基于倾斜摄影的裸露地表等高线自动提取-中国期刊网

基于倾斜摄影的裸露地表等高线自动提取

焦旺焦小建

陕西省水利电力勘测设计研究院陕西省西安市 710001

摘要：本文选用项目生产数据，对基于倾斜摄影数字表面模型自动提取等高线的方法和精度进行了研究，结果表明，对于沙漠、戈壁、秃山等地表裸露程度较高的测区，可以利用倾斜摄影数字表面模型成果快速提取精度合格的等高线，有效提高地形图绘制效率。

关键词：倾斜摄影；DSM；等高线

1 前言

等高线是地形图上表达地形起伏形态的要素。绘制等高线是地形图绘制中一项主要工作内容。常规的等高线绘制方法，需要人工参与大量工作，工序复杂，费时费力。如果可以通过软件在模型数据上自动提取精度合格的等高线，绘制地形图的效率将显著提高。袁养林^[1]、刘广彬等^[2]研究了基于机载Lidar点云的等高线自动提取方法，取得了较理想的成果，但机载Lidar设备昂贵，普及率较低。DEM数据可直接用来提取等高线^[3]，但DEM作为间接产品，获得难度更甚于等高线。DSM（数字表面模型）作为倾斜摄影数据处理的直接成果，可以快速获取。分析DSM和DEM的关系，可将DSM视作未剔除植被和建筑等非地面要素的DEM。如果一个区域地表裸露，覆盖物很少，那么该区域的DSM就接近于DEM，可设法利用DSM数据自动提取等高线。

2 研究方法

2.1 等高线提取方法

Global Mapper是一款地图绘制软件，可用于浏览、合成、输入、输出大部分流行的扫描点阵图、矢量数据集，还可以编辑、转换各类地图图形文件。在Global Mapper软件中，加载DSM数据，使用“分析-等高线”命令，即可根据输入的参数在DSM上自动提取等高线并输出。

2.2 技术流程

选取一处典型地表裸露区域倾斜摄影测量项目数据为实验数据，生成三维模型和DSM，两者高程精度相同。先使用实测数据对三维模型高程精度进行检查。如三维模型高程精度合格，则利用DSM数据按照不同等高距和采样间距自动生成等高线。最后检查对比不同等高距和采样间距生成等高线的高程精度及等高线效果。

2.3 精度统计方法

三维模型高程精度用高程注记点高程中误差衡量，利用检查点实测高程与模型高程较差统计。等高线高程精度用图幅等高线高程中误差衡量，利用检查点实测高程和图幅内插高程较差统计。

3 等高线提取实验

3.1 实验区概况

实验区位于榆林市靖边县毛乌素沙漠，地表覆盖以裸露的沙地为主，有天然灌木和人工种植的松树、柏树零星分布，无人工建筑物。某项目要从引水工程取水口起，新建一条管理道路，与现有公路连接，长度约4.2km。用GNSS-RTK完成了道路中线定线，用Phantom 4 Pro无人机完成了实验区1:1000倾斜摄影并生产了数字三维模型及DSM。

3.2 三维模型精度检查

从定线实测数据中随机抽取31点对实验区数字三维模型高程精度进行检查，结果如表1所示。

表1 实验区三维模型高程精度检查结果

点号	实测高(m)	模型高(m)	较差(m)
J01	1*56.755	1*56.777	-0.021
J02	1*56.413	1*56.540	-0.128
J03	1*56.571	1*56.699	-0.128
J04	1*59.206	1*59.220	-0.014
J05	1*56.446	1*56.461	-0.015
…	…	…	…
J31	1*55.566	1*55.632	-0.066

依据表1统计出实验区三维模型高程中误差为±0.052m。优于规范^[4]对航测丘陵地等高距为0.5m地形图高程注记点高程中误不大于±0.2m的精度要求，可用于提取等高线。

3.3 等高距为0.5m的等高线提取

以0.5m为等高距，以0.5m、1.0m、2.0m、5.0m为采样间距分别提取等高线。使用31个实测点对生成等高线的高程误差进行检查，结果如表2所示。

表2 等高距为0.5m的等高线高程误差统计结果

点号	实测高（m）	0.5m采样间距		1.0m采样间距		2.0m采样间距		5.0m采样间距离
点号	实测高（m）	图面高（m）	较差（m）	图面高（m）	较差（m）	图面高（m）	较差（m）	图面高（m）	较差（m）
J01	1*56.755	1*56.81	0.055	1*56.82	0.065	1*56.83	0.075	1*56.75	-0.005
J02	1*56.413	1*56.55	0.137	1*56.55	0.137	1*56.62	0.207	1*56.61	0.197
J03	1*56.571	1*56.68	0.109	1*56.69	0.119	1*56.76	0.189	1*56.78	0.209
J04	1*59.206	1*59.36	0.154	1*59.38	0.174	1*59.36	0.154	1*59.37	0.164
J05	1*56.446	1*56.45	0.004	1*56.55	0.104	1*56.50	0.054	1*56.75	0.304
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
J31	1*55.566	1*55.78	0.214	1*55.77	0.204	1*55.79	0.224	1*55.83	0.264
中误差		±0.104		±0.224		±0.221		±0.264

