一种变分辨率数字高程模型的生成方法

摘要

本发明涉及一种变分辨率数字高程模型的生成方法，包括如下步骤：根据所测的地形区域建立东-北-天右手坐标系，并在XOY平面内以测站点中心建立一新的平面坐标系X’O’Y’，以新的平面坐标系的原点为极点，以远离测站点中心方向为极轴，建立极坐标系；获取在东-北-天右手坐标系下的所测地形区域的三维数据离散点；在极坐标系中根据所测的地形区域确定角度采样范围，设定角度采样间隔并计算角度范围内所需高程采样点的数量；确定沿着每一角度方向的径向采样范围，确定径向采样变化率及采样间隔，并计算径向所需高程采样点的数量；在角度采样范围和径向采样范围内得到所有高程采样点的极坐标，由数据离散点构建不规则三角网，通过内插计算得到各高程采样点的高程值。本发明可以广泛应用于地形地貌测量中的数据存储和表达。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字高程模型的生成方法，特别是关于一种适用于通过近景摄影 测量或地面激光扫描获取的数字高程模型表达，且能够保持原始地形不同高程精度的 变分辨率数字高程模型的生成方法。

背景技术

数字高程模型(DEM)是利用一组有序的地形采样点数字化表示地形表面。现有技 术中常用的数字高程模型包括规则格网(Grid)和不规则三角网(TIN)。规则格网是 将数字高程模型的覆盖区域分成规则排列的正方形格网，存储每个格网中心点处的高 程值，并记录起算点的位置和格网间距，则对任意格网点的平面位置可用相应矩阵元 素的行列号经过计算获得，其缺点是难以确定合适的分辨率(格网大小)表达各种地 形地貌特征，由于全局均使用同一分辨率，若采用较高的分辨率，对于利用近景摄影 测量测量远处地形容易产生大量冗余数据；若采用较低分辨率，不利于表达近处地形 的特征，损失了近处地形的精度。不规则三角形网由连续的三角面组成，能较好地估 计地貌特征点线，逼真表达复杂地形的起伏特征，并能克服地形起伏变化不大的地区 产生冗余数据的问题。不规则三角形网包含大量的数据点，表面单一时才需要少量的 数据点，由于不规则三角形网数据量大、数据结构复杂，一般只适用于小范围、大比 例尺、高精度的地形建模，一般情况下作为生成数字高程模型时内插使用。

利用近景摄影测量或地面激光扫描对地形进行测量时，测量地形的精度随距离变 化呈现一定规则，距离测量点越远其测量地形精度越低，规则格网是使用同一分辨率 规则格网，只能将地形精度表达成一个精度标准，不能根据地形精度高低而变化，不 规则三角网只是记录了一些离散点的高程，分辨率无规则可循，两者均不能有效地表 达利用近景摄影测量或地面激光扫描获得的地形数据的特点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效表达利用近景摄影测量或地面 激光扫描测量得到的数字高程模型，且能够对所获得的数据进行无冗余存储的变分辨 数字高程模型的生成方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种变分辨率数字高程模型的生成 方法，包括如下步骤：1)根据所测的地形区域建立东-北-天右手坐标系，并在东-北- 天右手坐标系的XOY平面内以测站点中心建立一新的平面坐标系X’O’Y’，以新的平面 坐标系的原点为极点，以远离测站点中心方向为极轴，建立一极坐标系；2)利用近景 摄影测量或地面激光扫描获取在所述东-北-天右手坐标系下的所测地形区域的三维数 据离散点；3)在极坐标系中根据所测的地形区域确定角度采样范围，设定角度采样间 隔，并计算角度范围内所需高程采样点的数量；4)确定角度范围内沿着每一角度方向 的径向采样范围，计算径向所需高程采样点的极坐标，并计算径向所需高程采样点的 数量；5)在角度采样范围和径向采样范围内得到极坐标下所有高程采样点的极坐标， 即高程采样点的角度坐标和径向坐标，由所述步骤2)的数据离散点构建不规则三角 网，通过不规则三角网内插计算得到各高程采样点的高程值。

所述步骤4)的具体方法如下：1)根据所需测量的地形区域确定每一角度方向上 的高程采样点的最小径向坐标和最大径向坐标；2)根据近景摄影测量或地面激光扫描 地面高程的测量精度及需要采样的地面高程精度建立数字高程模型分辨率的变化率 λ，λ为m/f，f为近景摄影测量或地面激光扫描中所采用的测量仪器的焦距，其中， m为像元数量且f和m均为像元表示；3)计算径向所需高程采样点的极坐标，并计算 径向所需高程采样点的数量，具体方法如下：①根据公式r_j＝r_min(1+λ)^j-1计算得到沿 着每一角度方向上所有高程采样点的径向坐标，r_min为每一角度方向上的高程采样点 的最小径向坐标，λ为数字高程模型分辨率的变化率；②计算得到每一角度方向的径 向高程采样点数量。

