數(shù)字高程模型作為地球空間信息框架的基本內(nèi)容和其他各種信息的開車體被列為包括中國在內(nèi)的各國的各國十分重視的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品。本書系統(tǒng)論述了DEM數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)記錄及建模與分析的最的理念研究成查和先進(jìn)技術(shù)方法,其中精度模型和建模算法對于地理三維信息數(shù)字化、自動化有重要意義。該書對正在進(jìn)行的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和數(shù)字地球戰(zhàn)略的實施具有較大的理論和技術(shù)參考價值,適合于與地學(xué)相關(guān)專業(yè)的科研、生產(chǎn)、管理人員以及教學(xué)師和學(xué)生使用。
數(shù)字化是在本世紀(jì)50年代電子計算機出現(xiàn)后才提出的新概念,而數(shù)字高程模型(DEM)的概念在1958年就已經(jīng)提出了。到了今天,數(shù)字高程模型作為地球表面地形的數(shù)字描述和模擬已成為空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和“數(shù)字地球”的重要組成部分。幾十年來對數(shù)字高程模型的研究始終方興未艾、十分活躍。從1972年起國際攝影測量與遙感學(xué)會(ISPRlS)一直把DEM作為主題,組織工作組進(jìn)行國際性合作研究。
盡管有關(guān)DEM的論著和論文非常之多,但是,當(dāng)我讀到由李志林和朱慶寫的這本書時,我仍然激動不已,一口氣把它讀完。我為這本書中的理論創(chuàng)造性、方法的實用性和對數(shù)字化生產(chǎn)的指導(dǎo)性而興奮,中國的地球空間信息學(xué)后繼有人!
本書用簡潔的語言,有條理地、系統(tǒng)而全面地論述了數(shù)字高程模型的概念、數(shù)據(jù)獲取、建模方法、精度分析模型等。書中對由格網(wǎng)數(shù)據(jù)建立DEM的表面精度所作的深入分析和對DEM精度與格網(wǎng)間隔及等高距關(guān)系的分析具有理論創(chuàng)造性,是本書的一閃光點。
為了推動DEM數(shù)據(jù)庫的建立,作者集中力量對數(shù)字高程模型生產(chǎn)的質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)組織和高程內(nèi)插方法進(jìn)行了深入分析,并介紹了生產(chǎn)中的項目設(shè)計和數(shù)據(jù)庫建庫方法,這些敘述是基于作者在“九五”國家測繪局重點科技攻關(guān)項目中的實際工作和調(diào)查研究得到的結(jié)果,具有實際推廣應(yīng)用價值。
對于DEM的應(yīng)用.本書側(cè)重介紹了數(shù)字地形分析、可視化和在土木工程、水利工程、環(huán)境工程及GIS中的應(yīng)用。這些論述對推動DEM在各領(lǐng)域的應(yīng)用,乃至在“數(shù)字地球”中的應(yīng)用有實際意義。
可喜的是本書的主要研究成果已在吉奧之星(GeoStar)GIS軟件中得以實現(xiàn),相應(yīng)的軟件模塊GeoTIN和GeoGrid已在我國“七大江河”1:10000 DEM和全國1:50000DEM數(shù)據(jù)庫建立中立下功勞,成為1999年國家科技部的推薦軟件。
基于以上的理由,我愿向廣大讀者,包括科研、教學(xué)、生產(chǎn)和管理方面的讀者推薦這本書。長江后浪推前浪,江山代有才人出!也希望本書的作者們不斷努力,創(chuàng)造更大的輝煌!
