浅谈基于ArcGIS的两种DEM生成方法比较

陈磊

摘要：DEM是各种地学分析、工程设计和辅助决策的重要基础性数据，有着广泛的应用领域。由于数据获取方式不同，生成算法各异，生成DEM的方法也很多。基于ArcGIS生成DEM，一般通过构建不规则三角网生成DEM和直接通过内插方法实现。文章以数字化地形图为数据源，使用两种方法生成DEM并对比，阐述这两种生成DEM方法的区别及各自的优缺点。

关键词：DEM生成方法；TIN；TOPO；ArcGIS；地学分析；工程设计 文献标识码：A

中图分类号：TP311 文章编号：1009-2374（2016）33-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.030

数字高程模型（DEM）是新一代的地形图，地貌和地物不再用直观的等高线和图例符号在纸上表达，而是通过储存在磁性介质上的大量密集的地面点的空间坐标和地形属性编码，以数字的形式描述。DEM以数字的形式按一定的组织结构组织在一起，表示实体地形特征空间分布的模型，是地形形状大小起伏的数字描述。

由于生成DEM的数据获取方式不同、生成算法各异等原因，DEM的生成方法很多，最常用的生成方法就是对现有地形图进行数字化，以获取原数据，并用于构建不规则三角网从而建立DEM或直接通过内插的方法建立DEM。本文将对这两种生成DEM的方法进行实验，依据高程吻合度等质量评价标准对这两种方法生成的DEM进行对比。

1 实验数据和研究方案

根据数字化地形图数据分别以构TIN法和TOPO法生成DEM，并对其比较，找出其区别和优缺点。其中通过构建不规则三角网生成DEM时对分别以无骨架点数据构TIN和增加骨架点数据构TIN两种方法生成的DEM进行对比，找到更高质量的构TIN方案；在TOPO法建立DEM中，通过对DEM生成参数的设置，建立更佳的DEM，对构TIN法生成的DEM与TOPO法建立的最佳DEM进行对比。

2 DEM建立方法

2.1 构TIN法（以Delaunay三角网为例）

不规则三角网表示数字高程模型既能减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算效率方面优于纯粹基于等高线的方法。单纯以等高线构建DEM会出现平顶，沟谷、山脊不明显等缺点，不能够很好地表现微地形特征。为了克服这些缺点，需在等高线数据基础上增加骨架点数据来弥补。骨架点就是分布于整个图内，弥补等高线不能反映出的具体特征地形的一系列特征点。与没有骨架点的DEM晕渲图相比，平顶、沟谷、山脊不明显等缺点，已经较好地得到了改善。包含骨架点数据生成的DEM比不包含骨架点数据生成的DEM在山顶、沟谷、山脊等方面优秀，包含骨架点生成TIN得到DEM的相同抽取点高程误差的均方差小于不包含骨架点生成TIN得到的DEM的抽取点高程误差的均方差。所以，在高程吻合度方面，显然有骨架点贡献的TIN得到DEM优于缺少骨架点的DEM。

2.2 TOPO法

使用ArcGIS软件生成DEM，除构TIN并内插生成DEM的方法以外，还提供另一种生成DEM的方法，即TOPO法，直接根据已有的高程点、等高线、水系等内插生成DEM。在TOPO法中，数据以类型为特点正确地被设置，如等高线为Contour、湖泊为Polygon、点为PointElevation、河流为Stream等。除此之外，就是要设定TOPO法生成DEM的具体参数，如系统计算迭代次数、粗糙度惩罚、离散化错误因子、垂直标准错误等。

3 两种DEM生成方法比较

3.1 高程吻合度

以高程值来看，这两个DEM高程值均向高处有延伸，说明都会在适当范围内使山顶增高，但TOPOgrid明显有高程下限延伸，说明沟谷加深方面TOPO法优于构TIN法。随机挑选若干有代表性的高程点，两种方法都能较好地拟合现实地形，但是TOPO法比构建TIN后得到的平均误差和均方根误差都要小，在总体高程吻合度方面，TOPO法优于构TIN法。

3.2 回放等高线吻合度

绝对高程误差不能提供完整的DEM质量评价。由于回放等高线的位置、坡向及曲率直接取决于DEM的高程、坡向和平面曲率，所以回放等高线是检验DEM质量的灵敏方法。

从拟合DEM提取等高线，将其与原始等高线相比，回放等高线与原始等高线弯曲趋势一致，位置也基本重叠，符合度高。因为在山脊和沟谷特别是沟谷，等高线平面曲率变化很大，所以总体吻合效果为坡面>山脊>沟谷。两种方法模拟效果都比较好，质量优良，但是在平缓沟谷等地区TOPOgrid回放等高线吻合度要优于TINgrid。不过，含陡峭斜坡的地区，TIN以其出色的灵活性，较好地表现了现实地形。TOPO法生成DEM回放等高线在平缓地区与原始数据等高线吻合度要比构TIN法生成DEM回放等高线高，但是在等高线密集的山脊线附近却相反，构TIN法要优于TOPO法。