所述步骤5)的具体方法如下：①将每个高程采样点的极坐标转化为东-北-天右 手坐标系的坐标值；②根据所测地形区域的三维数据离散点构建不规则三角网，在构 建不规则三角网的基础上通过克里金插值方法得到各个高程采样点处的高程值；③将 所述步骤①中得到的高程采样点坐标值和所述步骤②得到的相对应的高程值采用变分 辨率数字高程模型的数据结构存储到数据文件中。

所述步骤③的数据文件包括头文件和数据文件，所述头文件存储有变分辨率数字 高程模型测站中心点在东-北-天右手坐标系下的坐标、变分辨率数字高程模型测站中 心点在东-北-天右手坐标系下的坐标、变分辨率数字高程模型起始角度值和角度上采 样数量、变分辨率数字高程模型径向起始值和径向高程采样点数量、变分辨率数字高 程模型分辨率变化率和径向值保留小数位数和变分辨率数字高程模型空值；所述数据 文件中存储有变分辨率各高程采样点的高程值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、利用近景摄影测量或地面激 光扫描对所测地形区域进行测量，针对测量地形的精度随距离变化呈现一定规则即距 离测量点越远其测量地形精度越低的特点，本发明在角度采样范围和径向采样范围内 得到各高程采样点，各高程采样点通过与测量得到的离散数据生成的不规则三角网进 行插值得到各高程采样点的高程值，有效地保持了通过近景摄影测量或地面激光扫描 所得到的各距离处高程的最高精度。2、本发明采用变分辨率数字高程模型的数据结构 对得到的测量数据进行存储，不仅能够有效消除常规格网式数字高程模型存储的数据 冗余而且减少了数据存储量。本发明可以广泛应用于地形地貌测量数据存储和表达中。

附图说明

图1是本发明变分辨率数字高程的生成方法流程示意图；

图2是本发明变分辨率数字高程模型的概念示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明通过近景摄影测量或地面激光扫描获取变分辨数字高程模型的生成方法， 包括以下步骤(如图1所示)：

1、根据所测的地形区域建立东-北-天右手坐标系，并在东-北-天右手坐标系的 XOY平面内建立一新的平面坐标系X’O’Y’，以新的平面坐标系的原点为极点建立一极 坐标系(如图2所示)。

以所测地形区域的东方向为X轴，以北方向为Y轴，以垂直于XOY平面指向天空 方向为Z轴，建立东-北-天右手坐标系(即O-XYZ坐标系)，在东-北-天右手坐标系的 XOY平面内以测站点中心为原点建立一新的平面坐标系X’O’Y’，以新的平面坐标系X’ O’Y’的原点为极点，以平行于X’轴的方向为极坐标系的起始零方向，以远离测站点中 心方向为径向极轴O’r建立一极坐标系，定义沿起始零方向的逆时针方向为角度的正 方向，所选取极坐标系的角度范围为0～360°。

2、如图1所示，利用近景摄影测量或地面激光扫描获取在东-北-天右手坐标系下 的所测地形区域的三维数据离散点。

3、在极坐标系中根据所测的地形区域确定角度采样范围，设定角度采样间隔并计 算角度范围内所需高程采样点的数量。

沿着极坐标系的角度方向在角度范围内等间隔采样，首先根据所测地形区域确定 所需采样角度范围为θ_min(角度采样的起始点)和θ_max(角度采样的结束点)，然后根 据需要生成的数字高程模型的分辨率确定角度采样间隔δ_θ，得到第i个高程采样点的 角度坐标为：

θ_i＝θ_min+i·δ_θ                 (1)

计算得到在所测地形的采样角度范围内角度方向的采样个数θ_M为：

θ_M＝INT((θ_max-θ_min)/δ_θ)+1    (2)

其中，上式中INT为取整运算。

4、确定沿着每一角度方向的径向采样范围，计算径向所需高程采样点的极坐标并 计算径向所需高程采样点的数量。

1)根据所需测量的地形区域确定每一角度方向上的高程采样点的最小径向坐标 r_min和最大径向坐标r_max(r_min＞0)；

2)根据近景摄影测量或地面激光扫描测量地面高程的精度(即测量仪器的精度) 及需要采样的地面高程精度建立数字高程模型分辨率的变化率λ，分辨率的变化率λ 在近景摄影测量中取值一般为m/f，其中，f为近景摄影测量中所采用的测量仪器的 焦距，m为像元数量，f和m均为像元表示，通常情况下m取值范围为1～f，地面 激光扫描中采用的测量仪器的分辨率的变化率λ的数值确定与近景摄影测量的取值方 法相同，在此不再赘述。

