数字高程DEM的获取和处理技术.pdf

收稿日期：2007-06-06 基金项目：甘肃省建设厅科技攻关资助项目（GK2001-04）；兰州交通大学“青蓝人才工程资助计划”基金资助项目（2004-03-01）作者简介：程耀东（1963-），男，山西稷山人，教授，硕士，主要研究方向为地理信息系统及 CAD 开发。随着计算机和 GIS 技术的发展，数字高程模型（Digital Elevation Model,缩写为 DEM）作为地理信息系统和工程设计等领域的一种基础数据，在地学和土木工程等领域发挥着越来越重要20082008 年 工 程 图 学 学 报 20082008第 3 3 期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.3航测地形图 DEM 的获取和处理技术 程耀东1，张丽萍1，董明才2，韩 进1（1.兰州交通大学数理与软件工程学院，甘肃 兰州 730070;2.铁道第一勘查设计院，甘肃 兰州 730000）摘 要：在对航测地形图（.DWG）中图形实体的属性、存储结构和图形数据库进行分析的基础上，研究了从航测地形图中获取数字高程模型的方法，并运用 Visual C+6.0语言与 ObjectARX 2002 开发工具实现了 DEM 的提取，同时对多种 DEM 数据的存储格式和处理方法进行了探讨，为线路设计自动化提供了数字高程模型。该成果已用于公路与铁路选线设计部门，极大地提高了设计效率，取得良好经济效益。关 键 词：计算机应用；航测地形图；数字高程模型；ObjectARX 开发工具；图形交换文件 中图分类号：TP 391 文献标识码：A 文 章 编 号：1003-0158(2008)03-0056-06 Acquiring and Processing DEM from Aerial Survey Topographic Drawings CHENG Yao-dong1,ZHANG Li-ping1,DONG Ming-cai2,HAN Jin1(1.School of Mathematics and Physics&Software Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou Gansu 730070,China;2.First Design and Survey Insititue,Lanzhou Gansu 730000,China)Abstract:The method of how to acquire the figure altitude from aerial survey topographic drawings is proposed based on the analysis of attribution，memory framework and graphic database in the aerial survey topographic drawings.The system is developed using Visual C+6.0 and ObjectARX 2002 with the functions of processing multi-memory formats and multi-method for DEM to provide the figure altitude model for route design automation.The achievement has been used in the route selection of highway and railway,which has improved the design efficiency greatly.Key words:computer application;aerial survey topographic drawings;DEM;ObjectARX development kit;DXF 的作用，具有广阔的应用前景和潜力，为空间数据处理和工程设计自动化奠定了基础。数字高程模型是在某一投影平面（如高斯投影平面）上规则格网点的平面坐标（X,Y）及高程（Z）的数据集。最初是 Miller 在 1956 为了高速公路的自动设计提出的。此后，它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线、管线等）的设计以及土木工程的面积、挖填土石方、坡度计算，线路纵断面和横断面图绘制等。在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、地形景观，制作正射影像图以及地图的修测。在遥感应用中可作为分类的辅助数据。它还是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规划及洪水险情预报等。在军事上可用于武器精确制导进行地形匹配等1。结合“交通选线及地层断面计算机自动生成技术研究”省级科技攻关项目，该文主要探讨在航测地形图中数字高程模型的提取技术以及对各种格式 DEM 数据的存储格式、处理方法，并采用VC+6.0语言与ObjectARX 2002开发工具，实现了数字高程模型提取和处理，为在公路铁路选线设计中，由线路平面图自动生成纵断面和横断面图提供基础数据。