一種等高線生成dem的內(nèi)插方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種數(shù)字高程模型（DEM)的內(nèi)插方法，具體地說是一種等高線生成 DEM的內(nèi)插方法，屬于地圖學(xué)與地理信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，DEM)是對(duì)地球表面地形地貌的一種離 散的數(shù)字表達(dá)。自20世紀(jì)50年代后期被提出以來，DEM受到極大的關(guān)注，并在測(cè)繪、土木 工程、地質(zhì)、礦山工程、景觀建筑、道路設(shè)計(jì)、防洪、農(nóng)業(yè)、規(guī)劃、軍事工程、飛行器與戰(zhàn)場(chǎng)仿真 等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，對(duì)DEM的研宄始終方興未艾，其中生成DEM的內(nèi)插方 法是研宄的重點(diǎn)之一。一般而言，不同數(shù)據(jù)源需要不同的內(nèi)插方法來生成DEM。目前，生成 DEM的數(shù)據(jù)主要來源于地形圖、遙感數(shù)據(jù)（既包括航天航空影像，又包括合成孔徑雷達(dá)干涉 測(cè)量數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)）、地面測(cè)量、既有DEM等；其中，從地形圖上獲取DEM是目前應(yīng)用 最為廣泛的一種方法。我國的測(cè)繪部門就分別利用1 :1萬、1 :5萬和1 :25萬比例尺的數(shù)字 線劃圖（地形圖的一種載體）生成了多種分辨率的DEM。
[0003] 通常，由地形圖獲取DEM時(shí)，基于等高線的分布特征，有三種方式生成DEM:等 高線離散化、等高線內(nèi)插和等高線構(gòu)建狄洛尼不規(guī)則三角網(wǎng)（TriangulatedIrregular Network，TIN)。等高線離散化方法實(shí)質(zhì)是將等高線看作不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)，并沒有考慮等 高線本身的特性，這導(dǎo)致生成的DEM可能會(huì)出現(xiàn)一些異常；Lebel和Olson提出的基于等高 線數(shù)據(jù)生成DEM的最陡坡度（流水線）內(nèi)插算法，內(nèi)插原理比較簡(jiǎn)單，但由于數(shù)字化的等高 線遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有紙質(zhì)地形圖等高線直觀，因此，該方法實(shí)現(xiàn)起來還存在許多問題；由于直接由等 高線構(gòu)建的TIN存在"平坦三角形"（即，水平三角形）問題，因此，目前工程生產(chǎn)中普遍采 用基于等高線和附加的"特征數(shù)據(jù)"（如地形結(jié)構(gòu)線和特征數(shù)據(jù)點(diǎn)諸如山頂點(diǎn)、凹陷點(diǎn)、鞍部 點(diǎn)等）構(gòu)建TIN的方法。
[0004] 近幾年提出了很多新的等高線生成EffiM的內(nèi)插方法，其中胡鵬、胡海等人的研宄 成果比較具有代表性。他們的立論依據(jù)：上述"特征數(shù)據(jù)"本質(zhì)上是等高線的對(duì)偶形式，并不 是必須的；而且在工程生產(chǎn)中，很難控制特征數(shù)據(jù)的密度以平衡DEM的精度和工作量?；?此，胡鵬、胡海等先后論述了利用地圖代數(shù)直接由等高線內(nèi)插生成DEM的方法，S卩：MADEM。 地圖代數(shù)，本質(zhì)上講，是建立在距離變換運(yùn)算基礎(chǔ)上的一種圖像操作；它用來內(nèi)插生成DEM 時(shí)，不僅不需要額外的輔助特征數(shù)據(jù)，而且生成的DEM具有較高的精度，滿足"高程序同構(gòu)" 的DEM精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前，基于地圖代數(shù)開發(fā)的DEM生成軟件已經(jīng)開始部分地應(yīng)用于我 國1 :5萬DEM的生產(chǎn)過程中，其效率和精度逐漸獲得科研和生產(chǎn)部門的認(rèn)可。
[0005] 但基于地圖代數(shù)的內(nèi)插方法也存在亟待改進(jìn)之處。具體而言，由于該方法是通過 迭代求取半距等高線（即到兩相鄰等高線距離相等的線）Ci/2,Q/4,Ci/8,Ci/16, (V32-(Cl 為地形圖上等高線的基本等高距）來生成DEM的，即迭代地求取兩相鄰等高線的Voronoi 圖的邊界、并將兩等高線的平均值賦予該邊界；至再分已無必要時(shí)，以l/2n+lV〇r〇n〇i圖為 界（其中，n為最大迭代次數(shù)），分層賦相應(yīng)高程。本質(zhì)上這也是一種線性內(nèi)插方法。但是， 該方法需要預(yù)先輸入最大迭代次數(shù)，超過了最大迭代次數(shù)時(shí)，未插值到的點(diǎn)均賦予最后一 個(gè)半等高距的增量。可見，最大迭代次數(shù)是該方法內(nèi)插生成DEM中的一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)。但 由于該指標(biāo)采用了人工干預(yù)的方式，沒有做到自適應(yīng)，這在一定程度上限制了該方法的工 程性應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種等高線生成DEM的內(nèi)插方法，它無須任 何人工干預(yù)，通過線性內(nèi)插方法生成DEM，并且獲取的DEM精度等于或高于用地圖代數(shù)方法 獲取的DEM精度。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：一種等高線生成EffiM的內(nèi)插方法，其 特征是，包括以下步驟：