李德仁于武漢
1999.12.5
李志林,1960年出生,香港理工大學(xué)土地測量及地理資訊學(xué)系教授,國內(nèi)多所大學(xué)的客座教授。1982年于西南交通大學(xué)獲得攝影測理與遙感專業(yè)學(xué)位,1990年于英國格拉斯哥大這獲博士學(xué)位。長期從事攝影測量、數(shù)字化制圖及GIS理信紙與算法研究,總共發(fā)表論文150多篇,其中在雜志上發(fā)表文章70多篇、在歷際著名期刊上發(fā)表論文50多篇、SCI論文35篇。國際地理信息科學(xué)權(quán)威雜志《國際地理信息科學(xué)》的編委《Journal of Geospatial Engineering》的主編《Geographical Information Science》的編輯之一,多個國際著名期刊的客座編輯。國際攝影量及遙感學(xué)會第II/6工作組組長。
第一章 概述
1.1 數(shù)字地形的表達(dá)
1.2 數(shù)字地面模型
1.3 數(shù)字高程模型的概念
1.4 數(shù)字高程模型的實踐
1.5 數(shù)字高程模型與其他學(xué)科的關(guān)系
第二章 數(shù)字高程模型的采樣理論
2.1 地面形態(tài)的幾何特征
2.2 地面的復(fù)雜度描述
2.3 根據(jù)坡度的地面分類
2.4 地面采樣的理論基礎(chǔ)
2.5 數(shù)據(jù)采樣策略與采集方式
2.6 數(shù)字高程型源數(shù)據(jù)的三屬性
第三章 數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取方法
3.1 數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)來源
3.2 攝影測量數(shù)據(jù)采集方法
3.3 利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量采集數(shù)據(jù)的方法
3.4 機載激光折描數(shù)據(jù)采集方法
3.5 從地形圖采集數(shù)據(jù)的方法
3.6 從地面直接采集數(shù)據(jù)的方法
3.7 數(shù)字高程模型各種數(shù)據(jù)源對比
3.8 數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)采集的項目計劃
第四章 數(shù)字高程模的基本概念
4.1 表面模的基本概念
4.2 建立數(shù)字于形面模型的各種方法
4.3 三角網(wǎng)的基本概念及生成方法
4.4 格網(wǎng)的基本概念與生成方法
……
第五章 不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)生成的算法
第六章 數(shù)字高程模型的內(nèi)插
第七章 數(shù)字高程模型生產(chǎn)的質(zhì)量控制
第八章 數(shù)字高程模型精度的數(shù)學(xué)模型
第九章 數(shù)字高程模型的多尺度表達(dá)
第十章 數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)組織與管理
第十一章 從數(shù)字高程模型的內(nèi)插等高線
第十二章 數(shù)字地形分析
第十三章 數(shù)字高程模型的可視化
第十四章 數(shù)字高程型的應(yīng)用
第十五章 數(shù)字高程模型與地理信息系統(tǒng)(GIS)的集成
附錄 術(shù)語匯編
7.10數(shù)字高程模型的生產(chǎn)過程的質(zhì)量檢查
DEM的質(zhì)量控制流程是DEM生產(chǎn)流程中的一條主線。從這個角度來劃分,可以將DEM生產(chǎn)項目的質(zhì)量檢查分為三個部分:原始資料的質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量檢查、最終產(chǎn)品的質(zhì)量檢查。這三部分的質(zhì)量檢查事實上是與DEM生產(chǎn)的工藝流程密切相關(guān)的,嚴(yán)格地說。只有對DEM的原始數(shù)據(jù)的處理才真正屬于DEM質(zhì)量檢查的范圍,而這以前的質(zhì)量檢查盡管和DEM的質(zhì)量有很大的關(guān)系,如使用攝影測量方法生產(chǎn)DEM中許多的工作(如原始航片的質(zhì)量、掃描后的影像質(zhì)量、參數(shù)文件的檢查等)并不真正屬于DEM質(zhì)量檢查的范圍。
7.10.1質(zhì)量檢查的內(nèi)容
盡管采用何種生產(chǎn)工藝流程生產(chǎn)DEM和DEM的質(zhì)量檢查是密切相關(guān)的,即不同的工藝流程會導(dǎo)致DEM的質(zhì)量檢查會有很大的不同,但總的來說,DEM的質(zhì)量檢查應(yīng)當(dāng)包括這樣一些內(nèi)容:
(1)檢查DEM原始的數(shù)學(xué)基礎(chǔ);
(2)檢查DEM數(shù)據(jù)起止點坐標(biāo)的正確性;
(3)檢查DEM原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量;
(4)檢查DEM的高程值有效范圍區(qū)是否正確;
(5)檢查生成DEM的內(nèi)插模型;
(6)檢查生成的DEM產(chǎn)品的質(zhì)量;
(7)檢查DEM的元數(shù)據(jù)文件是否正確。
這些內(nèi)容中,對于DEM原始的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、DEM數(shù)據(jù)起止點坐標(biāo)的正確性、DEM高程值有效范圍區(qū)的正確性、DEM元數(shù)據(jù)文件的正確性等問題的檢查一般都比較容易,而對DEM原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量、生成DEM的內(nèi)插模型及生成DEM產(chǎn)品的質(zhì)量檢查則比較困難,也是比較關(guān)鍵的。
對DEM原始數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查的實質(zhì)是檢查數(shù)據(jù)中是否含有誤差(包括系統(tǒng)誤差、偶然誤差和粗差)。對生成DEM產(chǎn)品的質(zhì)量檢查主要是檢查DEM產(chǎn)品是否含有誤差、整體精度如何、是否準(zhǔn)確反映了地形等。對DEM內(nèi)插模型的檢查則要復(fù)雜一些,從數(shù)學(xué)的角度而言,可從逼近程度、外推能力、平滑效果、惟一性、計算時間等方面進(jìn)行比較檢查和評價,但在實際應(yīng)用中,無法對內(nèi)插模型的這些特性進(jìn)行檢查,更為主要的是,大量的實踐表明,影響DEM精度的主要因素取決于原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量和顧及地形特征與否,而與內(nèi)插并無明顯的關(guān)系。但一般認(rèn)為.使用雙線形內(nèi)插的效果要好一些。
7.10.2質(zhì)量檢查的方法
一般有三種方法對DEM的質(zhì)量進(jìn)行檢查,它們是:
(1)目視檢查:主要是由計算機生成DEM數(shù)據(jù)的可視化形式,由人工進(jìn)行判斷與檢查。比如在基于地形圖掃描矢量化生產(chǎn)DEM的方法中,可將DEM按高程分層設(shè)色,與等高線和掃描影像疊加顯示或繪圖輸出檢查,或?qū)EM生成的三維暈渲圖與等高線疊加檢查,或用DEM內(nèi)插與原始等高線相同等高距的等高線進(jìn)行套合檢查,即所謂的等高線回放法。
在攝影測量生產(chǎn)DEM的方法中?蓪EM生成的等高線與正射影像進(jìn)行疊加,目視等高線是否有突變情況,或與地形圖比較,當(dāng)?shù)孛残螒B(tài)、同名點(近似)高程差異較大時說明可能有問題。
(2)半自動檢查(交互式檢查):上節(jié)所述的基于趨勢面與三維可視化的方法,以及基于等高線拓?fù)潢P(guān)系的方法都屬于此類方法。在全數(shù)字?jǐn)z影測量及交互式攝影測量生產(chǎn)DEM的方法中,使用左、右正射影像零立體對DEM的檢測手段也屬于這類方法。一般地,在較成熟的生產(chǎn)DEM的軟件中,這種人工交互的方法是很多的。
(3)自動檢查:原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查可采用上節(jié)所述的濾波方法及基于坡度信息的方法。由于原始數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差與其生成的方法和流程有極為密切的關(guān)系,如果不在生產(chǎn)工藝中生成原始數(shù)據(jù)的前一步對系統(tǒng)誤差進(jìn)行檢測與剔除,而從數(shù)據(jù)本身來處理則會很難,所以在此一般不作討論。DEM產(chǎn)品的質(zhì)量檢查也可采用這種方法。
(4)影像分析檢查:DEM常常是一組用矩陣形式表示的高程組,實際上為柵格數(shù)據(jù)。和其他柵格數(shù)據(jù)一樣,可以用影像來表達(dá)和檢查DEM高程誤差。用影像來檢查DEM的手段主要有兩種,即灰度和彩色影像。兩種方法均采用色彩對照表建立各個高程值和灰度或彩色之間的對應(yīng)關(guān)系。對DEM的局部進(jìn)行詳細(xì)檢測,進(jìn)而計算出局部區(qū)域DEM的誤差。實際上將DEM作為影像時,許多對影像的操作都可對DEM應(yīng)用,這是一個很有潛力的研究領(lǐng)域。
7.10.3基于地形圖掃描矢量化的質(zhì)量檢查的流程