3)确定沿着每一角度方向的径向方向上的径向坐标和高程采样点数量，具体方法 如下：

①假设某一角度方向上第1个高程采样点的径向坐标为r_min，得到此高程采样点 处的数字高程模型的分辨率为Δ_min＝λ·r_min，根据此高程采样点的径向坐标及分辨率 Δ_min得到沿此角度方向的第二个高程采样点的径向坐标r₂为：

r₂＝r_min+Δ_min＝r_min+λ·r_min＝r_min(1+λ)         (1)

由此得到此角度方向上第j个高程采样点的径向坐标为r_j，第j个高程采样点径向 坐标处数字高程模型的分辨率为Δ_j＝λ·r_j，得到第j+1个高程采样点的径向坐标r_j+1为：

r_j+1＝r_j+Δ_j＝r_j+λ·r_j＝r_j(1+λ)＝r_min(1+λ)^j    (2)

②根据上述步骤①，可以得到沿着每一角度方向的径向方向上任一高程采样点j 的径向坐标为：

r_j＝r_min(1+λ)^j-1                                 (5)

为保证精度统一，设定r_j的保留小数位数为β。

③确定每一角度方向的径向上高程采样点数量r_N为：

$r_N=\mathrm{INT}\left({\log }_{(1+\lambda )}^{(r_{\max }/r_{\min })}\right)+1=\mathrm{INT}\left(\frac{\lg \frac{r_{\max }}{r_{\min }}}{\lg (1+\lambda )}\right)+1---\left(3\right)$

5、对上述角度方向和沿着角度方向的径向采样得到极坐标下各高程采样点的极坐 标即得到高程采样点的角度坐标和径向坐标进行转换，将上述步骤得到的三维数据离 散点构建三角网，通过三角网内插计算得到各高程采样点的高程值，具体方法如下：

①将极坐标系中的每个高程采样点(θ_i，r_j)转化为东-北-天右手坐标系下的坐标 $(X_{({\theta }_i,r_j)},Y_{({\theta }_i,r_j)}):$

$\left(\begin{array}{c}{X}_{({\theta }_i,r_j)}=r_{\min }{(1+\lambda )}^{j-1}\cos ({\theta }_{\min }+i·{\delta }_{\theta })\\ Y_{({\theta }_i,r_j)}=r_{\min }{(1+\lambda )}^{j-1}\sin ({\theta }_{\min }+i·{\delta }_{\theta })\end{array}\right)i,j=\mathrm{1,2},...---\left(4\right)$

②利用所测地形区域的三维数据离散点构建不规则三角网，在构建不规则三角网 的基础上通过克里金插值方法得到各个高程采样点处的高程值

③将所有高程采样点的东-北-天右手坐标系下的坐标值和相对应的高程值采用变 分辨率数字高程模型的数据结构存储到数据文件中，存储的数据的数据结构由头文件 和数据文件两部分组成，具体的数据存储结构如下：

头文件：

VrDEM X.X//VrDEM为变分辨率数字高程模型的文件标识，X.X为版本号，初始 版本1.0

Xo Yo    //变分辨率数字高程模型测站中心点在东-北-天右手坐标系下的坐标

θ_min θ_m//变分辨率数字高程模型起始角度值和角度上采样数量

r_min r_N  //变分辨率数字高程模型径向起始值和径向高程采样点数量

λβ     //变分辨率数字高程模型分辨率的变化率和径向值保留的小数位数

-99999   //NODATA，变分辨率数字高程模型空值

数据文件：

$\left(\begin{array}{cccccc}{Z}_{\mathrm{1,1}}& Z_{\mathrm{1,2}}& ...& Z_{1,r_j}& ...& Z_{1,r_N}\\ Z_{\mathrm{2,1}}& Z_{\mathrm{2,2}}& ...& Z_{2,r_j}& ...& Z_{2,r_N}\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ Z_{{\theta }_i,r_1}& Z_{{\theta }_i,r_2}& ...& Z_{{\theta }_i,r_j}& ...& Z_{{\theta }_i,r_N}\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ Z_{{\theta }_M,1}& Z_{{\theta }_M,2}& ...& Z_{{\theta }_M,r_j}& ...& Z_{{\theta }_M,r_N}\end{array}\right)$//变分辨率高程点值

本发明采用变分辨率数字高程模型存储以后，可以通过上述公式(7)很方便地得 到每个高程采样点的极坐标及高程值。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中数字高程模型生成方法的步骤是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发 明的保护范围之外。