DEM轉(zhuǎn)化為TIN過程中高程與坡度誤差分析2

DEM轉(zhuǎn)化為TIN過程中的高程誤差分布規(guī)律研究李曉?。洗髮W(xué)城市發(fā)展學(xué)院，山東濟南，250002）1［摘要］本研究以陜西省耀縣1：5萬比例尺的DEM為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以ArcView地理信息系統(tǒng)軟件為數(shù)據(jù)處理平臺，研究DEM轉(zhuǎn)化為TIN過程中的高程誤差特征。試驗的核心環(huán)節(jié)是測定剖面高差閾值對所構(gòu)建TIN地形描述精度的影響。試驗結(jié)果表明，隨閾值的增加，高程誤差分布具有一定的規(guī)律性，通過獲得其誤差分布模型，為利用TIN對該區(qū)進行空間分析提供了一定的精度參考。［關(guān)鍵詞］DEMTIN轉(zhuǎn)換誤差閾值1引言數(shù)字高程模型（DEM）是地理信息系統(tǒng)地理數(shù)據(jù)庫中最為重要的空間信息資料和賴以進行空間分析的核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)［1］，在地理信息系統(tǒng)中占有非常重要的位置。DEM有多種表示方法，如規(guī)則格網(wǎng)DEM、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）、等高線模型等。目前，大部分國家的DEM都是以規(guī)則格網(wǎng)形式提供的（因此，本文提到的DEM都是指規(guī)則格網(wǎng)DEM），主要因為它的高程矩陣有利于計算機進行空間分析和處理。盡管如此，由于DEM數(shù)據(jù)量非常大，存儲時占用很大存儲空間，并且不能精確的描述地形碎部特征及細(xì)節(jié)。因此，在很多分析過程中，工作人員往往用TIN代替DEM，因而，在實際工作過程中，經(jīng)常進行DEM與TIN之間的轉(zhuǎn)換。DEM和TIN可以在一定的軟件支持下進行相互轉(zhuǎn)換，由DEM轉(zhuǎn)換為TIN有多種轉(zhuǎn)換方法，重要點法是其中的一種十分重要的方法，即根據(jù)一定得法則，通過選擇表示地形曲面“重要”的點，或者移去表示曲面“不重要”的點，建立TIN模型來實現(xiàn)⑶。其中，閾值是決定某點是否為重要點的重要依據(jù)，所選閾值決定了生成的TIN模型及所描述的地形信息的精度。因此，閾值的選擇在DEM轉(zhuǎn)化為TIN過程中非常重要。但是，目前在DEM轉(zhuǎn)化為TIN時，對于閾值大小的確定并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，給實際應(yīng)用帶來諸多困難。在實際研究工作中，這種轉(zhuǎn)化也不可避免地帶來一定的誤差。針對以上問題，本研究以25m分辨率、1：5萬比例尺的高精度DEM為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以ArcView地理信息系統(tǒng)軟件為數(shù)據(jù)處理平臺，通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)化閾值建立TIN，并對基準(zhǔn)數(shù)據(jù)DEM和不同閾值的TIN提取高程基本地形要素，并做差分對比分析，得出DEM轉(zhuǎn)化為TIN過程中閾值的選取與轉(zhuǎn)化后的高程誤差的關(guān)系，最后對試驗結(jié)論做了適當(dāng)?shù)挠懻?，為以后這方面的研究工作提供參考。2試驗樣區(qū)、試驗數(shù)據(jù)、試驗方法說明1試驗樣區(qū)：本試驗選用陜西省銅川市耀縣的一部分為試驗樣區(qū)。該試驗樣區(qū)為川、塬集中分布區(qū)，地形信息豐富多樣。該樣區(qū)最低高程為529.547米。最高高程為1500米，平均高程為880.823米，高程標(biāo)準(zhǔn)差為183.22，平均坡度為12.36°。最大坡度為56.29°，最小坡度為0°，坡度標(biāo)準(zhǔn)差為10.36。（樣區(qū)狀況見圖1）1李曉?。?978——），山東高唐人，濟南大學(xué)城市發(fā)展學(xué)院講師，從事GIS與RS應(yīng)用性研究。

圖1:實驗樣區(qū)暈渲圖2試驗數(shù)據(jù)：本試驗以耀縣1：5萬比例尺、25m分辨率的高精度DEM為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)按照國家規(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，利用GeoScan、AutoCAD、ARC/INFO、DEMIX等軟件生制而成，DEM生產(chǎn)流程如下：圖2：DEM生產(chǎn)流程圖3試驗方案(1)；本試驗以ArcView3.2為試驗平臺，由樣區(qū)DEM提取閾值分別為2、15、20、40、60、80、100、150的TIN，將不同閾值的TIN轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的DEM，并與原始DEM進行高程差分，取絕對值進行統(tǒng)計分析，得出試驗結(jié)果；(2)；為檢驗溝谷、溝坡及山脊處的高程誤差分布規(guī)律，分別在試驗樣區(qū)內(nèi)三者對應(yīng)處選擇10個樣點，獲取樣點高程誤差數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析；(3)；為檢驗不同區(qū)域的高程誤差分布規(guī)律，依據(jù)地形起伏度與破碎度，把試驗樣區(qū)分別劃分為平區(qū)、起伏區(qū)、破碎區(qū)，對三部分區(qū)域的高程誤差分布規(guī)律進行統(tǒng)計分析。