DEM生產(chǎn)時的質(zhì)量過程控制方法,以及分析質(zhì)量管理的具體內(nèi)容。不同的生產(chǎn)方式、不同的生產(chǎn)設(shè)備和對產(chǎn)品質(zhì)量不同的要求,質(zhì)量控制的內(nèi)容方法存在較大的差異。
(1)基礎(chǔ)資料的質(zhì)量:基礎(chǔ)資料分為薄膜黑圖和彩圖兩種。復(fù)制薄膜黑圖必須符合作業(yè)規(guī)程中的要求,當(dāng)原圖確有質(zhì)量問題時,要進(jìn)行處理才能使用。圖廓點和有無非均勻變形是重點檢查的內(nèi)容,檢查一般采用量測圖廓邊長,計算與理論值的較差,較差在0.3mm以內(nèi)的圖幅,可以認(rèn)為變形較小符合要求;如果邊長較差大于O.3ram,可先將圖進(jìn)行掃描,將掃描影像進(jìn)行幾何糾正,消滅系統(tǒng)變形誤差,然后選擇方里網(wǎng)交點坐標(biāo)與理論值進(jìn)行比較,誤差小于0.2mm的符合精度要求。否則應(yīng)進(jìn)行局部控制糾正。沒有方里網(wǎng)交點的,可選擇特征點,從彩圖上獲得理論坐標(biāo)值,計算變形誤差。
(2)預(yù)處理圖的質(zhì)量:主要檢查以下幾個方面:湖泊、水庫、雙線河的選取是否合理;高程估
讀是否正確;原圖上等高線斷開的地方,預(yù)處理是否合理;為了配合TIN構(gòu)造,增加的特征點
是否正確。
(3)掃描影像的質(zhì)量:掃描儀是否達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo);掃描影像是否按要求的格式命名和文件組織存儲;掃描影像的完整性和影像質(zhì)量是否達(dá)到要求,不粘連,不發(fā)虛。
(4)矢量化:矢量化過程的各種參數(shù)設(shè)置應(yīng)合理,核實新添加的數(shù)據(jù)的正確性。在屏幕上將矢量數(shù)據(jù)和柵格影像疊合顯示,檢查數(shù)字化的要素是否有遺漏;檢查是否存在短小毛刺;檢查高程賦值有無粗差;檢查補繪的等高線是否合理;不應(yīng)該有多邊形錯誤和不合理的懸掛節(jié)點;檢查要素之間是否有不合理的粘連或打結(jié)。
(5)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換建立拓?fù)潢P(guān)系:檢查圖廓點的坐標(biāo)值及點號是否正確;檢查坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差是否符合精度要求;檢查各數(shù)據(jù)層的正確性;檢查每一層的拓?fù)潢P(guān)系是否正確。檢查每一個屬性表是否正確,屬性項的名稱、定義和順序是否符合規(guī)定要求;檢查屬性值是否超過值域范圍。
檢查各屬性項值的正確性。
(6)接邊檢查:檢查各要素是否與本圖圖廓線嚴(yán)格吻合,不得偏離;檢查相鄰圖幅要素是否全部接邊,接邊誤差是否在規(guī)定值之內(nèi),屬性值是否一致。
(7)位置精度和屬性精度檢查:屬性精度,完整性和邏輯一致性檢查;位置精度和屬性代碼,可以在工作站上對矢量數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行符號化和注記,以柵格數(shù)據(jù)當(dāng)背景顯示,檢查其正確性;繪圖檢查也是一種可行的方法,可以充分利用人力資源。
(8)生成TIN:檢查生成TIN是否采用了規(guī)定的數(shù)據(jù)內(nèi)容;檢查生成TIN時使用的各種參數(shù)是否合理和正確;檢查TIN是否覆蓋整個圖幅范圍,并向圖廓外適當(dāng)延伸;對 TIN進(jìn)行檢驗,發(fā)現(xiàn)粗差的地方和不合理的地方退回上一步,修改矢量數(shù)據(jù)。使用方法:交互式檢查。
(9)生成DEM:檢查生成DEM的內(nèi)插模型;檢查DEM數(shù)據(jù)起止點坐標(biāo)的正確性;檢查高程值有效范圍區(qū)是否正確;檢查DEM是否存在不平滑的地方需要編輯處理;檢查DEM是否有粗差,有則退上一步修改;檢查元數(shù)據(jù)文件是否正確。主要檢查方法:將DEM按高程分層設(shè)色,與等高線和掃描影像疊加顯示或繪圖輸出檢查,或?qū)EM生成的三維暈渲圖與等高線疊加檢查。相鄰圖幅DEM接邊處是否連續(xù),有無裂縫。
(10)DEM編輯:檢查DEM數(shù)據(jù)中存在的不平滑現(xiàn)象是否徹底編輯干凈和合理。
(11)檢查文檔簿填寫的內(nèi)容是否完整,正確。
(12)產(chǎn)品歸檔檢查:檢查各種數(shù)據(jù)資料、圖形資料、文檔資料是否齊全;檢查存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)和規(guī)格是否按規(guī)定要求;檢查備份的數(shù)量;檢查數(shù)據(jù)是否可用;文件組織、文件命名是否按規(guī)定要求。
7.10.4基于數(shù)字?jǐn)z影測量工作站的質(zhì)量檢查的流程