本發(fā)明涉及測繪領(lǐng)域，更具體地說它是一種基于填挖方分析的數(shù)字高程模型精度評價(jià)方法。
背景技術(shù)：
：數(shù)字高程模型(digitalelevationmodel，簡稱dem)是空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字地球建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，在涉及三維地理空間位置的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中都有著廣泛的應(yīng)用；數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)精度的高低，直接影響到依托于它的各類應(yīng)用的可行性、可靠性和準(zhǔn)確性。因此，采用科學(xué)的模型對數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析和質(zhì)量評價(jià)，是保證其正確應(yīng)用的基本前提。目前，對于數(shù)字高程模型的精度評價(jià)方法，測繪行業(yè)采用的是高程中誤差模型，將有限數(shù)量(一般每圖幅20～50個(gè)點(diǎn))的檢測點(diǎn)的高程中誤差作為數(shù)字高程模型的精度指標(biāo)，參見測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《ch/t2026-2012數(shù)字高程模型質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》6.1.2.2.1節(jié)；然而，這種評價(jià)方法存在以下兩點(diǎn)不足：1)有限數(shù)量的檢測點(diǎn)的精度情況無法代表數(shù)字高程模型的整體精度情況，2)檢測點(diǎn)數(shù)量和分布的選取存在主觀性，導(dǎo)致精度評價(jià)值的不確定性。針對高程中誤差模型的不足，學(xué)界也提出了多種替代方法：湯國安等提出了地形描述誤差模型，用以描述高程采樣誤差為零的條件下模擬地面與實(shí)際地面之差異，參見論文《數(shù)字高程模型地形描述精度量化模擬研究》；但是，該模型將窗口分析法提取的柵格單元四個(gè)角點(diǎn)的高程均值作為中點(diǎn)高程的實(shí)際真值并不準(zhǔn)確；朱長青等提出重構(gòu)等高線模型，用重構(gòu)等高線的偏移誤差面積與原等高線的長度的比值評估數(shù)字高程模型的整體誤差，參見論文《基于重構(gòu)等高線的dem精度評估模型》，然而，該模型基于等高線進(jìn)行計(jì)算，忽略了等高距對數(shù)字高程模型對整體誤差計(jì)算值的影響；任志峰等提出了strahler積分計(jì)算模型,將dem誤差定義為實(shí)驗(yàn)dem與真值dem的strahler積分差，參見論文《基于strahler積分的dem精度評價(jià)模型》，但是，該模型的真值dem需由數(shù)學(xué)模擬得到，也不能評價(jià)非等高線生成的dem，實(shí)用性較差?？梢姡赿em精度評價(jià)模型問題上，尚無一個(gè)在科學(xué)性與實(shí)用性上取得統(tǒng)一的方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種基于填挖方分析的數(shù)字高程模型精度評價(jià)方法，提高數(shù)字高程模型精度評價(jià)方法的科學(xué)性與實(shí)用性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于填挖方分析的數(shù)字高程模型精度評價(jià)方法，其特征在于：包括如下步驟：步驟1：參考dem選擇：選取與待評價(jià)dem精度相同或精度更高的dem作為參考dem，且參考dem的地理范圍不小于待評價(jià)dem；參考dem與待評價(jià)dem空間參考系相同；步驟2：參考dem裁剪：對參考dem進(jìn)行裁剪，使得待評價(jià)dem與參考dem的地理范圍保持一致；步驟3：計(jì)算重采樣分辨率：對于分辨率為d，長為s