(三區(qū)情況見表1和圖2)試驗過程中，結(jié)合EXCEL軟件，采用以疊置分析、差分對比分析為主，統(tǒng)計分析、優(yōu)選法為輔等多種方法進行分析比較，并得出結(jié)論。表1各區(qū)情況一覽表最小高程(m)最大高程(m)平均高程(m)標(biāo)準(zhǔn)差平區(qū)531.668827.151678.86448.077起伏區(qū)6701230.583883.23894.975破碎區(qū)669.2415001033.4595174.175

起伏區(qū)平區(qū)平區(qū)圖2：各區(qū)分布暈渲圖(紅點為采樣點)3試驗結(jié)果及分析起伏區(qū)平區(qū)1總體誤差統(tǒng)計分析表2不同閾值高程誤差統(tǒng)計表(單位：m)閾值21520406080100150平均高程誤差0.67453.95445.03639.419913.959420.260625.1739.38標(biāo)準(zhǔn)差6.842987.37387.757910.175813.254218.156621.04830.0898利用EXCEL統(tǒng)計分析軟件進行統(tǒng)計分析，得出結(jié)論：;平均高程隨閾值增加逐漸下降；；平均高程誤差隨閾值增加不斷增大，且與閾值滿足以下線性關(guān)系：Z=3.8363V+1.8586R2=0.9973R為相關(guān)系數(shù)，Z為平均高程誤差，V為閾值；(3)；標(biāo)準(zhǔn)差隨閾值增加不斷增大，且與閾值滿足以下線性關(guān)系：ST=6.0249V-28.006R2=0.9854ST為標(biāo)準(zhǔn)差。(4)；平均高程誤差與標(biāo)準(zhǔn)差滿足以下線性關(guān)系：Z=0.6307ST+5.0454R2=0.993表3不同閾值高程誤差分布統(tǒng)計表215204060801001500-161606614653811428265700460983206023628155581-21157671153109479659542430403008322802152282-35998928743355362403412866422064147823-5515422514586799608719525503442861283215-1048183482203382182855148356119744975766205110-50187326318631826901137819440799141919935010250-100177177177177427458679104125217452100-20013613613613613613613628897200-400473473473473473473473473通過對上表分析，得出結(jié)論:;高程誤差大部分分布于低誤差區(qū)，且主要集中于50米以下，在0-1、1-2、2-3、3-5、5-10區(qū)間內(nèi)，隨閾值的增加，處于該區(qū)間內(nèi)的柵格數(shù)有逐漸下降的趨勢；；隨閾值的增加，高程誤差有逐步向高誤差區(qū)集中的趨勢，高誤差區(qū)的柵格數(shù)有隨閾值增加逐漸增大的趨勢，在50以上表現(xiàn)尤為突出。2不同分區(qū)高程誤差統(tǒng)計分析:2.1平均誤差統(tǒng)計分析表4各閾值在不同分區(qū)內(nèi)平均高程誤差統(tǒng)計表閾值21520406080100150平區(qū)0.4583.4624.28688.6212.28821.50625.733836.5078起伏區(qū)0.84694.13495.3129.84214.89920.946225.636543.549破碎區(qū)0.64724.13155.31469.57214.2218.47124.146536.869通過對上表進行分析，得出結(jié)論：;平區(qū)、起伏區(qū)、破碎區(qū)的平均高程誤差隨閾值增加逐步增大，并且與閾值分別滿足以下線性關(guān)系：Z=0.252V-0.6043R2=0.9896Z=4.142V-0.3233R2=0.9983Z=3.5186V+3.32320R2=0.996；三個分區(qū)的平均高程誤差：起伏區(qū)最大、其次為破碎區(qū)、最小的為平區(qū)，說明隨地形起伏度、破碎度增加，其平均誤差逐漸增大。；分別與總平均誤差進行相關(guān)分析，得出：各分區(qū)平均誤差分布規(guī)律與總體平均誤差分布規(guī)律有很大線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.991、0.9972、0.9983。