1 航测地形图的图形数据库信息 目前，在工程设计中所使用的地形图大多是AutoCAD 状态下的矢量图，在该软件下打开航测地形图，通过对图中实体的属性列表，进行综合分析后可知，航测地形图分两种：一种是等高线带有高程属性；另一种是等高线不带高程属性。如图 1 为部分地形图，通过对线路设计中常用的 DWG 图形的分析，其主要内容归纳为以下几方面：图 1 航测地形图（1）等高线信息 在地形图中，等高线反映地形的起伏情况，在等高线上标注了绝对标高。在 AutoCAD 的图形中，等高线是 POLYLINE 实体，对带高程的地形图，该实体包含的几何属性有各转折点的（X,Y,Z）坐标、线段长及封闭区域的面积等，而不带高程属性的地形图中高程 Z 为 0，其实体的子类都为 AcdbPolyline2。（2）离散点 为完整反映地表形态，在地形图中增加了离散点，标注为点和高程值，点的标注记为一个块（block），块的插入点高程为 0，而在高程值文本的对齐点上附加了高程值。（3）其他信息 在地形图中还有地类界线、山谷线和山脊线、河流、公路和铁路线、各种管线及电线、建筑物等信息，从图中属性分析可知，这些图线的高程值都为 0，与形成数字高程模型无关，所以，在从地形图中提取 DEM 时，根据图形交换文件（Drawing eXchange File 缩写为 DXF）的组码和组值的对应关系，就可过滤掉这部分不带高程的图形实体。2 数字高程模型的提取原理和方法 如果设计部门仅有航测地形图 DWG 文件，而无与之相匹配的数字高程模型数据，就无法从已设计的线路平面图中自动获取线路中心线的地面高程值。早期一些软件的做法是：先从地形图上人工内插线路中心线上一系列点的高程值，然后根据里程和高程采用逐点输入或数据文件的方式绘制纵断面图，这种方法工作效率很低且易出错。为了能在所开发的选线 CAD 系统中，自动从地形图的等高线上获取大地坐标和高程，根据地形图是否具有高程属性，分两种获取数字高程模型的方法。2.1 有高程属性的地形图 DEM 获取方法 在 AutoCAD 状态下，从矢量地形图中提取数字高程模型的流程如图 2 所示，原理和步骤如下：（1）建立工作路径和数据文件 在 AutoCAD 状态下打开图形文件（DWG），建立工作路径和数据存储文件。为了操作方便，第 3 期 程耀东等：航测地形图 DEM 的获取和处理技术 57 采用 VC+6.0 开发界面友好的对话框录入方式，在对话框中输入工作路径（如：f:work）及数据文件名（如 map.dat），并采用警告框提示数据文件创建是否成功，当数据文件创建成功后，以写的方式打开数据文件。从Polyline实体中获取(x,y)和高程h实体是否与地形高程有关将(x,y,h)记录到DEM数据文件中是否从图形数据库中读入一个图形实体打开地形图数据文件及存放路径建立数字地模获取当前所有图形实体打开图形数据库数据库是否遍历结束否是退出用acedSSGet()函数 图 2 提取 DEM 的流程图（2）图形实体获取 利用Visual C+6.0和ObjectARX开发工具，运用 acedSSGet(a,NULL,NULL,NULL,ads_ name all_entities)函数获取当前地形图中的图形数 据 实 体，然 后 用 acedSSLength(ads_name all_entities,long entities_count)函数获取选择集中的实体数目3。（3）获取实体名称 在选择集 all_entities 中存放了当前地形图中的 所 有 实 体，利 用acedSSName(ads_name all_entities,long i,ads_name entity)函数，获取参数 all_entities 实体集合中第 i 个实体的名称并存放于参数 entity 中，利用循环可遍历实体集合中所有实体，可逐个提取每个实体中的几何和属性信息，存储所需要的平面坐标和高程值，过滤掉无用的信息。（4）实体数据描述表 利用 ads_entget(ads_name entity)函数返回参数 entity 所指定的实体数据的描述表，将该表存储在结果缓冲区中。结果缓冲区的结构为：struct resbuf 指向下一个结果缓冲区的指针变量 struct resbuf *rbnext;用来指明 resval 值的类型 short restype;存放该“结果缓冲区”节点值的 resval 变量 union ads_u_val resval;resval 变量是个同位 union ads_u_val 类型，定义为：union ads_u_val ads_real rreal;ads_real rpoint3;short rint;char*rstring;long rlname2;long rlong;struct ads_binary rbinary;结果缓冲区的 restype 字段，用来指明返回值 resval 的类型，ADS 函数处理实体时，其返回结果缓冲区的 restype 字段常常是 DXF 实体代码。通过对地图形的分析可知，等高线均为POLYLINE 实体，如果获得地形图中等高线上各节点的（X,Y,Z）坐标，也就生成了大部分数字高程模型的数据。