创新应用
地理信息世界
GEOMATICS WORLD 第29卷 第3期2022年6月Vol.29 No.3June，2022
实景三维ＤＥＭ数据生产及质量控制技术探索
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｒｅａｌ ３Ｄ ＤＥＭ Ｄａｔａ
引文格式：何建宁，吴燕平，李冬芳，等.实景三维DEM数据生产及质量控制技术探索[J].地理信息世界,2022,29(3):43-48.
何建宁１，吴燕平２，李冬芳３，成晓英１，郭兴富１
1. 自然资源部 第一地理信息制图院，陕西 西安 710054；
2. 自然资源部 第一航测遥感院，陕西 西安 710054；
3. 自然资源部 陕西测绘产品质量监督检验站，陕西 西安 710054
作者简介：何建宁（1981―），女，陕西西安人，正高级工程师，硕士，主要从事基础测绘数据生产、地理国情监测及地图制图等技术工作Ｅ－ｍａｉｌ：****************
通信作者：吴燕平（1971―），女，陕西西安人，高级工程师，硕士，主要从事基础测绘数据生产、地理国情监测、地图制图、实景三维中国建设等项目管理工作
Ｅ－ｍａｉｌ：*****************收稿日期：2022-01-10
ＨＥ Ｊｉａｎｎｉｎｇ１，ＷＵ Ｙａｎｐｉｎｇ２，ＬＩ Ｄｏｎｇｆａｎｇ３，ＣＨＥＮＧ Ｘｉａｏｙｉｎｇ１，ＧＵＯ Ｘｉｎｇｆｕ１
1. The First Institute of Geoinformation and Cartography, Ministry of Natural Resources, Xi ＇an 710054, China;
2. The First Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Ministry of Natural Resources, Xi ＇an 710054, China;
3. Shaanxi Surveying and Mapping Production Supervision and Inspection Station, Ministry of Natural Resources, Xi ＇an 710054, China
【摘要】地形级DEM数据是实景三维中国建设的重要地形数据成果，也是国家新型基础设施建设的重要组成部分。本文结合2021年实景三维中国建设项目新疆测区10 m格网DEM数据生产，提出地形级DEM数据生产新的工艺流程和技术方法。实践证明，实景三维DEM数据生产关键技术及质量控制方法，可为“十四五”期间国家地形级5 m格网DEM数据生产提供有意义的借鉴。【关键词】实景三维中国建设；数字高程模型；质量检验方法
【中图分类号】P208 【文献标识码】A 【文章编号】1672-1586（2022）03-0043-06Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｒｒａｉｎ－ｌｅｖｅｌ ＤＥＭ ｄａｔａ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｅｒｒａｉｎ ｂａｓｉｃ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ３Ｄ ｓｃｅｎｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎ Ｃｈｉｎａ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｎａｔｉｏｎａｌ ｎｅｗ ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ １０－ｍｅｔｅｒ ｇｒｉｄ ＤＥＭ ｄａｔａ ｉｎ Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ２０２１ ３Ｄ Ｃｈｉｎａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ，ａ ｎｅｗ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｅｒｒａｉｎ－ｌｅｖｅｌ ＤＥＭ ｄａｔａ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔ
ｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ５－ｍｅｔｅｒ ｇｒｉｄ ＤＥＭ ｄａｔａ ａｔ ｎａｔｉｏｎａｌ ｌｅｖｅｌ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ １４ｔｈ Ｆｉｖｅ－ｙｅａｒ Ｐｌａｎ Ｐｅｒｉｏｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅａｌ ３Ｄ Ｃｈｉｎａ；ＤＥＭ；ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
０ 引 言
构建实景三维中国是落实数字中国、平安中国、数字经济战略的重要举措，实景三维是对人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字虚拟空间，也是国家新型基础设施建设的重要组成部分，为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基底。实景三维通过在三维地理场景上承载结构化、语义化、支持人机兼容理解和物联实时感知的地理实体进行构建。与传统测绘地理信息产品相比，实景三维数据实现了从抽象到真实、从平面到立体、从静态到时序、从按要素分尺度到按实体分精度、从人理解到人机兼容理解、
从陆地表层到全空间，我按照建设尺度和数据内容等特点，可分为地形级、城市级和部件级3个层次[1-4]。
数字高程模型简称DEM，是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。地形级实景三维建设主要用于区域宏观尺度的地形级地理场景构建，叠加以二维形式表达的地理实体，融合物联感知数据，组装生成地形级实景三维产品，可用于区域三维可视化表达与空间量算分析，服务区域宏观规划，展示地貌形态及城市、村镇的分布与形态[5-7]。目前，我国已经完成除新疆以外区域的10 m 格网DEM 数据制作，数据生产和质量控制方法成为研究重点和热点[8-12]。本文从新疆地形级10 m 格网DEM 数据生产实践出发，总结数据生产的
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工艺流程和关键技术，通过生产实例分析不同作业区类型[10]质量控制方法及重点，旨在总结经验，提升成果质量，为地形级5 m格网DEM数据生产提供借鉴意义，为“十四五”数字中国建设提供统一的地形级空间基底。
１ ＤＥＭ数据生产技术路线
１．１ 建设任务
地形级实景三维建设内容主要包括：生产优于10 m 格网的DEM/DSM数据，优于2 m分辨率的DOM/TD
OM数据，并进行数据叠加处理；生产或综合与建设范围相一致的二维形式表达基础地理实体数据资料；集成接入其他实体数据，以及国家及省区重点区域或重大自然资源管理工程涉及的自然资源实时感知数据；对上述所有数据进行一体化融合集成与时序化建模处理，搭建支撑环境，开发数据库管理系统及应用服务系统。作为国家地形级数据生产的重要基础成果之一，10 m格网DEM数据是建设的首要任务，本文以新疆为例重点分析10 m格网DEM 数据生产的关键技术及质量控制方法。
１．２ 技术路线
新疆是“三山夹两盆”的地理单元构造，地貌形态差异明显。地形级10 m格网DEM数据生产项目覆盖新疆全域，DEM产品涉及高山地、山地、丘陵地、平地4种地形类别，差异较大，同时也包含大面积冰川与常年积雪、沼泽、沙漠、高山等特殊困难地区。项目生产依据地形特点，以最大化利用已有资料、减少重复工作为原则，分为基于已有资料的DEM重采样生产方式和基于资源三号卫星立体影像的生产方式，两种生产方式略有不同[13-15]。
基于已有资料的DEM重采样生产方式。基于已有1∶10000DEM数据，重采样生成10 m格网DEM数据，利用资源三号卫星立体影像及区域网平差优化后的RPC 参数恢复立体模型，发现地貌变化区域，对变化超过1倍等高距且面积超过1 km2的地貌变化区域利用立体影像进行更新，并与更新区域DEM数据接边，经正常高转换、接边处理、元数据制作和检查验收等过程，形成正常高10 m格网DEM数据成果。基于已有1∶10000DEM 数据资料生产10 m格网DEM数据的工艺流程如图1所示。