0，寬為t0的待評價(jià)dem，以及同一范圍的分辨率為d的參考dem，設(shè)d的小數(shù)位數(shù)為m，d的小數(shù)位數(shù)為n，待評價(jià)dem和參考dem的最佳重采樣分辨率δd的計(jì)算方法如下述公式(1)所示：其中，(d×10m，d×10n)為d×10m和d×10n的最大公約數(shù)；max(m，n)為m、n中較大的一個(gè)；如果待評價(jià)dem或參考dem分辨率為整數(shù)，則小數(shù)位數(shù)為零，不影響計(jì)算結(jié)果；采用公約數(shù)方法計(jì)算重采樣分辨率的原因是，既能保證重采樣之后dem分辨率一致，也能使dem的每一個(gè)柵格單元都可以被平均分割，從而不引入新的重采樣誤差；步驟4：對參考dem和待評價(jià)dem進(jìn)行重采樣：采用上述步驟3計(jì)算得到的分辨率對參考dem和待評價(jià)dem進(jìn)行最臨近法重采樣，使得在不改變格網(wǎng)點(diǎn)高程的情況下，參考dem與待評價(jià)dem的重采樣后分辨率保持一致；選擇最鄰近法的原因是，重采樣之后的子?xùn)鸥駟卧母叱膛c重采樣前的柵格單元高程保持一致；同時(shí)，由于參考dem與待評價(jià)dem的地理范圍相同，重采樣后分辨率相同，故柵格行列數(shù)也相同；步驟5：計(jì)算填挖方體積差異：經(jīng)過最鄰近法重采樣之后，待評價(jià)dem與參考dem之間的體積差異可通過計(jì)算每個(gè)重采樣后的柵格單元的體積差異之和得到；設(shè)重采樣后的dem行列數(shù)分別為s、t,則s＝s0/δd、t＝t0/δd，則待評價(jià)dem與參考dem之間的體積差異vcf的計(jì)算如下述公式(2)所示：其中：hij為重采樣后第i行第j列的柵格單元對應(yīng)在待評價(jià)dem中的高程；hij為重采樣后第i行第j列的柵格單元對應(yīng)在參考dem中的高程；步驟6：計(jì)算填挖方誤差：根據(jù)步驟5可得柵格dem地理范圍的面積a＝s0t0＝stδd2，在面積為a的同一地理范圍內(nèi)，設(shè)參考dem相對高程為零處的三維體積為v0，待評價(jià)dem相對高程為零處的三維體積為v，那么v與v0的三維體積差異vcf包括填方部分vfill和挖方部分vcut；其中填方部分vfill為待評價(jià)dem高出參考dem的體積部分，挖方部分vcut為待評價(jià)dem低于參考dem的體積部分，用集合方法表達(dá)為下述公式(3)所示：將vfill與vcut相加即為v與v0的體積差異vcf，vcf的計(jì)算如下述公式(4)所示：vcf＝vfill+vcut(4)參考dem與待評價(jià)dem地理范圍與分辨率完全一致，各柵格高程點(diǎn)對應(yīng)長方體的底面重合，僅高度不同，則參考dem與待評價(jià)dem的填挖方體積差異為每一個(gè)柵格高程點(diǎn)對應(yīng)長方體的體積差異的和；將dem的填挖方誤差ecf定義為待評價(jià)dem與參考dem在同一區(qū)域的三維體積差異vcf與該區(qū)域面積a之商，并采用填挖方誤差作為衡量dem精度的指標(biāo)；由此可得待評價(jià)dem的填挖方誤差ecf數(shù)學(xué)表達(dá)為下述公式(5)：結(jié)合上述公式(2)與公式(5)，可計(jì)算出待評價(jià)dem的填挖方誤差ecf計(jì)算公式如下述公式(6)所示：計(jì)算所得的填挖方誤差值，即為衡量待評價(jià)dem相對于參考dem的精度度量值。在上述技術(shù)方案中，步驟6中，待評價(jià)dem與參考dem在表達(dá)地形上所存在的任何差異都會(huì)最終體現(xiàn)在待評價(jià)dem的填挖方誤差ecf上，待評價(jià)dem越接近于參考dem,待評價(jià)dem的填挖方誤差ecf越??；待評價(jià)dem與參考dem在表達(dá)地形上完全一致時(shí)，待評價(jià)dem的填挖方誤差ecf為零。