基于大地坐標(biāo)系數(shù)字高程模型的地表面積提取方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地理信息空間分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于大地坐標(biāo)系數(shù)字高 程模型的地表表面面積提取技術(shù)方案。
【背景技術(shù)】
[0002] 在地理信息空間分析技術(shù)領(lǐng)域，目前對地表表面面積的相關(guān)研宄情況介紹如下：
[0003] (1)地表表面面積
[0004] 地表表面面積是指結(jié)合地形條件的地球表面的面積。在地理信息技術(shù)領(lǐng)域，對地 球進(jìn)行建模時通常將地球簡化為一個標(biāo)準(zhǔn)的橢球體，而不考慮地球表面實際的起伏情況。 因此，在進(jìn)行地圖制圖和面積量算時，地表的各類地物和要素通常被抽象為分布在橢球體 上的點、線、面等不同形態(tài)的幾何對象。在進(jìn)行地物的面積統(tǒng)計時，通常統(tǒng)計的是該類地物 在標(biāo)準(zhǔn)橢球體上的橢球面積，而非地物真實的表面面積。例如，在國土資源部的全國第二次 土地調(diào)查項目中，耕地、園地、林地等所有土地利用類型的面積統(tǒng)計的均是橢球面積，而不 是土地利用類型在地球表面的真實表面面積。
[0005] 由于地球表面高地起伏較大，導(dǎo)致地表表面面積與橢球面積會在山區(qū)和丘陵地區(qū) 會存在較大差異。例如，在地形起伏較大的山區(qū)可丘陵地區(qū)，地表表面面積與橢球面積相差 可達(dá)20%以上。橢球面積只是地物在地球橢球這一理論模型上的面積，地表面積才是地物 對象在地球表面的真實面積。因此，僅僅以地物的橢球面積來表示地物的面積是不能滿足 資源調(diào)查（國土調(diào)查、林業(yè)調(diào)查）等實際應(yīng)用的需要的。由此可見，利用區(qū)域地形起伏資料， 確定各類地物和要素在地球表面的表面面積是十分必要的。因此，在由國務(wù)院第一次地理 國情普查辦公室主持的、于2013年-2015年開展的全國第一次地理國情普查與基本統(tǒng)計分 析中，已經(jīng)正式將地表各類要素的地表表面面積計算作為正式的地理國情統(tǒng)計分析指標(biāo)之 一（參考文獻(xiàn)1 :國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.地理國情普查基本統(tǒng) 計技術(shù)規(guī)定（⑶PJ02- 2013))。
[0006] (2)基于數(shù)字高程模型的地表表面面積提取方法
[0007] 在地理信息領(lǐng)域，目前用于地表表面面積的提取方法主要有以下幾種：1)利用 區(qū)域數(shù)字高程模型OEM)構(gòu)建區(qū)域的不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN)，在此基礎(chǔ)上疊加需要計算表面 面積的矢量多邊形，由不規(guī)則三角網(wǎng)與多邊形的疊加計算得到各多邊形的表面面積；（參 考文獻(xiàn)2:謝成磊，趙榮，梁勇.基于地理坐標(biāo)的地理國情統(tǒng)計單元表面面積精確計算 [J].遙感信息，2014, 04:47-51. )2)直接基于數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)構(gòu)建規(guī)則三角網(wǎng)，在此基 礎(chǔ)上疊加需要計算表面面積的矢量多邊形，由規(guī)則三角網(wǎng)與多邊形的空間位置關(guān)系，匯總 落入多邊形內(nèi)的空間三角形的面積得到各多邊形的表面面積（參考文獻(xiàn)3 :國務(wù)院第一 次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.⑶PJ 02-2013地理國情普查基本統(tǒng)計技術(shù)規(guī)定， 2013. 9.) ;3)基于相鄰的4個DEM柵格像元，利用積分公式推算出由4個相鄰像元構(gòu)成的 區(qū)域的曲面面積，進(jìn)而依據(jù)該曲面與多邊形的空間位置關(guān)系，匯總落入多邊形內(nèi)的曲面面 積，從而得到多邊形的表面面積（參考文獻(xiàn)4:江帆，呂曉華，王仲蘭.基于復(fù)化公式的 DEM表面積算法分析[J].測繪學(xué)院學(xué)報，2005, 04:263-265.)。