基于资源三号卫星立体影像采集生产方式。基于资源三号卫星立体影像和区域网平差优化后的RPC
参数，构建立体模型，通过多模型、多基线算法自动匹配获取匹配点云数据，得到以景为单位的单景匹配点云数据，经接边、镶嵌、裁切等处理后，得到粗编基础点云数据。基于协同作业的模式，开展立体影像采集，利用粗编点云数据、区域网平差成果及其他相关资料，对建筑物、桥梁、林地等非地面区域进行DEM数据滤波编辑，将地表高程降至地面高程，形成DEM数据（大地高程），经分幅裁切、高程转换、镶嵌接边、元数据制作和检查验收，形成10 m格网DEM数据（正常高程）成果。基于资源三号卫星立体影像生产10 m格网DEM数据的工艺流程如图2所示。
图1 基于已有资料的10 m格网DEM生产流程图
Fig.1 Flow chart of 10-meter grid DEM production based on
available data
图2 基于ZY-3立体影像的10 m格网DEM数据生产流程图
Fig.2 Flow chart of 10-meter grid DEM data production based
on ZY-3 stereo image
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2022年 第3期
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２ ＤＥＭ数据生产技术方法
DEM 数据生产涉及的技术方法主要有密集点云自动匹配、滤波处理、立体编辑及元数据填写。
２．１ 密集点云自动匹配
实景三维地形级数据生产是以点云数据为基础建立高精度数字高程模型，点云匹配结果的好坏直接影响人工立体编辑的工作量和地形的准确度。目前，点云自动匹配的方式基本上都是利用已有商业软件，尚无一款软件可实现所有地形的最佳匹配效果。
利用现有不同商业软件，基于资源三号立体卫星影像开展密集点云匹配，形成的DSM 数据存在较大差异，且不同软件对不同地形特征的表达效果存在较大差异。通过生产实践，总结各软件的优劣势，形成一套针对不同地形特点采用不同现有商业软件进行点云自动匹配的最佳解决方案，以达到提升匹配准确度，人工编辑工作量最小化的目的。
项目主要使用吉威CIPS、Inpho、PixelGrid 等商业匹配软件，密集点云自动匹配效率、效果分析情况如下:
1）PixelGrid 匹配效率较高，基本无需人工干预。在大型窝状沙丘地形比较明显，可直接使用。但匹配结果噪点过多且无后续处理方式和方法，此软件生产中使用相对较少。
2）吉威CIPS 支持多进程并行运算，可在大数据中心硬件设备构建虚拟工作平台，开展集式作业模式进行自动点云匹配，效率较高，是单机作业的5倍左右。集作业生产模式可大大缩短匹配周期，有效推进数据生产进度，基本无需人工干预。对于大面积小型沙丘等破碎地貌细节表达较好，但应注意CIPS 匹配结果整体噪点较多，尤其在高山地噪点人工编辑量仍较大。
3）Inpho 支持单机单进程运算，单景匹配时间较长，匹配结果的晕渲效果显示较好，立体套合度也较好，在生产中使用率是最高的，其不同版本匹配出的效果略有差异，以最新版本Inpho11效果最佳。尤其是大面积褶皱山等微地貌的整体形态能较好地体现，辅助人工后期干预，可以很好地表达微地貌形态特征（图3）。但Inpho 匹配效率易受原始影像中云、雪、水等弱纹理的影响，随着弱纹理区域面积增大，单景匹配耗时呈几何倍数增长。因此在密集匹配前，可对覆盖测区的资源三号卫星立体影像进行资料分析，筛选质量较差的像对，采集大面积云、雪、水等弱纹理区域矢量范围，作为密集匹配过程中的辅助文件，范围内影像不参与立体点云
匹配，可极大提升单景匹配效率。
图3 微地貌Inpho11效果
Fig.3 Effect of micro-landform Inpho11
总之，根据不同的地形地貌特征，对比多种软件密集点云匹配的结果，选取地貌细部特征表达较好的匹配结果进行人工立体编辑处理，扬长避短，发现各自所适应的区域，尽量提升自动化处理效率，减少人工工作强度。图4中的地形涉及平地、高山、沙丘，根据不同的地形，在A 区域的沙丘地使用CIPS 的匹配结果，在B 区域的高山地，沟壑较多，使用INFO11匹配结果，在C 区域平地使用INFO11
匹配结果。