等高距为0.5m的四种不同采样间距生成等高线的高程中误差与规范^[4]允许中误差对比如图1所示。

图1 不同采样间距生成等高线高程中误差与允许中误差对比（0.5m等高距）

3.4 等高距为1m的等高线提取

以1.0m为等高距，以0.5m、1.0m、2.0m、5.0m为采样间距分别提取等高线，使用31个实测点对生成等高线的高程误差进行检查，结果如表3所示。

表3 等高距为1.0m的等高线高程误差统计表

点号	实测高（m）	0.5m采样距离		1.0m采样距离		2.0m采样距离		5.0m采样距离
点号	实测高（m）	图面高（m）	较差（m）	图面高（m）	较差（m）	图面高（m）	较差（m）	图面高（m）	较差（m）
J01	1*56.413	1*56.7	0.287	1*56.7	0.287	1*56.7	0.287	1*56.5	0.087
J02	1*56.571	1*56.6	0.029	1*56.6	0.029	1*56.7	0.129	1*56.7	0.129
J03	1*59.206	1*59.5	0.294	1*59.5	0.294	1*59.5	0.294	1*59.6	0.394
J04	1*56.446	1*56.8	0.354	1*56.7	0.254	1*56.7	0.254	1*56.8	0.354
J05	1*49.135	1*49.5	0.365	1*49.5	0.365	1*49.6	0.465	1*49.7	0.565
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
J31	1*55.566	1*55.7	0.134	1*55.7	0.134	1*55.7	0.134	1*55.9	0.334
中误差		±0.299		±0.286		±0.323		±0.354

等高距为1.0m四种不同采样间距生成等高线的高程中误差与规范^[4]允许中误差对比如图2所示。

图2 不同采样间距生成等高线高程中误差与允许中误差对比（1.0m等高距）

3.5 对比分析

沙漠丘陵地测制1:1000地形图，等高距可选0.5m也可选1.0m，对应的图幅等高线高程允许中误差分别是±0.25m和±0.5m。据表2和表3可以看出，随着生线采样间距的增大，等高线高程中误差呈增大趋势；在等高距为0.5m情况下，采样间距为0.5m、1.0m、2.0m的等高线高程中误差符合规范^[4]要求，采样间隔为5.0m的等高线高程中误差超过了限差；在等高距为1.0m的情况下，采样距离为0.5m、1.0m、2.0m、5.0m的等高线高程中误差都符合规范^[4]的要求。

不同采样间距的等高线在形状和外观上也有所差别，图3展示了同一个区域不同采样间距生成的等高线。从图3可以看出，自动生成等高线，采样间距越小，等高线节点越多，地形细节越丰富，等高线平滑程度越低，反之亦然。生线采样间距越小，等高线高程精度越高，但等高线中小的弯曲、节点、闭合线圈过多，要人工进行大量编辑才能使用。因此，在自动生成等高线时，可以多选择几种采样间距生成等高线，分别对其进行精度检查，在精度合格的等高线中选择采样间距较大的，这样既保证了精度，又减少了后期编辑等高线的工作量。

图3 不同采样间距等高线对比

4 结语

（1）对于沙漠、戈壁、秃山等地表裸露程度较高的测区，可以使用倾斜摄影数字表面模型成果利用软件快速生成等高线，等高线的高程精度可以达到大比例尺地形图的精度。

（2）随着生线采样间距的增大，等高线高程中误差呈增大趋势。

（3）选择合适的采样间距，可以在保证精度的前提下，减少后期等高线编辑工作量，提高大比例尺地形图生产效率。

参考文献

[1]殷小庆,严竞新,冉隆思等.基于DEM的等高线自动生成方法研究[J].测绘标准化,2019,35(04):13-15.

[2]袁养林.基于机载LiDAR点云数据生成DEM和等高线研究[D].长安大学,2020.

[3]刘广彬,赵鹏,姜洲等.机载Lidar系统在地形图测绘中的应用[J].北京测绘,2020,34(07):974-977.

[4]SL 197-2013.水利水电工程测量规范[S].北京：中国水利水电出版社，2013.

作者简介：焦旺（1989-），男，陕西省蓝田县人，工程师，注册测绘师，工程硕士，主要从事水利水电工程测量及无人机低空数字摄影测量生产技术工作。

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