛［5］，数字高程模型(DEM)是建立智慧城市的重要基础信息之一。

图2 DEM

目前有很多方法可以获取数字高程模型(DEM)，如机载激光扫描仪、激光测高仪、Insar 技术、摄影测量、GPS 和全站仪野外测量以及基于数字化等高线和高程点信息创建DEM 等［6］。本文是采用摄影测量的方法来获取数字高程模型(DEM)，作业人员通过利用绘制点、线、面等不同作业方式对自动匹配生成的核线影像结果进行立体编辑，对于一些十分复杂的地形区域的影像，如:沟谷、山脊、大片居民区、黑影遮盖区或水域等地区的影像，由于其影像纹理不清晰导致自动匹配生成的匹配点不是在地面上，从而无法较好的获取贴近地面的高程信息，这种情况需要在自动匹配前进行匹配预处理，在立体模型中根据地形的复杂情况加测适量的特征点、线、面来辅助系统进行自动匹配，通过人工干预获得更好的匹配结果，减少后期立体模型上编辑的工作量。采集编辑时按照具体地形情况及具体的生产技术要求对参数进行适当设置，组合使用各种拟合算法、平滑算法以及内插方法对自动匹配不好的格网点进行适当的编辑，使编辑后的格网点贴近影像立体模型的地貌表面［4］，并对编辑结果进行立体模型检测，使格网点高程最大误差不超过规范要求的2 倍高程中误差，以获得高精度的DEM 数据。

由于济南南部临近泰山多为山区，北部地势较为平缓，针对这两种地形地貌的处理方式就存在不同之处。山区植被覆盖茂盛，并且地势高差较大，自动匹配生成的结果较差，在自动匹配前加测特征数据或者引入已有的高精度的DLG 数据的等高线或高程点数据进行预处理，匹配效果就会得到极大改善，从而减少了后期编辑的工作量;而对于北部较为平坦的区域，自动匹配的结果比较理想，容易编辑处理，只需要对居民区、树木等地物运用曲面拟合配合中度平滑算法进行编辑处理，就可以达到理想的效果。对于测区范围内的玉清湖水库、锦绣川水库等大大小小的水体，采用定值平面的方法进行处理，使水库范围内DEM 高程值一致;黄河的DEM 采用中度平滑算法进行处理，达到其高程自上而下平缓过渡。

3.3 DEM 镶嵌与裁切

作业人员单个模型DEM 编辑完成后，要进行相邻单模型DEM 之间接边处理，接边时要保证至少有2 个格网的重叠带［1］，检查重叠带内所有的同名格网点的高程较差，当DEM 同名格网点的高程较差不大于2 倍DEM 高程中误差时，取同名点高程的平均值作为该点高程，若同名格网点的高程较差超限，需在立体模型上查明原因并进行修正直至符合要求，生成单像对DEM并保留接边精度报告，接边精度报告随成果一并提交质量检查。图幅范围内所有像对DEM 的接边较差都满足要求后，进行像对间及航带间的DEM 镶嵌。

DEM 镶嵌完成后，按照起止格网点坐标进行矩形裁切，裁切时外扩一排DEM 格网，确保相邻DEM 分幅成果之间有一定的重叠度，同时生成该图幅DEM 格网的地理定位信息文件。

4 精度检测

数字高程模型成果的精度用格网点的高程中误差表示，根据GB/T 18316－2008《数字测绘成果质量检查与验收》中对质量检查方法的规定，DEM 精度的检测主要有参考数据对比、野外实测、内部检查等方法［2］，野外实测方法虽然精度高，但由于测区范围大导致野外实测的工作量很大，野外实测的方法适用于范围较小或实验区的精度检测，鉴于勘测院有丰富的地形图等现势强的数据资源的优势，本次对DEM 精度的检测采用参考数据对比，充分利用济南市1∶500全野外数字化地形图成果、二级导线点成果、控制测量成果及1∶2 000数字地形图成果，成果精度评定是以1∶500全野外数字化地形图、二级导线点成果、控制测量成果及1∶2 000数字地形图成果上的高程点作为检查点，对DEM 格网点位高程精度进行检验。

参照CH/T9009．2－2010《基础地理信息数字成果1∶5 000、 1∶10 000、 1∶25 000、 1∶50 000、1∶10 0000数字高程模型》数字高程模型成果格网点高程中误差精度要求不大于表2规定:

表2 1∶10 000 比例尺数字高程模型精度指标［3］

依据GB/T24356－2009《测绘成果质量检查与验收》中的验收要求，按照地形特征的不同在平地、丘陵地、山地和高山地中共抽取22 幅数字高程模型进行精度检测，在每幅DEM 上根据具体的地形复杂情况选取20 个～30 个检查点，检查点均匀分布在每幅DEM 上，适当增加检查点的密度在高程变化较大的地区，经检查粗差点为2.6%，剔除粗差点后根据公式(在规范GB/T24356－2009 中规定)计算中误差，其中，Mh为高程中误差，n 为检查点个数，△hi为高程较差，由表3可以看出DEM 成果能够满足1∶10 000一级精度要求。

表3 1∶10 000 DEM 成果精度检测汇总表

5 心得体会

通过这次数字高程模型DEM 数据生产有以下体会:

(1)加密分区时，为能提高加密成果精度并且能保证空三加密能顺利通过，应尽量按照平地、丘陵地、山地和高山地等不同地形特征进行适当分区，加密时做好加密分区的接边工作;

(2)为方便生产中作业人员进行DEM 镶嵌裁切，分配任务时尽量按加密分区内整条航线或相邻航线进行作业分配;

(3)在立体模型上作业员进行匹配编辑和质检员进行目视检查时，应分条块进行，每条块间有适当重叠，防止有遗漏区域;

(4)进行精度评定时选用的1∶500 全野外数字化地形图成果、二级导线点成果、控制测量成果及1∶2 000数字地形图成果等数据要进行必要的可靠性评定，剔除精度较差的检查点，提高精度评定的准确性。

6 结 语

数字高程模型(DEM)数据的应用前景十分广阔，其应用值得相关行业进行深入研究。济南市1∶10 000数字高程模型制作完成后，已成功应用于济南市城市三维模型制作、济南市卫星影像图生产、基础地理信息公共平台建设、地理国情普查等方面，为济南市城市规划管理、土地利用分析等方面提供了及时、准确的服务，为智慧城市的发展奠定了基础。

［1］CH/T 1015．2－2007．基础地理信息数字产品1∶10000、1∶50000生产技术规程(第2 部分:数字高程模型DEM)［S］．

［2］GB/T 18316－2008．数字测绘成果质量检查与验收［S］．

［3］CH/T 9009．2－2010．基础地理信息数字成果1∶5000、1∶10000、1∶25000、1∶50000、1∶100000 数字高程模型［S］．

［4］适普软件有限公司．VirtuoZo 全数字摄影测量工作站使用手册［z］．

［5］阮明．大范围DEM 数据的快速生产［J］．城市勘测，2011(1):102～104．

［6］田永明，王鸿，武丰雷．利用立体像对建立城市三维景观［J］．城市勘测，2010(3):77～79．