[0008] 步驟一，獲取并加載滿足特定條件的矢量等高線數(shù)據(jù)，所述特定條件為：每一條等 高線在空間上連續(xù)分布、不會(huì)中斷，且奇數(shù)等高線和偶數(shù)等高線間隔出現(xiàn)；
[0009] 步驟二，進(jìn)行形態(tài)學(xué)腐蝕重建和形態(tài)學(xué)膨脹重建分別生成下高原圖像和上高原圖 像；
[0010] 步驟三，進(jìn)行障礙歐氏距離變換獲取測(cè)地路徑和測(cè)地距離，并進(jìn)行沿流水線的線 性內(nèi)插生成DEM。
[0011] 優(yōu)選地，在步驟一中，通過數(shù)字化紙質(zhì)地形圖中的等高線、或者從數(shù)字線畫圖中剝 離出等高線專題數(shù)據(jù)以獲取矢量形式的等高線數(shù)據(jù)，并給每一條等高線賦予相應(yīng)的高程 值，要求每一條等高線在空間上連續(xù)分布且不得無故中斷；獲取的等高線中任意兩個(gè)相鄰 等高線中一個(gè)等高線為奇數(shù)等高線、另一個(gè)等高線為偶數(shù)等高線，且奇數(shù)等高線和偶數(shù)等 高線間隔出現(xiàn)。
[0012] 優(yōu)選地，在步驟二中，對(duì)矢量等高線進(jìn)行柵格化操作生成一個(gè)等高線影像，對(duì)等高 線影像進(jìn)行形態(tài)學(xué)腐蝕重建和形態(tài)學(xué)膨脹重建分別生成一個(gè)下高原圖像和上高原圖像。
[0013] 優(yōu)選地，在步驟三中，分別由以偶數(shù)等高線為障礙物的奇數(shù)等高線的距離變換和 以奇數(shù)等高線為障礙物的偶數(shù)等高線的距離變換兩個(gè)障礙歐氏距離變換得到等高線影像 上任意一個(gè)像素到其上等高線和下等高線的測(cè)地路徑的長度，進(jìn)行沿流水線的線性內(nèi)插生 成DEM。
[0014] 進(jìn)一步地，所述步驟一具體包括以下步驟：（1)獲取矢量等高線數(shù)據(jù)；（2)處理斷 裂的等高線，并給等高線賦予其相應(yīng)的高程值；（3)檢查相鄰等高線高程值的奇偶特征。
[0015] 進(jìn)一步地，所述步驟二具體包括以下步驟：（1)矢量等高線柵格化；（2)生成輔助 影像；（3)進(jìn)行形態(tài)學(xué)腐蝕重建和形態(tài)學(xué)膨脹重建。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟三具體包括以下步驟：（1)奇、偶等高線的障礙歐氏距離變 換；（2)進(jìn)行沿流水線的線性內(nèi)插。
[0017] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0018] (1)根據(jù)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的測(cè)地距離的概念，基于形態(tài)學(xué)重建和障礙距離變換兩種圖 像運(yùn)算，本發(fā)明提出了一種基于形態(tài)學(xué)重建和障礙歐氏距離變換集成的DEM內(nèi)插方法。內(nèi) 插方法是影響數(shù)字高程模型精度的一個(gè)重要因素，從等高線獲取DEM的過程中，內(nèi)插方法 的選擇是一個(gè)十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它對(duì)生成DEM的精度有著重要的影響。本發(fā)明中，形態(tài) 學(xué)重建用于獲取任一像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的較高等高線和較低等高線的高程值，障礙歐氏距離變換 用于獲取該點(diǎn)到上下兩條等高線的測(cè)地距離，使用線性內(nèi)插獲取該點(diǎn)的高程值，整個(gè)流程 相當(dāng)?shù)膰?yán)密、且具有科學(xué)性。
[0019] (2)與胡鵬、胡海提出的"MADEM"內(nèi)插方法相比，在只使用等高線數(shù)據(jù)的情況下， 本發(fā)明生成的DEM精度等于或者高于"MADEM"獲取的結(jié)果。但是，胡鵬、胡海提出的"MADEM" 內(nèi)插方法需要人工干預(yù)，受到迭代次數(shù)的限制，限制了該方法的工程性應(yīng)用；而本發(fā)明采用 DEM內(nèi)插方法不但無需人工干預(yù)，而且不受到迭代次數(shù)的限制，真正實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)算法，各 行各業(yè)都可以應(yīng)用。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0021] 圖2 (a)至圖2 (g)為等高線的高程分布在630-920m之間，長和寬分別為 1400mX1100m時(shí)基于形態(tài)學(xué)重建和障礙歐氏距離變換集成的等高線內(nèi)插的示意圖；
[0022] 圖2(a)為等高線影像的示意圖；
[0023] 圖2 (b)為下尚原圖像的不意圖；
[0024] 圖2 (c)為上尚原圖像的不意圖；
[0025] 圖2(d)為奇等高線到偶等高線的測(cè)地距離的示意圖；
[0026] 圖2 (e)為偶等尚線到奇等尚線的測(cè)地距尚的不意圖；
[0027] 圖2(f)為內(nèi)插生成的DEM的示意圖；
[0028] 圖2(g)為DEM生成的等高線與原等高線套合圖的示意圖；
[0029] 圖3為等尚線影像上某像素p的上下等尚線的不意圖；
[0030] 圖4為通過障礙歐氏距離變換獲取測(cè)地距離的示意圖；
[0031] 圖4(a)為未進(jìn)行障礙歐氏距離變換的原圖（白色為實(shí)體，黑色為障礙物）；
[0032] 圖4(b)為進(jìn)行障礙歐氏距離變換后的結(jié)果示意圖；<