一种顾及地形语义信息的多尺度dem构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多尺度DEM构建方法，特别是一种顾及地形语义信息的多尺度 DEM构建方法。
【背景技术】
[0002] 数字高程模型（DigitalElevationModel,DEM)作为地形信息的重要数字载体， 是进行空间分析和地学模拟的核心数据源。世界上发达国家不仅建立了覆盖本国的多种尺 度DEM，同时也开始推进高精度、高分辨率DEM，以及全球尺度SRTMDEM、ASTER⑶EM的建 设；在我国，已陆续完成了覆盖全国范围的1:100万、1:25万、1:5万DEM数据库的建立，1:1 万DEM也正在积极建设之中，在国民经济、国防建设和科学研究中发挥越来越重要的作用。
[0003] 然而，有限几种比例尺的DEM往往不能满足工程项目和科学研究的实际应用需 求，现有固定分辨率的DEM数据常常与地学分析模型数据尺度不匹配，从而影响到地学分 析结果的可靠性和有效性，亟需构建多尺度序列的DEM数据。此外，大范围地形场景实时可 视化，也需要动态地生成多尺度DEM。因此，基于已有大比例尺DEM自动获取小比例尺DEM 是十分必要的。与此同时，随着国家大比例尺DEM的相继建立，以及各种新型高分辨率传感 器，如LiDAR、InSAR、SAR等的出现，使DEM在数据获取方式上更加迅速、灵活，从而为基于高 精度DEM进行多尺度地形表达提供了良好的数据支持。
[0004] 就目前构建多尺度DEM数据库的方法而言，可以归结为两种主要方案，一是基于 不同类型和不同比例尺数据源、按照各自标准和不同工序独立生产多尺度DEM数据库（称 为独立构建法），二是基于单一大比例尺DEM数据源，通过地形简化方式获取多尺度DEM(称 为地形简化法）。
[0005] 对于独立构建法，当前各个国家通常基于独立构建法生产多尺度DEM数据库，这 种多种比例尺共存的DEM数据库在给应用带来极大便利的同时，却存在一些难以回避的问 题。（1)独立构建法生产的若干种尺度DEM往往不能满足实际应用需求。（2)独立构建多尺 度DEM法存在较严重的数据冗余和数据更新难题，这是因为地形数据量庞大，多比例尺DEM 共存的方式数据冗余较为突出；同时针对同一区域基于不同类型和不同比例尺数据源独立 建库，当区域地形特征发生变化时，需要对不同类型数据源进行重新采集和修改，并重复 整个DEM建库过程才能完成不同尺度DEM数据的全面更新。（3)独立构建多尺度DEM法会 产生地形特征建模结果不一致性及其给应用结果带来的不一致性。这是因为，基于不同类 型或不同比例尺数据源，按照各自标准和不同工序独立构建多尺度DEM数据库时，伴随而 来的将是同一区域地形建模结果的不一致性；另一方面，不同尺度DEM地形建模结果的不 一致性，同时带来了地形分析应用结果的不一致性。例如，在生产不同比例尺的地形图数据 时，往往需要根据制图综合原则对等高线进行不同程度地平滑处理，那么，将不同比例尺地 形图作为数据源生产的DEM，虽然能取得较好的三维显示效果，但从中获得的定量化地形参 数或地形特征要素则存在较大的不确定性，如同一条汇水线或分水线在不同比例尺DEM上 逻辑错位相对比较明显（附图1和图2)，从而会影响到后续地学分析和应用的可靠性和适 宜性。
