地形三维建模数据预处理的技术方法

本文对DEM及采用高程点和等高线数据生成DEM过程中数据预处理的方法进行了重点探讨，详细介绍了NSDTF-DEM格式向USGS-DEM格式转换的方法，着重阐述了利用高程点数据和等高线数据生成DEM的数据预处理和制作DEM的要点，同时，对高程异常值给出了解决途径，这些方法在实际工程中得到了验证。

0 引言

在建立地形三维模型时，我们会依托三维建模平台，利用数字高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM）数据，建立地形三维模型[1]。由于数据来源和格式不尽相同，所以，在建立模型前，必须对数据进行预处理。本文主要介绍利用现有DEM、由高程点和等高线生成的栅格数据、高程异常值等处理的技术方法，在实际应用中取得了较好的效果。

1   DEM数据处理

现在我们购买的DEM采用*.dem是最常见到的DEM的格式。通常*.dem有USGS-DEM和NSDTF-DEM两种格式。USGS是美国地质调查局使用的DEM数据格式，NSDTF是我国国家标准地球空间数据交换格式，二者都是格网数据交换格式。

1.1 NSDTF格式的文件内容及要求

DataMark--------中国地球空间数据交换格式-格网数据交换格式(CNSDTF-RAS或CNSDTF-DEM)的标志[2]。

Version--------该空间数据交换格式的版本号。

Unit--------坐标单位,K表示公里,M表示米,D表示以度为单位的经纬度,S表示以度分秒表示的经纬度(此时坐标格式为DDDMMSS.SSSS, DDD为度, MM为分, SS.SSSS为秒)。

Alpha--------方向角。

Compress--------压缩方法。0表示不压缩,1表示游程编码。

Xo--------左上角原点X坐标。

Yo--------左上角原点Y坐标。

DX--------X方向的间距。

DY--------Y方向的间距。

Row--------行数。

Col--------列数。

HZoom--------高程放大倍率。设置高程的放大倍率,使高程数据可以整数存贮,如高程精度精确到厘米,高程的放大倍率为100。如果不是DEM则HZoom为1。

1.2 示例

NSDTF-DEM

1.0

M

0.0

0.0

440860.000000

3532790.000000

5.000000

5.000000

933 

1190

1000

 

   4105    4720   5025    5399    5570   5635    5598    5574   5670    5630

   5680   5630    5640    5595   5615    5580    5595   5515    5475    5560

   5490   5500    5490    5529   5740    6435    6555   5710    3940    3540

   4484   6250    6265    6530   6814    6975    6870   7385    7520    7430

   7035   6630    6115    5830   5395    5150    5070   5010    5005    4965

   4990   4995    4994    4975   4750    4590    4580   4570    4535    4655

   4820   4880    4865    4900   4875    4915    4885   4955    4950    4885

1.3 数据处理

在建立三维模型过程中，DEM都必须采用栅格格式。如今主流GIS平台主要有ArcGIS和MapGIS，以ArcGIS为例，USGS格式的文件利用DEM转栅格选择浮点输出数据类型即可。

ArcGIS GRID数据的文件头按如下方式记录相关信息：

ncols ----------------数据列数

nrows ----------------数据行数

xllcorner ------------数据左上角的X值

yllcorner ------------数据左上角的Y值

cellsize -------------数据分辨率（栅格单元的宽高）

NODATA_value ---------无值数据标志

 

鉴于栅格单元数据值记录方式基本一样，主要是头文件信息不同，若使用NSDTF格式数据，将文件头进行转换，保留后面的数据。

示例：

ncols 1190

nrows 933

xllcorner 440860.000000

yllcorner 3532790.000000

cellsize 5

NODATA_value -99999

 

  4105    4720   5025    5399    5570   5635    5598    5574   5670    5630

   5680   5630    5640    5595   5615    5580    5595   5515    5475    5560

   5490   5500    5490    5529   5740    6435    6555   5710    3940    3540

   4484   6250    6265    6530   6814    6975    6870   7385    7520    7430

   7035   6630    6115    5830   5395    5150    5070   5010    5005    4965

   4990   4995    4994    4975   4750    4590    4580   4570    4535    4655

   4820   4880    4865    4900   4875    4915    4885   4955    4950    4885

对于大量的NSDTF格式的DEM，可以采用程序或者GDAL开源库一次修改。代码为：

StreamWriterstreamWriter =newStreamWriter(outFullName, false);

streamWriter.WriteLine("{0}rn{1}rn{2}rn{3}rn{4}rn{5}rn{6}rn",

int(rows), int(cols), extent.UpperLeft.X,extent.UpperLeft.Y, cellsize , -99999);

for(int i = 0; i < rows; i++)