4)利用DEM上3乘3的像 元窗口構(gòu)建8個空間三角形，計算3*3區(qū)域內(nèi)的中心像元區(qū)域的表面面積，進(jìn)而利用柵格像 元與多邊形進(jìn)行疊加，匯總落入多邊形內(nèi)柵格像元值作為多邊形的表面面積。（參考文獻(xiàn) 5 :謝成磊，趙榮，梁勇.基于地理坐標(biāo)的地理國情統(tǒng)計單元表面面積精確計算[J].遙感 信息，2014, 04:47-51.;參考文獻(xiàn) 6 :Jenness, JS. Calculating landscape surface area from digital elevation models, WILDLIFE SOCIETY BULLETIN, 2004, 03, 829-839)
[0008] 上述四種方法中，方法1是目前應(yīng)用最為廣泛的方法，也是國際流行的地理信息 系統(tǒng)（GIS)軟件ArcGIS中所使用的方法，其主要思路是，通過區(qū)域DEM構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)， 以多個不規(guī)則的空間三角形來逼近地表的真實情況。區(qū)域地形越復(fù)雜，則三角形越密，地形 越平坦，則三角形越稀疏。計算多邊形表面面積時，將不規(guī)則三角網(wǎng)與多邊形疊加即可完成 表面面積的計算；其主要特點在于，利用TIN舍去了 DEM中無關(guān)緊要的柵格像元，可以用較 少的特征點表示出區(qū)域主要地形起伏特征，一定程度減少了空間三角形面積的計算量。然 而由DEM構(gòu)建TIN的過程中，由于舍棄了所謂的無關(guān)緊要的柵格像元，會導(dǎo)致地表模型精度 的丟失，進(jìn)而導(dǎo)致地表面積計算不準(zhǔn)；另一方面，不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建需要基于投影坐標(biāo)系 進(jìn)行計算，即需要將經(jīng)煒度坐標(biāo)表示的橢球面投影為平面上以米為單位的X，Y坐標(biāo)。由此 可見，橢球面上的幾何對象經(jīng)過投影后幾何形狀也會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致地表表面面積的 計算結(jié)果也有可能存在誤差。
[0009] 方法2是一種直接基于DEM構(gòu)建規(guī)則三角網(wǎng)，進(jìn)而計算多邊形面積的方法。其主 要特點在于：直接基于大地坐標(biāo)系下的DEM進(jìn)行構(gòu)建，沒有精度損失；然而，在進(jìn)行規(guī)則三 角網(wǎng)與多邊形矢量疊加時，存在計算量較大等問題。
[0010] 方法3是一種直接基于DEM進(jìn)而利用復(fù)化公式擬合曲面，進(jìn)而計算多邊形面積的 方法。其主要特點在于：精度較高，計算復(fù)雜，計算量大等問題，主要適合對小規(guī)模（多邊形 個數(shù)少、或計算區(qū)域?。┑乇肀砻婷娣e的確定。
[0011] 方法4也是一種直接基于DEM進(jìn)而利用復(fù)化公式擬合曲面，進(jìn)而計算多邊形面積 的方法。其主要特點在于：精度較高，計算簡單等優(yōu)勢。其中，參考文獻(xiàn)4與參考文獻(xiàn)5有 所差異。參考文獻(xiàn)4可以直接利用大地坐標(biāo)系進(jìn)行計算，參考文獻(xiàn)5則主要是針對平面直 角坐標(biāo)系進(jìn)行計算；參考文獻(xiàn)4針對矢量和柵格疊加中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了進(jìn)一步處理，然 而該方法較為復(fù)雜，增加了計算量。因而適合對小規(guī)模的（多邊形個數(shù)少、或計算區(qū)域?。?地表表面面積的高精度計算需求，而對大規(guī)模（多邊形數(shù)量達(dá)到10萬個以上，或區(qū)域面積 達(dá)到1萬平方公里以上）問題的求解存在計算時間長等不足，因而限制了其應(yīng)用的范圍。
[0012] 綜上所述，本發(fā)明將針對已有方法存在的不足，綜合各種方法的優(yōu)勢，發(fā)明一種基 于大地坐標(biāo)系數(shù)字高程模型的地表表面面積提取技術(shù)方案，滿足大規(guī)模地表表面面積測量 需求。
[0013] 為便于理解本發(fā)明技術(shù)方案，先解釋本發(fā)明涉及的理論基礎(chǔ)：
[0014] (1)地理信息中常用的幾種坐標(biāo)系統(tǒng)