图4 不同地形选取不同的匹配结果
Fig.4 Choice different match results by different terrain
types
另外，在生产中可利用软件的优化功能进行处理。如CIPS 软件数字地面模型后处理工具可根据需求做
尺度不等的光滑处理，处理后晕渲明显较好，编辑工作量大大减少。生产中建议在大批量光滑处理前，选取一些具有代表性的影像进行光滑程度测试，选取最佳效果，再批量进行光滑处理工作，可减少不必要的重复工作。CIPS 初始匹配结果在平地、缓坡等地形平缓变化的区域存在明显的台阶状晕渲，与实际地貌形态不符，生产中利用CIPS 软件数字地面模型物方优化工具进行处理，处理后大部分区域台阶状晕渲可基本消除。
２．２ 滤波处理
滤波处理主要是剔除非地面数据，保留地面数据。基于粗编点云数据、区域网平差成果及其他相关资料，对建筑、桥梁、林地等非地面区域使用均值平滑、林地降高等滤波方法进行编辑，将地表高程降至地面高
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程。均值平滑是典型的线性滤波算法，在中心窗口内，取邻域像元的平均值来代替像元的亮度值，也称均值滤波。均值平滑优点是算法较为简单，计算速度快，缺点是对作用对象的边缘和细节有一定削弱作用。新疆是我国西北重要的生态屏障，境内林地资源丰富，对于山地大面积的森林区域，可使用Link软
件进行滤波处理，森林高度可根据“林窗”或边缘地带的立体判读获取，通过调整平滑大小和降低高程两个参数值，在保持地形特征的同时将植被区域非地面点高程降至地面。
当地形起伏变化较大时，单一的滤波方法并不能准确地达到DEM的要求，这就要求对不同的滤波方法设置不同的参数，进行降低高程处理。在局部特征信息增强或滤波修正时，应保证平整地块区域内高程起伏平缓、过渡均匀，经处理的DEM数据要符合实际地形特征。
２．３ 立体编辑
基于资源三号卫星立体影像自动匹配点云数据及滤波后的DEM开展立体编辑。编辑时需要特别注意以下几点：一是对于匹配效果不佳的区域，可通过采集等高线、山脊线、山谷线、边坡线等地形特征线较好的反映实际地形特征；二是对于阴影、雪山等不易采集的区域要通过切换影像不同视角、调整影像亮度等方式进行灵活作业。立体采集生产作业模式为协同作业、网络共享，可以有效避免以往单幅图作业产生的大量接边工作，实现多用户同时访问并进行数据更新，减少了中间环节，有效提升了工作效率。
２．４ 数据接边
非跨带区域相邻图幅重叠范围内同一格网点的高程值应一致，跨带图幅格网点高程中误差不应大于相应地形中误差1.2倍。不同大块区域数据间通过接边处镶嵌、人工检查与修改进行接边。生产中因采用创新
性的协同作业模式，接边区域在相邻图幅作业人员客户端均可视可编辑，只需编辑一次即可完成接边工作，避免了大量接边工作。跨带接边时，可使用软件机查接边中误差是否符合接边精度要求，是否有超过接边限差的格网点。若存在超限点，输出点位矢量，将投影带数字较小一侧的数据向投影带数字较大的一侧投影，替换至超限位置投影带数字较大的一侧数据上，并恢复立体环境核实修改。同时，也可直接利用ARCGIS软件差值计算的方式到超限位置，进行数据接边。特别要注意的是坡度极大的高山跨带接边，因投影换带平面位置误差极易引起高差超限较大，此类情况应进行核实。
２．５ 元数据填写
元数据是关于数据的组织、数据域及其关系的信息，简言之，元数据就是关于数据的数据。只有完整、准确的元数据存在，才能更好地理解数据，充分挖掘数据的价值。DEM元数据由数据基本情况、数据源与生产情况、数据质量检验情况、质量总体评价信息、产品发布信息5部分组成，按图幅填写，一幅图对应一个元数据文件。生产中，结合实际工作需要，开发批量元数据填写工具，先以shp格式结合表或excel统计表的字段形式记录所有图幅需填写的元数据信息，然后以元数据模板为基础，批量生成所有图幅原始元数据文件，最后按shp或xls 格式内的元数据信息批量填写入各分幅元数据文件。人工编辑结合自动填写既能提升元数据填写的效率，又能保证元数据属性项填写的准确性。
３ ＤＥＭ质量控制方法
质量是测绘产品的生命力。根据不同的数据源现势性、作业区类型、地形地貌特征，DEM质量控制方法包括立体模型检查法、晕渲效果检查法、DOM套合检查法、差值分析检查法、软件自动检查法。生产中以立体模型检测法为质量控制的主要手段，其他方法作为辅助手段。３．１ 立体模型检查法