另外，在地形图中还有一些带高程的散点，也需获取其坐标和高程，而要舍弃其它与高程无关的实体，如限定返回 z 坐标小于等于 0 或大于 5000 时，即可过滤掉这部分数据。（5）实体几何信息获取方法 在实体集合中，实体的几何信息和属性信息是根据结果缓冲区中 restype 字段的返回类型来确定的，而在地形图中数字高程模型的数据主要来源于等高线的节点和散点的坐标值，获取这些坐标点的方法如下：1）将 ads_entget(ads_name entity)函数返回实体数据的描述表存储在结果缓冲区中:struct resbuf *entitybuf=ads_entget(entity)。2）获取结果缓冲区中所存储的 entitybuf-restype 和 entitybuf-resval.rstring 变量的值，判断其是否分别为 0 和POLYLINE，这两个值为58 工 程 图 学 学 报 2008 年 DXF 接 口 的 组 码 和 组 值，表 明 该 实 体 为POLYLINE。3）对 POLYLINE 实体可用 acdbGetObjectId(AcDbObjectId plineObjId,ads_name entity)函数获取其实体标识符，再用该标识符对 POLYLINE实体进行遍历，获取顶点个数和坐标（x,y,z），并将顶点坐标存入数据文件中。存储数据时，应对高程的最大和最小值进行限制，如高程 z 坐标不能小于等于 0，不能大于 5000，以此条件过滤无用的数据和避免错误的数据存入数字高程模型文件中4。4）除了要获取等高线上的顶点数据外，还要提取散点坐标。根据结果缓冲区中的变量restype 的返回值，结合 DXF 组代码来判断组值的类型，如组代码是 0 至 9 的整数，则返回值类型为字符串（RTSTR），组值为实体名称、图层名和线型名等，不提取这部分数据；组代码是 10至 19 之 间 的 整 数 时，返 回 值 的 类 型 为RT3DPOINT，这种返回值为点的坐标：ads_real rpoint3，由此可获得地形图中的散点坐标值；另外，还有一些特殊点的坐标的组代码在 210 至239 之间，也不需提取数据。38 至 59 的组代码其返回值的类型为 RTREAL，其值为实型数，其中，组代码 39 的组值为厚度（thickness）、组代码 40 的组值为高度（height），其它组代码的组值为半径、角度等。60 至 79 的组代码返回值为短整形 RTSHORT，如颜色号码、属性标志及对齐方式等，过滤掉这部分与高程无关的实体5。由以上 DXF 组代码的范围划分，可从实体选择集中获取各种实体的相关信息。通过上述方法，可获取航测地形图中与高程数据有关的实体的（x,y,z）坐标，为在线路平面图上自动获取线路中心线的地面高程，形成纵断面图和横断面提供数字高程模型，极大地提高了工作效率，同时可节省设计单位购置数字高程模型（DEM）的费用。2.2 不带高程属性的地形图 DEM 获取方法 对于没有高程属性的矢量地形图，在数字化过程中，可用人工干预的方法给等高线赋予高程。没有高程属性的地形图，等高线的 Z 坐标值都为 0，但在每根等高线上都标注了对应高程数值，且相邻两根等高线的高差都相等，这样就可逐根选择等高线并对其赋予高程属性，对高差相同的等高线，程序可根据选择等高线的顺序自动递增或递减高程。这种方法虽然效率不高，但可通过交互功能选择不带高程的矢量地形图中的等高线，获取 AcDbPolyline 对象的(x,y)坐标，再输入对应的高程值，将各点的(x,y,h)写入数据文件中，建立数字高程模型。方法和步骤如下：（1）建立数据文件 以 p_file=fopen(d:plan1xyh.dat,a)方式建立数据文件，用来存储数字化过程中等高线上的节点坐标（x,y）和高程 h。在数据文件中，每行存储一个点的 x,y,h 坐标。（2）选择等高线 为了获取不带高程属性但标有高程数字的等高线，利用 ads_entsel(n 请选择等高线,entityname,ptres)函数获取每个等高线，返回拾取点的坐标存入 ptres 参数，返回的实体名存入entityname 参数，等高线为 POLYLINE 实体。注意，选择等高线时，可按高程递增或递减的顺序进行。（3）高程值的获取方法 利用 ads_getreal(char*prompt,ads_real*h)函数获取等高线上的高程值，存入参数 h 中。在此应考虑相邻两条等高线之间的高差相同这个特点，可按递增或递减方式逐根选择等高线，这样只要输入第一根等高线的高程，后续选择的等高线的高程就可由程序自动计算，提高工作效率。（4）确定等高线上各顶点的坐标 将 ads_entget(ads_name entity)函 数 返 回POLYLINE 的实体数据的描述表存储在结果缓冲区中。由等高线的 DXF 文件中的实体节（entities section）可知，当组代码为 38 时，组值为这条等高线的高程，在不带高程的地形图中等高线的 z 坐标为 0；在结果缓冲区中，只考虑获取 x,y 值的提取，等高线各顶点的 x,y 坐标的组代码为 10,20，遍历结果缓冲区提取 x,y 值，在将等高线的各顶点（x,y,z）坐标写入数据文件时，应以 ads_getreal(char*prompt,ads_real*h)函数获取的等高线上的高程值 h 代替原来的 z 坐标值 0。