[0015] 為了在三維空間中精確的描述地球表面有個點的位置，通常需要借助某種特定的 坐標(biāo)系統(tǒng)得以完成。通常，常用的坐標(biāo)系統(tǒng)主要可以分為3種：1)大地坐標(biāo)系，即以經(jīng)煒度 坐標(biāo)表示某個點的位置，通常以（B，L，H)的方式進(jìn)行表達(dá)，其中，B表示該點的煒度、L表示 該點的經(jīng)度、H表示該點的高程（海拔）；大地坐標(biāo)系中B，L的坐標(biāo)單位為度，H的單位為米； 2)平面投影坐標(biāo)系，在大地坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，通過使用某種投影方法（如等面積投影法、等 角度投影法或等距投影法），基于特定的中央經(jīng)線或標(biāo)準(zhǔn)煒線將地球橢球面投影為平面，并 用平面直角坐標(biāo)進(jìn)行表示點的位置，如（X，Y，Z)，其中，X，Y表示該點相對于投影坐標(biāo)原點 的偏移值，Z為該點的高程值。其中，Z只是平面直角坐標(biāo)系中某點的特定屬性特征值，不構(gòu) 成坐標(biāo)系中的一個維度。X，Y，Z的坐標(biāo)單位均為米。3)空間直角坐標(biāo)系，以地球中心為坐標(biāo) 原點，以（X，Y，Z)的方式表述某點在空間直角坐標(biāo)系中的位置?？臻g直角坐標(biāo)系中，X，Y，Z 的單位均為米。三個坐標(biāo)系之間可以通過地球參考橢球面參數(shù)（地球橢球的長軸、偏心率 等）互相轉(zhuǎn)換和反算。
[0016] 上述坐標(biāo)系中：1)在大地坐標(biāo)系下，各個點的位置是直接基于經(jīng)煒度坐標(biāo)進(jìn)行表 示，點的位置是精確、沒有偏移和變形的；2)在投影坐標(biāo)系下，各點的位置是一種平面位 置，依據(jù)投影方法的不同，投影前后的幾何形狀可能在角度、長度和面積等方面都產(chǎn)生一定 的變形和偏移；3)空間直角坐標(biāo)系是一種三維坐標(biāo)系，各點的位置由三維坐標(biāo)系下的真實 的X，Y，Z坐標(biāo)描述，沒有因為投影帶來的變化。三種坐標(biāo)系中，大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo) 系表示的點位和幾何形狀是沒有變形的，而基于平面直角坐標(biāo)系的點位和幾何形狀是有變 形或偏移的。
[0017] ⑵數(shù)字高程模型
[0018] 數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model)，簡稱DEM，通常利用柵格圖像來表示 地球表面高程（也稱為"海拔"）的高低起伏情況。柵格圖像通?；谔囟ǖ牡乩碜鴺?biāo)系統(tǒng) 進(jìn)行存儲，每個柵格根據(jù)其在地理坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)號對應(yīng)地球表面的某塊特定的區(qū)域。 柵格的數(shù)值表示該區(qū)域的高程值。數(shù)字高程模型的基本思想是通過使用離散的、規(guī)則的網(wǎng) 格來逼近地表真實的地形高低起伏情況。DEM中，柵格像元的分辨率（柵格的大?。Q定了 DEM的精度：通常柵格分辨率越高（柵格越小），則其精度越高，越能真實的逼近地表真實形 態(tài)；柵格分辨率越低（柵格越大），則其精度越低。柵格分辨率越高，則DEM的數(shù)據(jù)量越大， 由此產(chǎn)生的計算量也越大；反之，則數(shù)據(jù)量越小，計算量越小。在進(jìn)行基于DEM的空間分析 時，通常需要根據(jù)計算結(jié)果的精度要求，在保證計算結(jié)果精度的前提下，選擇合適分辨率的 DEM〇
[0019] (3)矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)
[0020] 矢量模型和柵格模型是GIS中表達(dá)地理空間對象的兩種不同方式。在矢量模型 中，地理空間對象被抽象為多邊形、線和點等不同形態(tài)的幾何對象，并以精確的坐標(biāo)存儲結(jié) 合對象上各節(jié)點的信息；在柵格模型中，通常以離散的柵格像元及其屬性值來表示地理對 象的空間分布特征。在GIS中，兩種模型各有優(yōu)劣：矢量模型能夠非常精確的描述地理對象 的形狀、邊界、范圍和位置，但基于矢量模型做空間運算時效率低下，計算量大；柵格模型不 能精確的描述地理對象的形狀、范圍、邊界和位置，但在進(jìn)行空間運算時計算效率高、計算 量小。