基于Arcpy的DEM生产解决方案
2023-03-09张学仪
张学仪
(四川中水成勘院测绘工程有限责任公司，成都 610072)
DEM生产是测绘地理信息专业领域最重要的业务之一。总结了DEM生产项目经验，针对流域规划、水域分析和河湖划界等解决DEM生产中的实际问题，经过试验和调整，提出了一套较完整的解决方案。流程如图1所示。
图1 DEM生产解决方案图Fig.1 Conceptual drawing of DEM production
1 DEM生产解决方案
1.1 DEM基础数据
DEM生产方法很多，本研究主要分析其中两种，即利用激光点云生成DEM，在地形图中提取高程点及等高线生成DEM。提取基础数据后，利用Arcpy开发程序集，对基础数据进行质量检查，分析基础数据质量，对有问题的数据进行整改。数据检查包括以下内容：等高线高程点属性字段检查，如是否有低点、错点或等高线错值与非整数值等；处理等高线自相交、相交与水系相交；穿双线水域等高线两边拉直，不要有弧度；池塘等高线下水处理、水域遇涵洞与闭合圈处理、房区周围等高线处理、特征点(鞍部、闭合圈等)处理。
针对DEM生成和后期水面改正，开发了DLG质检程序集，如图2所示，主要用于检查基础数据资料质量。
图2 DLG质检工具集Fig.2 DLG quality control tool set
1.2 构建TIN
TIN的全称是Triangulated Irregular Network，即“不规则三角网”，也是一种数字模型。TIN文件可表达高程的数字模型，与DEM的区别是矢量，而DEM是栅格。矢量的高程点和等高线转换为连续面状DEM高程数据模型则需要插值完成。而插值过程不能直接将矢量插值转化为栅格数据，应先插值生成TIN模型，再将其转化为栅格数字高程模型DEM文件。
1.3 三角约束处理
虽然通过特征点线建构TIN生产的DEM质量很高，但TIN数据中通常存在平三角(三角形3个顶点高程相等)。平三角在局部地形，特别是山脊和山谷会出现一些不合理的平坦区域，在DEM反生等高线与已有图进行套合比对时，两者差异会出现不符合规范要求的情况，因此需要利用程序来解决。图3是平三角处理前后反生等高线套合的结果，图4是TIN编辑处理效果对比图。
图3 平三角处理前后反生等高线套合情况Fig.3 Inversion contour nesting before and after flat triangulation
图4 TIN编辑处理效果Fig.4 TIN editing treatment effect
1.4 DEM水面改正
激光点云生成DEM的过程中，由于一般水面对激光的反射信号很弱，导致水面上没有激光点，因此生成的DEM上会出现空洞。由于水中有沙滩和漂浮物等，会使激光雷达在水面上的激光点有误差，令生成的DEM水面变得很粗糙。而由等高线和高程点生产的DEM，在水面区域也会出现类似问题。
对于DEM水面改正这一问题提出微分阶梯法，即将水面微分为一段很小的面，认为此水面是水平的，由一个个小平面模拟构成水面。但在实施中发现，微分法会产生很多小面，数据量非常大，即使河流微分化再小，实际水面仍是不连续的阶梯平面。
针对此问题提出一种新方法，即斜面法，将河流进行分段处理。河流一般都很长，如果不分段处理，其数据量非常大，程序运行效率很低。且一条大河流在不同区域的特性有差异，分段化是为了区分河流的变化。分段处理完成以后，将分段河流看做是三维空间的一个斜面，在流向方向一直递增或递减，使其更符合河流的特性，更切合实际，如表1所示。
表1 算法设计对比Tab.1 Comparison of algorithm design
DEM水面改正程序采用斜面法模型，将流域内水面微分成指定间距的一个个斜面，为保持河流特性，在斜面相交的地方用小三角形斜面连接，用小三角形进行过渡，以解决因不同斜面不共面而造成的误差及河流倒流等情况，通过斜面方程重新计算流域内水面的格网高程，完成水面改正并计算中误差。通过参考三维空间的高程数据，计算出该斜面的方程。算法模型概念设计如图5所示。
图5 算法模型概念设计示意Fig.5 Schematic map of the conceptual designof the algorithm model
斜面法模型方程为Z=Ax+By+C，主要由离散点拟合平面，利用超定方程：
由BX=L，其最小二乘解为X=(BTB)-1BTL。
程序功能：一是生成斜面。将河流分段，通过用户采集的水边线和激光点云，对河流进行分段处理。二是计算斜面参数。在生成斜面后，根据激光点云，生成斜面参数，利用该参数计算斜面内任意一点的高程。三是利用斜面修改DEM。根据计算的斜面参数，对DEM进行修正，将DEM中的水面高程进行修改，计算并输出DEM成果，如图6所示。
图6 水面改正程序实现和运行Fig.6 Implementation and operation of water surface correction program
基于Arcpy程序开发，解决了DEM生产过程中的水域问题，运行效果如图7所示。
图7 DEM水面改正效果图Fig.7 DEM water surface correction effect
1.5 栅格DEM
经过TIN编辑、平三角处理和DEM水面改正，将TIN转换为成果DEM，再进行相关栅格计算和分幅裁剪，输出规范的DEM成果。
2 结束语
DEM生产是测绘地理信息中的基础工作之一，为了高质量、高效率地生产DEM，通过生产项目实践，利用ArcGIS和Arcpy程序开发，针对实际问题，提出了解决方案。