本發(fā)明所述的一種基于填挖方分析的數(shù)字高程模型精度評價(jià)方法適用于柵格dem，待評價(jià)dem指需要進(jìn)行精度評價(jià)的dem，參考dem是待評價(jià)dem高程真值的參考值；求待評價(jià)dem相對參考dem的填方體積與挖方體積之和，是計(jì)算填挖方誤差ecf的關(guān)鍵，事實(shí)上，dem的體積為每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)對應(yīng)的長方體的體積的集合，長方體的底面為正方形(即邊長為dem的分辨率)、高度為對應(yīng)格網(wǎng)點(diǎn)高程，參考《數(shù)字高程模型(第二版)》(李志林)；當(dāng)參考dem與待評價(jià)dem地理范圍與分辨率完全一致時(shí)，各柵格高程點(diǎn)對應(yīng)長方體的底面重合，僅高度不同，于是，參考dem與待評價(jià)dem的填挖方體積差異為每一個(gè)柵格高程點(diǎn)對應(yīng)長方體的體積差異的和。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)能夠提高數(shù)字高程模型精度評價(jià)方法的科學(xué)性與實(shí)用性，在一定程度上彌補(bǔ)現(xiàn)有評價(jià)方法的不足；(2)考慮了dem的整體數(shù)據(jù)質(zhì)量，邏輯更加嚴(yán)密，計(jì)算簡便；(3)待評價(jià)dem與參考dem在表達(dá)地形上所存在的任何差異都會(huì)最終體現(xiàn)在ecf上，計(jì)算過程中沒有主觀因素導(dǎo)致的不確定性；待評價(jià)dem越接近于參考dem,ecf越小；只有地形表達(dá)完全一致時(shí)，ecf才為零，因此，將ecf作為dem整體精度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)的；(4)采用公約數(shù)方法計(jì)算重采樣分辨率，既能保證待評價(jià)dem與參考dem的柵格單元被平均分割，也能保證分割后的柵格單元空間范圍一一對應(yīng)，便于填挖方體積差異的計(jì)算；(5)采用最鄰近法重采樣，能夠保證重采樣之后的子?xùn)鸥駟卧母叱膛c重采樣前的柵格單元高程保持一致，維持原有dem的地形特征，從而不引入新的重采樣誤差。附圖說明圖1為本發(fā)明參考dem與待評價(jià)dem的在某一斷面處的高程分布圖。圖2為本發(fā)明待評價(jià)dem、參考dem最鄰近法重采樣示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例待評價(jià)dem圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例裁剪后參考dem圖。圖5為計(jì)算待評價(jià)dem的高程中誤差而隨機(jī)選擇的第一組檢測點(diǎn)的分布圖。圖6為計(jì)算待評價(jià)dem的高程中誤差而隨機(jī)選擇的第二組檢測點(diǎn)的分布圖。圖7為計(jì)算待評價(jià)dem的高程中誤差而隨機(jī)選擇的第三組檢測點(diǎn)的分布圖。圖1中，ⅰ為參考dem表面，ⅱ為待評價(jià)dem表面，c為待評價(jià)dem高出參考dem的體積部分，d為待評價(jià)dem低于參考dem的體積部分；圖2中，e為分辨率為0.5m的待評價(jià)dem柵格單元；e1為e最鄰近法重采樣為分辨率為0.1m的待評價(jià)dem柵格單元；f為分辨率為0.4m的參考dem柵格單元；f1為f最鄰近法重采樣分辨率為0.1m的參考dem柵格單元；圖3中，實(shí)施例待評價(jià)dem的分辨率為10m；圖4中，實(shí)施例裁剪后參考dem分辨率為1m；圖5中，待評價(jià)dem分辨率為1m；圖6中，待評價(jià)dem分辨率為1m；圖7中，待評價(jià)dem分辨率為1m。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施情況，但它們并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定，僅作舉例而已。同時(shí)通過說明使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)更加清楚和容易理解。