{

for(int j = 0; j < cols; j++)

{

streamWriter.Write("{0}{1}",cells.GetValue(j, rows-1-i), ((j + 1) % 10 == 0) ? "rn" :"t");

}

streamWriter.WriteLine();

}

streamWriter.Close();

2 高程点和等高线生成栅格数据处理

用高程点和等高线混合生成栅格数据在诸如ArcGIS主流平台下很容易实现。

高程点和等高线以*.shp文件表达，高程值存放于Elevation字段里，当然，可以任何字段存储，数值型即可。

2.1 统一数学基础

建立地形三维模型的过程中，DOM和DEM坐标系统必须保持一致。平面坐标系统有北京1954、西安1980、WGS84和CGCS2000，高程系统主要有1985国家高程基准。数据预处理主要是对平面坐标系统保持一致性。

有四参数或者七参数时，如西安1980转CGCS2000定义为TR_1980To_2000，采用COORDINATE_FRAME的方法，输入西安1980到CGCS2000的X、Y、Z转换和旋转参数、比例参数，生成用户转换坐标系。利用用户坐标系，对高程或者等高线进行投影转换，投影可单个文件也可以批量，选择输出坐标系后，地理转换选项就能看到TR_1980To_2000。

没有参数区域较小时，用同名控制点采用空间校准的方法进行。空间校准前在区域内均匀选择一定数量的同名点作控制点，一般控制点采用C级点，没有C级点，可以选择地物征明显的点。如将北京1954坐标系统的高程点转CGCS2000坐标系，用格网的办法均匀选择同名点的北京1954和CGCS2000点的坐标，对高程点层启动编辑进行空间校准，一般采用仿射转换法。如果转换的文件较多，可以在第一次进行校准时，将控制点连接点保存为连接文件，转换其它图层时自动读取转换。

2.2 生成TIN

不规则三角网数字模型（TIN）是用一组连续而不重复的三角形逼近地形表面，其表面数字模型由结点、边、三角形、包面和拓扑组成，重要的是每个结点都必须包含一个Z值。边的形成是为生成符合Delaunay的三角形，三角形面是为描述TIN表面的行为，包则是构建TIN的整组数据点的面构成的，拓扑则是定义三角形的结点、边数、类型以及与其它三角形的关系信息。

生成TIN时，将高程点文件（.shp）、等高线文件（.shp）进行混合加载，在对高程点文件和等高线文件高程要素赋值时选择Elevation字段，对等高线文件SF类型赋值时选择软边，如图1。

图1TIN结构图

2.3 高程异常值的处理

TIN生成后，将分级数据与DOM对比进行概查，用DOM和DEM生成的初步地形三维模如图2，依据实地地形对三维模型进行检查，记录高程异常值区域，以.shp构建区域面。

图2 没有削除高程异常值的三维地形初步成果

概查完成后，用实测法对高程异常区域进行外业测量。对外业测量成果进行整理，以DOM为基础，对照地形地物，尤其是道路、河流等重要地物，确定异常区域的修订值和区域范围，用克里金插值的方法，对修正区域进行插值，根据DOM分辨率设置插值间距，通常0.15米分辨率影像插值间距设置为2米。用高程异常范围对高程.shp文件进行擦除后，将高程异常范围插值数据与擦除过的高程数据进行合并，形成修正后的高程数据。再用高程数据和等高线数据生成TIN。如此反复，直到完全消除高程异常值如图3。

图3 削除高程异常值的三维地形成果

2.4 TIN转栅格

TIN转栅格（Raster）就是将地表高程点用像元灰度的形式连续表达。

TIN转栅格时，输出数据类型为浮点的形式，采用自然邻近法。为保证高程模型的精度，采样的距离与DOM分辨率相匹配，正常情况选择5米。对0.15米分辨率的DOM，通常选择2米如图4。

图4 数字地面高程栅格图

2.5 保存栅格为.tif格式文件

将栅格保存为.tif格式是为满足三维软件的使用要求。

用数据导出的方法将栅格数据保存为.tif文件。

在导出设置时，主要是控制单元格的大小（cx,cy）,与DOM分辨率相匹配。无值区（NoData）设置为0值，文件名加后辍.tif。

3 结束语

智慧城市 建设过程中，利用三维平台管理地理空间要素和与之相关的权利、自然属性、辅助决策等内容，都会涉及对历史数据和现势数据的处理，充分利用现有先进的GIS软件，采用科学合理的方法对数据进行预处理，既能迅速满足工程应用，又能节省社会成本。同时，在预处理过程中，对DEM局部变形，对采用高程点和等线生成的DEM中的道路等不正确数据，采用实测与插值的方法进行局部修正，对提高地面三维模型的精度大有裨益。

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