3.2.2標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計分析表5不同分區(qū)在各閾值內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計表閾值21520406080100150平區(qū)0.42392.8433.6097.48710.78819.86620.54328.228起伏區(qū)9.189.5239.82211.97314.8918.50521.94432.068破碎區(qū)6.3556.98077.41259.716912.89316.02420.26728.746通過對上表進行分析，得出結(jié)論：；平區(qū)、起伏區(qū)、破碎區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差隨閾值的增加逐步增大，各區(qū)誤差與閾值分別滿足以下線性關(guān)系：ST=4.8967V+0.969R2=0.9714ST=6.1922V-40.627R2=0.9743ST=6.3295V-27.386R2=0.9859；起伏區(qū)標(biāo)準(zhǔn)誤差最大，在2-60閾值范圍內(nèi)破碎區(qū)大于平區(qū)，而60-150閾值之間平區(qū)大于破碎區(qū)。；三個區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差分布與總標(biāo)準(zhǔn)差的分布有很大線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為：0.9642、0.9939、0.99613.3對采樣點高程誤差進行統(tǒng)計分析按照2.3中(2)試驗方案，分別在溝谷、溝坡、山脊處進行采樣，然后進行統(tǒng)計分析，得出隨著閾值的變化，溝谷、溝坡、山脊的平均高程誤差、誤差中值、標(biāo)準(zhǔn)差沒有明顯的線性變化規(guī)律，各樣點誤差與閾值呈現(xiàn)波浪式變化規(guī)律。四、總結(jié)與建議分別利用黃土高原溝壑區(qū)的長武、韭園溝兩個樣區(qū)的1：1萬比例尺、5m分辨率的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對以上研究成果進行檢驗，發(fā)現(xiàn)隨著所選樣區(qū)的不同，高程誤差分布規(guī)律有所變化。但普遍存在以下規(guī)律：;標(biāo)準(zhǔn)差與平均高程誤差有隨閾值增加逐漸增大的趨勢；；一試驗樣區(qū)內(nèi)不同分區(qū)的誤差分布與試驗樣區(qū)總誤差分布有很大相關(guān)性；；標(biāo)準(zhǔn)差與平均誤差分布有很大相關(guān)性；；平均誤差隨地形起伏度、破碎度增加逐漸增加。因此，建議在DEM轉(zhuǎn)化為TIN過程中，首先應(yīng)根據(jù)所研究樣區(qū)大小、地形復(fù)雜度及研究目的等因素，對DEM與TIN之間的轉(zhuǎn)換誤差分布規(guī)律進行研究，得出該區(qū)域誤差分布模型，為試驗過程及所得試驗結(jié)果分析提供參考。一般對分析性研究及地形較復(fù)雜地區(qū)的研究而言，應(yīng)選擇較小的閾值。而對演示性及地形較平坦地區(qū)的研究，可適當(dāng)選擇較大的閾值。以上研究只選擇耀縣、長武、韭園溝三個試驗樣區(qū)，并且只選擇了幾個轉(zhuǎn)化閾值，只是對DEM轉(zhuǎn)換TIN時的閾值的選擇進行了初步探索。參考文獻：［1］湯國安、趙牡丹.地理信息系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2000［2］李志林、朱慶.數(shù)字高程模型［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社.，2001［3］鄔倫、劉瑜、張晶、馬修軍、韋中亞、田原.地理信息系統(tǒng)一一原理、方法和應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2001：194-205［4］呂建峰、劉定生、焦偉力、李國慶.DEM生成算法并行化研究.中國圖像圖形學(xué)報［J］，2002.5TheresearchonelevationerrordistributioninthetrsformationofDEMandTINLIXiao-yin(Citydevelopmentcollege,JinanUniversity,Jinan,Shandong,250002)Abstract：Basedon1:50000scaleYacTxianDEM,withARCVIEWasaplatform,theauthorstudiedelevationerrordistributioninthetransformationofDEMandTIN.ItmainlyfocusedontheaffectionofthresholdvalueonterrainprecisioninthetransformofDEMandTIN