參閱附圖可知：一種基于填挖方分析的數(shù)字高程模型精度評價(jià)方法，其特征在于：包括如下步驟：步驟1：參考dem選擇：選取與待評價(jià)dem精度相同或精度更高的dem作為參考dem，且參考dem的地理范圍不小于待評價(jià)dem；參考dem與待評價(jià)dem空間參考系相同；步驟2：參考dem裁剪：對參考dem進(jìn)行裁剪，使得待評價(jià)dem與參考dem的地理范圍保持一致；步驟3：計(jì)算重采樣分辨率：對于分辨率為d，長為s0，寬為t0的待評價(jià)dem，以及同一范圍的分辨率為d的參考dem，設(shè)d的小數(shù)位數(shù)為m，d的小數(shù)位數(shù)為n，待評價(jià)dem和參考dem的最佳重采樣分辨率δd的計(jì)算方法如下述公式(1)所示：其中，(d×10m，d×10n)為d×10m和d×10n的最大公約數(shù)；max(m，n)為m、n中較大的一個(gè)；如果待評價(jià)dem或參考dem分辨率為整數(shù)，則小數(shù)位數(shù)為零；步驟4：對參考dem和待評價(jià)dem進(jìn)行重采樣：采用上述步驟3計(jì)算得到的分辨率對參考dem和待評價(jià)dem進(jìn)行最臨近法重采樣，使得在不改變格網(wǎng)點(diǎn)高程的情況下，參考dem與待評價(jià)dem的重采樣后分辨率保持一致；對于分辨率為0.5m的dem1柵格單元以及分辨率為0.4米的dem2柵格單元，依據(jù)公式(1)計(jì)算，可采用0.1m為重采樣后的分辨率對兩個(gè)dem進(jìn)行最鄰近法重采樣(如圖2所示)；步驟5：計(jì)算填挖方體積差異：經(jīng)過最鄰近法重采樣之后，待評價(jià)dem與參考dem之間的體積差異可通過計(jì)算每個(gè)重采樣后的柵格單元的體積差異之和得到；設(shè)重采樣后的dem行列數(shù)分別為s、t,則s＝s0/δd、t＝t0/δd，則待評價(jià)dem與參考dem之間的體積差異vcf的計(jì)算如下述公式(2)所示：其中：hij為重采樣后第i行第j列的柵格單元對應(yīng)在待評價(jià)dem中的高程；hij為重采樣后第i行第j列的柵格單元對應(yīng)在參考dem中的高程；步驟6：計(jì)算填挖方誤差：根據(jù)步驟5可得柵格dem地理范圍的面積a＝s0t0＝stδd2，在面積為a的同一地理范圍內(nèi)，設(shè)參考dem相對高程為零處的三維體積為v0，待評價(jià)dem相對高程為零處的三維體積為v，那么v與v0的三維體積差異vcf應(yīng)包括填方部分vfill和挖方部分vcut；其中填方部分vfill為待評價(jià)dem高出參考dem的體積部分c，挖方部分vcut為待評價(jià)dem低于參考dem的體積部分d(如圖1所示)，用集合方法表達(dá)為下述公式(3)所示：將vfill與vcut相加即為v與v0的體積差異vcf，vcf的計(jì)算如下述公式(4)所示：vcf＝vfill+vcut(4)將dem的填挖方誤差ecf定義為待評價(jià)dem與參考dem在同一區(qū)域的三維體積差異vcf與該區(qū)域面積a之商，并采用填挖方誤差作為衡量dem精度的指標(biāo)；由此可得待評價(jià)dem的填挖方誤差ecf數(shù)學(xué)表達(dá)為下述公式(5)：結(jié)合上述公式(2)與公式(5)，可計(jì)算出待評價(jià)dem的填挖方誤差ecf計(jì)算公式如下述公式(6)所示：計(jì)算所得的填挖方誤差值，即為衡量待評價(jià)dem相對于參考dem的精度度量值。步驟6中，待評價(jià)dem與參考dem在表達(dá)地形上所存在的任何差異都會(huì)最終體現(xiàn)在待評價(jià)dem的填挖方誤差ecf上，待評價(jià)dem越接近于參考dem,待評價(jià)dem的填挖方誤差ecf越小；待評價(jià)dem與參考dem在表達(dá)地形上完全一致時(shí)，待評價(jià)dem的填挖方誤差ecf為零。實(shí)施例本發(fā)明以基于填挖方分析的某地區(qū)真實(shí)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)精度評價(jià)作為實(shí)施例來進(jìn)行詳細(xì)說明，對于其他地域基于填挖方分析的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)精度評價(jià)同樣具有指導(dǎo)意義。