（5）每获取一条等高线的数据，就从屏幕上擦出这条等高线，方法如下:ads_command 第 3 期 程耀东等：航测地形图 DEM 的获取和处理技术 59(RTSTR,ERASE,RTENAME,entity,RTSTR,0)；直到处理完地形图中所有的等高线。3 数字高程模型格式及其处理方法 DEM是进行选线设计自动化的基础和前提，在线路平面设计过程中，为了自动获取线路中心线的地面高程数据，就必须对 DEM 进行必要的处理，以便生成通过线路中心线的地面线，为后续的竖向设计提供地面起伏情况。3.1 3 种 DEM 数据格式 只有在分析 DEM 的存储格式的基础上才能对其进行处理，以下是 3 种与地形图配套的 DEM格式。（1）矩阵式 DEM 数据 线路平面设计是在矢量地形图（DWG）中进行的，测绘局提供的与地形图配套的 DEM 格式就是由地面规则格网点的高程值构成的矩阵，形成栅格结构的数据集。这种格式提供地面点的坐标和高程，由 3 部分数据组成：数据文件中前5 行是第 1 部分，是对文件的说明，包括文件名、比例、单位、坐标原点的（x,y）值；6 到 12 行为第 2 部分，是对格网的说明，包括 DEM 的左上角坐标（x,y），x 和 y 方向的格网间隔，对应格网点的高程值的行数和列数，点的高程值小数点后保留的有效数字的位数；第 3 部分为对应于格网点的高程数字的矩阵，图廓以外的点，即无效高程值的格网点处用-99999 表示，其余数据为网格点处的高程值。（2）等高线和地形点式 DEM 数据 一些大型勘察设计院的航测大队提供的与地形图配套的 DEM 格式为等高线和地形点式，在 DEM 数据文件中，第 1 行数据为数据范围，如左下角坐标为（698165.248，518937.924），右上角坐标为（699150.390，520072.100），第 2 行说明此数据共有的组数，第 3 行表明第 1 组数据共有多少个点和这些点的共同高程值，以后是这些点的（x,y）坐标，然后是第 2 组数据，以此类推，直到最后一组数据结束。（3）“XYZ”格式的 DEM 数据“XYZ”格式的数据文件中，每行为一个点的 X、Y、Z 坐标，其中 Z 为此点的高程，任何其它格式的 DEM 数据都可以转化为此格式使用。如果测绘局和测绘大队提供的 DEM 数据格式与前两种格式相差太悬殊，可将其转化为“XYZ”格式，以便后续数字地模的处理。3.2 数字高程模型处理及应用 数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型。高程是地理空间中的第三维坐标。无论测绘部门提供的数字高程模型还是从地形图中获取的数字高程模型，都不能直接用于选线设计中，必须对数字高程模型进行转换，才能在线路设计中由程序自动获取点的高程数值。转换数字高程模型的步骤和方法如下：（1）采用对话框的方式指定数字高程模型数据文件的存储路径，选择所转换的数字高程模型数据格式和对应的数据文件。从以上 3 种 DEM格式的分析可知，每种格式的 X、Y、Z 坐标在数据文件中的存储格式不同，则读取方式也不同。（2）转换数字高程模型的目的是为了根据线路平面图获取线路纵断面的地面点高程，因为铁路、公路选线设计是在带状地形图上进行的，线路长、数据量大，为了加快内插点的高程的计算速度，采用对数字地模进行划块的方法进行处理，划块的范围可以设置为 5050，100100或 200200，将数字高程模型划分成若干格网，并分别存储于不同的数据文件中。（3）从线路平面图的起始位置，沿线路中心线一定距离（如 20m）获取一系列点的（x,y）坐标，并计算出各点的里程值。（4）由各点的 x,y 坐标，判断该点所在的数据文件名，再由三角网内插点的高程值6，将里程和对应高程存入数据文件，形成纵断面数据。（5）调用所开发的绘图接口函数，由纵断面数据形成通过线路中心线的地面线，这样极大的提高了工作效率，为线路的纵断面设计做好前期准备。4 结 束 语 数字高程模型（DEM）在地形可视化显示、公路及铁路辅助设计等领域有广泛的应用，运用60 工 程 图 学 学 报 2008 年 VC+6.0 和 ObjectARX 开发工具，从航测地形图中获取 DEM 数据，为在选线设计过程中，利用三角网内插点的高程值并自动生成纵断面地形线提供数字高程模型，极大地提高了公路、铁路的设计效率。该文中的航测地形图 DEM 获取方法和技术对从事 GIS 和 CAD 工作的技术人员具有一定的参考价值。后续工作可利用 DEM 进行设计结果的三维可视化显示和漫游。参 考 文 献 1 李志林,朱 庆.数字高程模型M.武汉:武汉大学出版社,2003.78-89.2 程耀东,赵建昌,徐 军.图形数据库应用技术研究J.工程图学学报,2006,27(1):143-148.3 老大中,赵占强.AutoCAD 2000 ARX 二次开发实例精粹(ObjectARX)M.北京:国防工业出版社,2001.50-56.4 程耀东.图形的拼接与裁剪技术研究J.工程图学学报,2005,26(1):1-5.5 程耀东,张丽萍,等.计算机绘图教程M.兰州:甘肃教育出版社,2001.306-316.6 刘少华,吴东胜,罗小龙,等.Delaunay 三角网中点目标快速定位算法研究J.测绘科学,2007,32(2):69-70,113.第 3 期 程耀东等：航测地形图 DEM 的获取和处理技术 61