基于大地坐标系数字高程模型的地表面积提取方法及系统的制作方法

基于大地坐标系数字高程模型的地表面积提取方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地理信息空间分析技术领域，特别是涉及一种基于大地坐标系数字高 程模型的地表表面面积提取技术方案。
【背景技术】
[0002] 在地理信息空间分析技术领域，目前对地表表面面积的相关研宄情况介绍如下：
[0003] (1)地表表面面积
[0004] 地表表面面积是指结合地形条件的地球表面的面积。在地理信息技术领域，对地 球进行建模时通常将地球简化为一个标准的椭球体，而不考虑地球表面实际的起伏情况。 因此，在进行地图制图和面积量算时，地表的各类地物和要素通常被抽象为分布在椭球体 上的点、线、面等不同形态的几何对象。在进行地物的面积统计时，通常统计的是该类地物 在标准椭球体上的椭球面积，而非地物真实的表面面积。例如，在国土资源部的全国第二次 土地调查项目中，耕地、园地、林地等所有土地利用类型的面积统计的均是椭球面积，而不 是土地利用类型在地球表面的真实表面面积。
[0005] 由于地球表面高地起伏较大，导致地表表面面积与椭球面积会在山区和丘陵地区 会存在较大差异。例如，在地形起伏较大的山区可丘陵地区，地表表面面积与椭球面积相差 可达20%以上。椭球面积只是地物在地球椭球这一理论模型上的面积，地表面积才是地物 对象在地球表面的真实面积。因此，仅仅以地物的椭球面积来表示地物的面积是不能满足 资源调查（国土调查、林业调查）等实际应用的需要的。由此可见，利用区域地形起伏资料， 确定各类地物和要素在地球表面的表面面积是十分必要的。因此，在由国务院第一次地理 国情普查办公室主持的、于2013年-2015年开展的全国第一次地理国情普查与基本统计分 析中，已经正式将地表各类要素的地表表面面积计算作为正式的地理国情统计分析指标之 一（参考文献1 :国务院第一次全国地理国情普查领导小组办公室.地理国情普查基本统 计技术规定（⑶PJ02- 2013))。
[0006] (2)基于数字高程模型的地表表面面积提取方法
[0007] 在地理信息领域，目前用于地表表面面积的提取方法主要有以下几种：1)利用 区域数字高程模型OEM)构建区域的不规则三角网（TIN)，在此基础上叠加需要计算表面 面积的矢量多边形，由不规则三角网与多边形的叠加计算得到各多边形的表面面积；（参 考文献2:谢成磊，赵荣，梁勇.基于地理坐标的地理国情统计单元表面面积精确计算 [J].遥感信息，2014, 04:47-51. )2)直接基于数字高程模型数据构建规则三角网，在此基 础上叠加需要计算表面面积的矢量多边形，由规则三角网与多边形的空间位置关系，汇总 落入多边形内的空间三角形的面积得到各多边形的表面面积（参考文献3 :国务院第一 次全国地理国情普查领导小组办公室.⑶PJ 02-2013地理国情普查基本统计技术规定， 2013. 9.) ;3)基于相邻的4个DEM栅格像元，利用积分公式推算出由4个相邻像元构成的 区域的曲面面积，进而依据该曲面与多边形的空间位置关系，汇总落入多边形内的曲面面 积，从而得到多边形的表面面积（参考文献4:江帆，吕晓华，王仲兰.基于复化公式的 DEM表面积算法分析[J].测绘学院学报，2005, 04:263-265.)。4)利用DEM上3乘3的像 元窗口构建8个空间三角形，计算3*3区域内的中心像元区域的表面面积，进而利用栅格像 元与多边形进行叠加，汇总落入多边形内栅格像元值作为多边形的表面面积。（参考文献 5 :谢成磊，赵荣，梁勇.基于地理坐标的地理国情统计单元表面面积精确计算[J].遥感 信息，2014, 04:47-51.;参考文献 6 :Jenness, JS. Calculating landscape surface area from digital elevation models, WILDLIFE SOCIETY BULLETIN, 2004, 03, 829-839)
[0008] 上述四种方法中，方法1是目前应用最为广泛的方法，也是国际流行的地理信息 系统（GIS)软件ArcGIS中所使用的方法，其主要思路是，通过区域DEM构建不规则三角网， 以多个不规则的空间三角形来逼近地表的真实情况。区域地形越复杂，则三角形越密，地形 越平坦，则三角形越稀疏。计算多边形表面面积时，将不规则三角网与多边形叠加即可完成 表面面积的计算；其主要特点在于，利用TIN舍去了 DEM中无关紧要的栅格像元，可以用较 少的特征点表示出区域主要地形起伏特征，一定程度减少了空间三角形面积的计算量。然 而由DEM构建TIN的过程中，由于舍弃了所谓的无关紧要的栅格像元，会导致地表模型精度 的丢失，进而导致地表面积计算不准；另一方面，不规则三角网的构建需要基于投影坐标系 进行计算，即需要将经炜度坐标表示的椭球面投影为平面上以米为单位的X，Y坐标。由此 可见，椭球面上的几何对象经过投影后几何形状也会发生变化，进而导致地表表面面积的 计算结果也有可能存在误差。