本實(shí)施例中，待評價(jià)dem為10m分辨率，參考系為cgcs2000_3_degree_gk_cm_114e，柵格尺寸為400*400；地理范圍為：top，3252005.6358；left，419993.330279；right，424003.330279；bottom，3247995.6358。步驟1：參考dem選擇選擇與待評價(jià)dem空間參考系相同，面積更大，分辨率為1m的高精度dem做為參考dem；步驟2：參考dem裁剪以待評價(jià)dem的地理范圍為限制，對參考dem進(jìn)行裁剪，裁剪之后，參考dem與待評價(jià)dem地理范圍一致；參考dem柵格尺寸為4000*4000；參考dem如圖3所示，裁剪后的待評價(jià)dem如圖4所示：步驟3：計(jì)算重采樣分辨率本實(shí)施例中，待評價(jià)dem分辨率d為10m，小數(shù)位數(shù)m為0；參考dem分辨率d為1m，小位數(shù)n為0；根據(jù)公式(1)計(jì)算得重采樣分辨率為1m；步驟4：dem重采樣由于參考dem分辨率已經(jīng)為1m，所以不進(jìn)行重采樣；僅需采用1m分辨率對待評價(jià)dem進(jìn)行最鄰近法重采樣；重采樣之后，參考dem與待評價(jià)dem的柵格尺寸均為4000*4000。步驟5：計(jì)算填挖方體積差異逐個(gè)柵格單元計(jì)算待評價(jià)dem參照參考dem的填挖方體積差異，并求和，根據(jù)公式(2)計(jì)算可得：步驟6：計(jì)算填挖方誤差dem的地理范圍的面積為：a＝stδd2＝4000*4000*12＝16000000(m2)，因此計(jì)算所得填挖方誤差為：因此，待評價(jià)dem相對于參考dem的填挖方誤差約為1.676m。將本發(fā)明實(shí)施例與測繪行業(yè)普遍采用的高程中誤差模型進(jìn)行對比，計(jì)算待評價(jià)dem相對參考dem的高程中誤差；按照測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《ch/t2026-2012數(shù)字高程模型質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》6.1.2.2.1節(jié)的要求，采用arcmap軟件的createrandompoints工具，在待評價(jià)dem圖符范圍內(nèi)隨機(jī)選擇了三組檢測點(diǎn)，每組檢測點(diǎn)的個(gè)數(shù)為35；三組檢測點(diǎn)的監(jiān)測點(diǎn)具體分布圖分別如圖5、圖6、圖7所示；按照測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高程中誤差計(jì)算公式計(jì)算得出三組待評價(jià)dem相對參考dem的高程中誤差，如下表所示：組別第一組第二組第三組高程中誤差值(m)2.6733.0522.249由上表可見，三組隨機(jī)檢測點(diǎn)的隨機(jī)分布情況不同，導(dǎo)致高程中誤差計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出較大的差異；因此，高程中誤差模型的評價(jià)結(jié)果依賴于檢測點(diǎn)的選擇與分布。本發(fā)明所述的一種基于填挖方分析的數(shù)字高程模型精度評價(jià)方法與現(xiàn)有測繪行業(yè)普遍采用的高程中誤差模型相比，本發(fā)明具有更好的科學(xué)性和實(shí)用性：采用高程中誤差模型對待評價(jià)dem的精度進(jìn)行評價(jià)時(shí)，評價(jià)的結(jié)果依賴于檢測點(diǎn)的選擇；本發(fā)明所述的一種基于填挖方分析的數(shù)字高程模型精度評價(jià)方法不依賴檢測點(diǎn)的選擇，同時(shí)能夠在不引入第三方誤差的情況下，將待評價(jià)dem相對參考dem的所有地形體積差異都表達(dá)出來。其它未說明的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。當(dāng)前第1頁12