在资源三号立体影像环境中，使用立体视图软件，对10 m格网DEM数据成果反生等高线及格网点，逐屏检查DEM成果数据与立体影像的套合情况。该方法是二类区DEM质量检查最主要的方法，因立体环境下无法直观发现DEM晕渲异常等问题，所以一般应与晕渲效果检查法联合使用，方可有效控制成果质量。在具体使用时，可根据不同的地形类别反生10 m、5 m、2 m等不同等高距的等高线，主要检查建筑物、桥梁、林地等非地面区域是否降至地面。在山区的沟谷（图5a）、陡崖（图5b）、微地貌地形（图5c）、阴影（图5d）等复杂地区，特别要关注利用反生等高线套合情况来检查地形特征的表达是否合理，如存在偏沟、偏脊，微地貌地形特征丢失、阴影处地形表达错误等要及时处理。
同时，在立体环境下，利用采集的水矢量数据，结合立体模型，检查水面是否漏采集，是否置平（图6），采集的范围是否合理。
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2022年 第3期
a 沟谷 a Valleys
b 陡崖
b Cliff
c 微地貌地形 c Micro-topography
d 阴影d Shadow 图5 反生等高线套合常见问题
Fig.5 Common problems of inversion contour fitting
图6 立体模型检查常见问题（水面未置平）
Fig.6 Common problems in stereo model inspection（the water
surface is not leveled）
３．２ 晕渲效果检查法
晕渲效果检查法主要是利用动态晕渲显示DEM 数据成果，通过人工目视检查DEM 晕渲是否存在明显异常，可作为立体模型检查法的有效补充，高效发现作业中的一些重大的质量问题。个别软件匹配时形成的网格状晕渲、自动密集点云匹配或是一类区原始数据晕渲中的常见问题，如台阶问题（图7a），一、
二类区图幅接边处或图内相邻影像间模型高差产生的硬棱问题（图7b），不同数据源造成的图幅内晕渲差异过大问题，晕渲光滑过度（图7c），晕渲噪点过多（图7d），地貌细节损失问题等。这种方法的优点是非常直观、有效，一目了然地发现重大质量问题。
３．３ ＤＯＭ套合检查法
利用粗纠的DOM 数据与10 m 格网DEM 成果数据反生的等高线进行套合检查，可快速发现图内存在的飞点、跳点等异常值重大错误，可以发现图内存在的地形表达的普遍性问题，还可快速发现个别区域地貌编辑不到位，
a 台阶问题 a Step problem
b 硬棱
b Hard edge
c 沙丘过度光滑 c Over smoothe
d dun
e d 山地噪点过多 d Too much mountain noise
图7 晕渲效果检查常见问题
Fig.7 Common problems in shading effect inspection
与实际地貌不符的情况。
３．４ 差值分析检查法
差值分析检查法主要用于一类区地貌变化更新区域的检查，利用原始DEM 数据与10 m 格网DEM 数据进行差值计算，检查一类区地貌更新变化范围内数据更新是否到位，通过差值显示，可以快速到无差值区域即数据
未更新区域，需再进一步进行立体核实，检查是否合理。该方法还可核查地貌变化更新区域矢量范围外，人工编辑区域是否存在不合理更新的问题。
３．５ 软件自动检查法
软件自动检查法是在完成以上人工质量检查后，利用自主开发软件进行数据质量自动检查。主要进行DEM 成果数据质量检查以及元数据检查，其中DEM 成果质量检查是对DEM 格网点起始坐标、结束坐标以及图幅范围、格网尺寸、投影参数的检查，同时对DEM 数据接边及数据文件存储组织、文件名称
3d地图实景地图、文件格式、文件是否缺失、数据无法读出等进行检查，还可对DEM 数据水置平范围与采集的水矢量进行套合检查。元数据检查是对元数据项错漏、元数据各项内容错漏的检查。软件自动检查可发现人工检查不易发现的质量问题，保证成果的质量，使DEM 成果质量符合数据入库要求。
４ 结 论
本文主要结合2021年实景三维中国建设10 m 格网
何建宁，等. 实景三维DEM数据生产及质量控制技术探索
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