[0009] 方法2是一种直接基于DEM构建规则三角网，进而计算多边形面积的方法。其主 要特点在于：直接基于大地坐标系下的DEM进行构建，没有精度损失；然而，在进行规则三 角网与多边形矢量叠加时，存在计算量较大等问题。
[0010] 方法3是一种直接基于DEM进而利用复化公式拟合曲面，进而计算多边形面积的 方法。其主要特点在于：精度较高，计算复杂，计算量大等问题，主要适合对小规模（多边形 个数少、或计算区域小）地表表面面积的确定。
[0011] 方法4也是一种直接基于DEM进而利用复化公式拟合曲面，进而计算多边形面积 的方法。其主要特点在于：精度较高，计算简单等优势。其中，参考文献4与参考文献5有 所差异。参考文献4可以直接利用大地坐标系进行计算，参考文献5则主要是针对平面直 角坐标系进行计算；参考文献4针对矢量和栅格叠加中产生的误差进行了进一步处理，然 而该方法较为复杂，增加了计算量。因而适合对小规模的（多边形个数少、或计算区域小） 地表表面面积的高精度计算需求，而对大规模（多边形数量达到10万个以上，或区域面积 达到1万平方公里以上）问题的求解存在计算时间长等不足，因而限制了其应用的范围。
[0012] 综上所述，本发明将针对已有方法存在的不足，综合各种方法的优势，发明一种基 于大地坐标系数字高程模型的地表表面面积提取技术方案，满足大规模地表表面面积测量 需求。
[0013] 为便于理解本发明技术方案，先解释本发明涉及的理论基础：
[0014] (1)地理信息中常用的几种坐标系统
[0015] 为了在三维空间中精确的描述地球表面有个点的位置，通常需要借助某种特定的 坐标系统得以完成。通常，常用的坐标系统主要可以分为3种：1)大地坐标系，即以经炜度 坐标表示某个点的位置，通常以（B，L，H)的方式进行表达，其中，B表示该点的炜度、L表示 该点的经度、H表示该点的高程（海拔）；大地坐标系中B，L的坐标单位为度，H的单位为米； 2)平面投影坐标系，在大地坐标系的基础上，通过使用某种投影方法（如等面积投影法、等 角度投影法或等距投影法），基于特定的中央经线或标准炜线将地球椭球面投影为平面，并 用平面直角坐标进行表示点的位置，如（X，Y，Z)，其中，X，Y表示该点相对于投影坐标原点 的偏移值，Z为该点的高程值。其中，Z只是平面直角坐标系中某点的特定属性特征值，不构 成坐标系中的一个维度。X，Y，Z的坐标单位均为米。3)空间直角坐标系，以地球中心为坐标 原点，以（X，Y，Z)的方式表述某点在空间直角坐标系中的位置。空间直角坐标系中，X，Y，Z 的单位均为米。三个坐标系之间可以通过地球参考椭球面参数（地球椭球的长轴、偏心率 等）互相转换和反算。
[0016] 上述坐标系中：1)在大地坐标系下，各个点的位置是直接基于经炜度坐标进行表 示，点的位置是精确、没有偏移和变形的；2)在投影坐标系下，各点的位置是一种平面位 置，依据投影方法的不同，投影前后的几何形状可能在角度、长度和面积等方面都产生一定 的变形和偏移；3)空间直角坐标系是一种三维坐标系，各点的位置由三维坐标系下的真实 的X，Y，Z坐标描述，没有因为投影带来的变化。三种坐标系中，大地坐标系和空间直角坐标 系表示的点位和几何形状是没有变形的，而基于平面直角坐标系的点位和几何形状是有变 形或偏移的。
[0017] ⑵数字高程模型
[0018] 数字高程模型（Digital Elevation Model)，简称DEM，通常利用栅格图像来表示 地球表面高程（也称为"海拔"）的高低起伏情况。栅格图像通常基于特定的地理坐标系统 进行存储，每个栅格根据其在地理坐标系统中的坐标号对应地球表面的某块特定的区域。 栅格的数值表示该区域的高程值。数字高程模型的基本思想是通过使用离散的、规则的网 格来逼近地表真实的地形高低起伏情况。DEM中，栅格像元的分辨率（栅格的大小）决定了 DEM的精度：通常栅格分辨率越高（栅格越小），则其精度越高，越能真实的逼近地表真实形 态；栅格分辨率越低（栅格越大），则其精度越低。栅格分辨率越高，则DEM的数据量越大， 由此产生的计算量也越大；反之，则数据量越小，计算量越小。在进行基于DEM的空间分析 时，通常需要根据计算结果的精度要求，在保证计算结果精度的前提下，选择合适分辨率的 DEM〇
[0019] (3)矢量数据与栅格数据
[0020] 矢量模型和栅格模型是GIS中表达地理空间对象的两种不同方式。在矢量模型 中，地理空间对象被抽象为多边形、线和点等不同形态的几何对象，并以精确的坐标存储结 合对象上各节点的信息；在栅格模型中，通常以离散的栅格像元及其属性值来表示地理对 象的空间分布特征。在GIS中，两种模型各有优劣：矢量模型能够非常精确的描述地理对象 的形状、边界、范围和位置，但基于矢量模型做空间运算时效率低下，计算量大；栅格模型不 能精确的描述地理对象的形状、范围、边界和位置，但在进行空间运算时计算效率高、计算 量小。