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新数字高程模型下的数字综合研究及关键生产技术

杨莉  
【摘要】:数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)是国家级地球信息基础产品之一,横跨水利、测绘、国防建设和所有涉及地球三维信息的部门,作为地球空间数据框架(DGDF)的主要内容之一,在半个多世纪的发展中,已有了相当大规模的生产实践,在许多应用领域里发挥着巨大作用。 国家测绘部门经过多年的共同努力,已完成全国1:1万、1:5万、1:25万DEM的初始建库工作。关于如何持续与及时的精化现有全国1:5万、1:1万、1:25万DEM成果,保证高程数据的准确性、可靠性,已经成为基础测绘工作者和广大用户共同关切的热点问题。 数字高程模型作为地形表面的一种数字表达,具有传统地形图无法比拟的优点,同时在长期实践中也显露出的一些“由来已久”的问题,尤其是质量问题,让人们不得不去反思由于理论基础的薄弱带来的技术基础的不足。DEM从定义到生成,从实际地形到质量评价,都是一环扣一环紧密进行的。针对当前DEM质量评价没有统一规范来检测,以及应用中普遍存在的问题,新数字高程模型的理论方法应用的提出,为如何生成高质量(高保真)DEM打开了思路。 随着数据获取源多元化和应用需求多样化,在数据组织多尺度与高程采样性的双重制约下,本文在地面三大本质特性的基础上,对递归数字综合技术方法实现进行了研究,并对DEM大规模数据试生产也做相关了探讨。具体研究工作如下: 第一,对传统DEM在地图/地貌综合,地形地貌特征保持,DEM质量标准,DEM精度评价方法,多尺度可视化以及DEM工程生产等方面国内外研究现状进行总结分析,针对热门疑难问题,提出了解决问题的理想途径——新数字高程模型。强调两个基本论点①致密的高保真DEM是DEM综合的基础和根本保证;②生成指定分辨率下高质量DEM必须通过DEM数字综合。尤其是在“特征保持”问题上,与传统自顶向下不同,提出了特征建模下的数字综合——采用地图代数的栅格方法由底向上途径,采用邻域点高程特征比较有效实现相对特征点的保留,为疑难问题的解决带来了新思路。 第二,实际和新的研究表明地面三大本质特性:①高程准确性、②高程序列正确性、③高程的极值特征和结构特性,是DEM必须具备的。结合实际需求以及当前DEM发展情况,分析了三大特性相互独立而又相互支撑的关系,明确了“数字综合”的基本原理与前提环境基础,为技术实现做了理论准备。 第三,结合当前研究动态,在特征建模下以“地形地貌特征保持”为出发点,考虑到特征的层次系统关系,顾及各层次(间)的局部与全局的关系,交互中尽量避免阈值的设置,使得算法实现容易,应用简单方便。不同地形地貌的数据实验的等高线回放图表明,该算法可行,且一定程度上结果较优。 第四,在DEM数字递归综合及可视化的基础上,对于传统的等高线综合这个百年难题,理论上只有通过三维形体的结构综合,才能以令人信服的可靠性实现解算,而DEM数字综合恰恰正是三维形体的结构综合,综合后的DEM将是该分辨率上科学的高程模型。并且,这样的DEM即和其间距相应0.1毫米的比例尺地图相当。不同区域的实验结果表明,在DEM数字综合的同时实际上相应完成了该地区等高线的综合,不同综合程度的等高线是DEM数字综合得到产品中的一种伴生品。参考地图综合,主要针对DEM数字综合与等高线综合的联系和区别做了相关探讨,最终从等高线多尺度的可视化角度,对相关结果进行比较分析,说明综合的意义。 第五,在实验室前期丰富成果的基础上,结合数字综合技术的实现,将高质量DEM生产软件进行集成。探讨了DEM生产的技术流程,技术指标以及关键技术实现。同时开展了大规模数据实验。实验结果表明新数字高程模型的生产技术软件的成熟性,以及工程化的实用性。 第六,通过对大规模的数据试生产实验的数据结果做详细的质量评价分析,验证了新数字高程模型的优越性以及其带来的现实意义。质量评价分析,主要是针对新提出的质量标准,对局部特征,以及从全局的角度上,理论结合实际,进行DEM质量检查:方面,等高线多尺度可视化,实现视觉效果对比;一方面,结合检验算法,开发检验工具,对这些质量指标实现DEM质量量化统计分析。最终用统计结果说明了新数字高程模型这套理论到技术的可行性和优越性。


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