[00356286]高保真数字高程模型构建及应用技术研究

项目背景：中国测绘部门已经完成了多尺度DEM的建设。并在中国国民经济与国防建设中发挥着越来越重要的作用。但是，传统的栅格DEM虽能较好地反映山、丘地区连续变化的自然地形，但对于诸如坡面突变显著的复杂地形、经人工改造的梯田地形，以及受道路、堤坝、围堰、田坎等人工建筑物控制的平原河网地形，其对地形的描述往往产生较大的失真，给地形分析与工程应用带来很大困难。有效解决该问题，构建中国新一代的高保真DEM，不但是必要的，而且是非常迫切的。2011年，科技部通过国家863计划立项进行研究。研究工作首先认识到，DEM地形描述的失真，虽然有DEM的数据组织结构、采样技术方法以及模型构建方法局限，但栅格DEM难以有效凸显描述地形最为重要的地形特征要素(特征点、线、面)是问题的核心。高保真数字高程模型必须是通过保持重要的地形特征信息，在相当程度上克服了地形描述失真的DEM。研究借鉴面向对象技术，首次提出并实现了“特征嵌入式数字高程模型-F-DEM(FeaturesPreservedDEM)”，在维护DEM数据结构完整性、分析高效性的同时，通过对自然及人工地形特征线的有效嵌入，完成对传统DEM的完善与改造，通过构建自然连续变化地形与人工突变地形的一体化描述策略，实现了F-DEM“全局高效，局部保真”的地形高保真描述效果。2、研究内容及技术创新：2.1高保真DEM的机理研究研究了DEM地形描述误差与失真的主要原因，以及F-DEM提高地形保真性的机理；首次提出了基于DEM地形信息强度的DEM保真度量化指标。在该基础上，研究了以DEM地形描述保真性分析为核心内容的DEM质量分析新方法，完善了数字地形建模的质量控制及精度评定的理论与方法。首次提出并实现了基于DEM地形信息强度的DEM地形简化理论与方法，在多尺度DEM快速构建上取得突破。2.2F-DEM构建关键技术研究提出了F-DEM的数据组织方案，解决了高保真DEM构建中存在的渐变地形与突变地形一体化建模与数据组织难题；提出了“矢量化模拟，栅格化组织”的F-DEM数据组织模式，有效实现了地形矢量特征和栅格数据的融合中，既可单独存在，也可与已有的DEM兼容的目标；提出并建立了特征地形信息采样点布设规则、基于点群数据的地形特征提取模型、顾及局部地形曲面差异特征的F-DEM分区内插模型等高保真DEM构建新技术；采用面向对象的组件式开发技术，开发了F-DEM原型系统，实现了F-DEM的快速构建。2.3F-DEM在特殊地貌区的应用实证研究以地形复杂的黄土丘陵沟壑区以及地形平坦的江南平原河网地区进行深入的实证研究，解决了基于F-DEM对黄土地貌沟沿线等地形特征线的嵌入、对梯田等人工地形的表达，以及F-DEM在平原河网地区应用所存在的难点问题。成为研究成果的一大亮点。3、成果效益与影响：该项目研究申请国家发明专利2项(已授权1项)、软件著作权5项；在德国SpringerPress出版研究专著1部《AdvancesInDigitalTerrainAnalysis》，发表研究论文20余篇(其中14篇被SCI、EI收录)；完成培养博士研究生3名(其中一篇获省部级优秀博士论文奖)，培养硕士研究生5名；成果已在黄土小流域治理、江南平原河网地区洪水淹没分析、国家土地资源二调等项目中取得良好应用效果。F-DEM的初步应用已经显示其作为新一代高保真DEM的实用价值。F-DEM在黄土高原水土保持工作上的应用，解决了传统DEM较难反映黄土地貌最重要的地形特征线-沟沿线、无法反映坡面修筑的梯田等问题，大大提高了流域数字化描述的精度，有利于小流域水土流失监测及水土保持规划工作的开展，该成果得到黄委会水土保持管理等部门的普遍好评并得以推广应用；在江南平原河网地区，F-DEM通过对地形有重要控制作用的道路、堤坝、围堰、田坎等特征地形的嵌入改造，不仅改善了传统DEM难以反映平原区地形的难题，而且基于F-DEM衍生的一套创新的数字地形分析方法，大大改善了平原河网地区洪水模拟效果，产生显著的社会经济效益。具不完全统计，为相关应用单位新增经济效益约500万元。该项目提出的高保真DEM的新理论、技术与方法体系，进一步完善与发展了GIS中数字地形建模的理论与方法，其中，矢量地形特征与栅格DEM的融合方法，不仅在一定程度上解决了突变地形与渐变地形的一体化建模难题，对矢量地理空间数据与格网DEM的有效融合也提供了可借鉴的模式。F-DEM以全局高效、局部保真的典型特色，重点解决了复杂地貌区DEM建设中存在的问题，有效提高了中国各级比例尺DEM的质量与实用性；F-DEM作为数字高程模型的一种新的数据结构与应用，很好的提升了DEM的实用性，研究成果也为中国下一代DEM的构建奠定了重要的理论与方法基础，对于地理信息科学与产业的发展有着深远影响。