3.3 DEM高程差

利用ArcGIS软件的栅格计算功能，将TIN法和TOPO法生成的DEM相减，将得到的结果进行重分类可以得到DEM的高程差。这两种方法生成的DEM在很大区域差别不大，高程差较大的地方为山顶和等高线密集的山脊部分和谷底，由此在选取建立DEM方法的时候，首先应该明确数据区域的地貌类型，选择合适的方法。

3.4 特殊地势下的DEM拟合比较

3.4.1 山顶。TIN在山顶出现“平三角形”等扭曲实际地形的现象，而TOPOgrid较为圆滑，更贴近真实地面状况。

3.4.2 高程急剧变化地区。在高程急剧变化的地区，TOPO法生成DEM对真实地貌的表现就欠佳。由于TOPO法对于同栅格内的数据的舍弃，使得TOPO法在高程急剧变化的地区难以表达。虽然可以通过对粗糙度惩罚系数的改变能缓解此不足，但是比起TIN的可变分辨率的优势还是稍逊一筹。

3.4.3 水系。由于构TIN法建立DEM未使用水系数据，而TOPO法就很好地解决了这个问题，使得TOPO法建立DEM在有水系存在地区表达更加准确。构TIN法建立DEM未使用水系层，使该地区某些数据丢失不准确，而TOPO法建立DEM将水系数据加入到DEM的建立过程中，使其表达更为准确。

3.5 其他方面的比较

由于构TIN法建立DEM是先将数据通过生成三角网后再经内插处理的到栅格DEM，TOPO法是直接对数据进行内插生成DEM，所以在工作量上构TIN要大于TOPO法。不过不规则三角网表示数字高程模型能减少规则格网方法带来的数据冗余，而且其三角面的大小取决于不规则分布的节点的位置和密度，TIN可以根据地形起伏变化的复杂程度改变采样点的密度和决定采样点的位置，因而既能减少地形较平坦区域的数据冗余，又能按地形特征点如山脊等表现地形。TOPO法在生成DEM时对平坦的区域处理必然造成数据冗余。

综上所述，通过构TIN和TOPO法两种方法建立的DEM数据是各有优缺点，因此在选用时可根据自身的设备状况、数据资源以及应用要求选择。

4 结语

根据前文对通过构TIN法和TOPO法的分析和探讨，可以得出：在使用构TIN法建立DEM时尽量加入骨架点数据使TIN能更好地体现实地地形；与TOPO法相比，TIN能以其三角网密度和位置的改变的灵活性更好地反映复杂地形，尤其是有陡峭斜坡的地区，TIN能很好地拟合现实地貌，并减小数据冗余。与构TIN法相比，TOPO法生成的DEM在总体高程吻合度高，在加入水系数据后，配合合适的参数设置，使流水地貌特征得到有效反映，而且TOPO法生成DEM工作量小，减轻了工作压力。除此之外，由于TOPO法自身内插方法的特点，使这种方法在建立平缓地区的DEM时能达到更高的精度要求。鉴于以上对两种DEM生成方法的分析比较，对选取何种方法建立DEM有所启发。

参考文献

[1] 汤国安，赵牡丹.地理信息系统[M].北京：科学出 版社，2000.

[2] 汤国安，赵牡丹，等.地理信息系统（第二版） [M].北京：科学出版社，2016.

[3] 汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教 程[M].北京：科学出版社，2006.

[4] 张彩霞，杨勤科，段建军.高分辨率数字高程模型的 构建方法[J].水利学报，2006，（8）.

[5] 李志林，朱庆.数字高程模型[M].武汉：武汉测绘 科技大学出版社，2000.

[6] 汤国安，陈正江，赵牡丹，刘万青，刘咏梅. ArcVIEW地理信息系统空间分析方法[M].北京：科 学出版社，2002.

[7] 汤国安，李发源，刘学军.数字高程模型教程（第三 版）[M].北京：科学出版社，2016.

[8] 汤国安，等.数字高程模型与地学分析的原理与方法 [M].北京：科学出版社，2009.

（责任编辑：蒋建华）