[0006] 对于地形简化法，是构建多尺度DEM数据库的常用方法，由于将已有大比例尺DEM 作为构建多尺度DEM的数据源，与独立构建法相比，具有数据冗余较低、更新较快、一致性 程度相对高等优点。目前，有关DEM地形简化方法非常多，根据地形简化过程中对地面点取 舍时考虑的地面范围大小，可以将DEM地形简化方法归结为两大主要类型：一是基于局部 邻域的DEM地形简化，二是基于全局结构的DEM地形简化。前者代表性算法有：层次法、重 要点法、容忍度法、选择性滤波法等，这类方法主要依据局部邻域地形形态变化程度对地面 点进行取舍，存在的问题是，对小范围的地形变化比较敏感；许多位于地形骨架线上的地形 特征点，由于局部地形变化幅度不大而容易被忽略，因此，地形简化结果缺乏全局的精度控 制。另外，还有几类特殊的局部地形简化算法，如重采样法、全局滤波法、数学形态学法、小 波分析法等，这些算法对DEM每个点都做了相同的平滑处理，不符合"取主舍次"的地形简 化原则，结果是山峰削平、沟谷抬升，造成整体地形骨架一定程度的失真。基于全局地形结 构的DEM地形简化基本思想是，通过提取和评价地形结构线来分析地形特征和地形要素间 的空间关系，从而决定地面点的取舍和综合程度。为此，出现了大量提取结构线的算法，归 结起来有解析法、模拟法以及二者相结合的混合法。地形结构线简化法由于合理使用了地 形结构线，从而避免了地貌形态的扭曲，但目前对地形结构线在地形简化过程中重要性程 度缺乏进一步量化区分，不易确定不同的地形结构线适合与重构何种尺度的DEM。此外，三 维道格拉斯法是一种有代表性的顾及地形全局结构的DEM地形简化算法，该方法通过判断 三维地形点与特定基面的距离来决定其取舍，从而完成三维地面点的简化处理，实现了地 形简化所遵循的"取主舍次"原则，能够较好地保持地形整体轮廓；但地形特征点取舍仍然 是基于地形几何特征，往往难以考虑地形自身层次结构性和空间相关性，并且特征点选取 过程中受到扫描方向、起始基面等因素影响，对计算资源要求相对较高，当区域范围较大或 简化尺度增大时，其实用性程度则相应降低。
[0007] 附图3和图4是应用重要点法和三维道格拉斯法进行地形简化时保留的候选地形 特征点示意图，为了保证两种方法可比性，图中保留的候选特征点数目相同。可见由于不同 地形简化方法选点原则和依据不同，地形简化过程中用于构建多尺度DEM的候选特征点空 间分布差异明显，那么，结果DEM在建模精度和应用效果上则会存在较大差别。
[0008] 目前，应用地形简化法的细节层次技术LOD(Level-of-Detail)在大场景地形环 境可视化中获得了大量应用。即对同一区域数字地表模型获取由简到繁、由粗到精的若干 尺度表示，绘制时根据具体需要选用不同分辨率的模型，并取得了较好的显示效果。L0D技 术经历了离散L0D模型、连续L0D模型以及多分辨率L0D模型三个发展阶段。采用预先建 立好的离散L0D模型时，虽然计算简单并且绘制速度较快，层次有限易出现视觉"跳跃"，在 很多情况下不能满足实际需要，而提供足够多的层次既不现实，不仅存在数据冗余，同时要 求具有快速的网络响应与传输能力。采用连续L0D模型时，随着场景不断切换和视点频繁 改变，可以实现地形细节连续变化，但对计算机硬件和实时处理能力要求较高；如果采用与 视点相关的动态多分辨率L0D逼近模型，同一层次不同分辨率地形块间易出现拼接裂缝， 严重影响了地形建模可视化水平与效率。尽管L0D算法较多，但在实际应用中往往难以保 持地形的骨架特征，使得随着分辨率降低地形视觉误差则变得相对突出。
[0009] 在DEM地形简化方案中，通过评价基准DEM格网点在地表建模中的重要性来选取 地形特征点重构多尺度DEM是其技术关键。然而，目前判别DEM栅格点在地形表达中重要 性程度的方法，主要是从局部地形几何特征上进行描述，相对缺乏地形特征点语义信息方 面的系统量化研究，导致多尺度DEM地形表达过程中，相对较"平"的主沟谷点和主山脊点 更容易被忽略，从而出现山峰削平、沟谷抬升的现象，造成整体地貌骨架一定程度的失真； 进一步地，易给多尺度DEM地形表达及其应用带来不一致性。