[摘要]本文以利用南方CASS进行扫描地形图规则DEM制作的流程为主，同时讨论：原有纸质地形图高分辨扫描方法及扫描质量评定；利用南方CASS扫描地形图纠正方法及纠正精度的评定；利用南方CASS制作标准DEM格网的方法及格网平面精度的评定；基于距离加权平均值法研究DEM格网点高程赋值的方法及DEM精度评定；基于构三角网法DEM高程点自动高程赋值的方法及DEM精度评定。
[关键词]数字高程模型 图像扫描 图像纠正 DEM格网 精度评定 DEM产品
1概述
DEM是对地球表面的数字表达，它弥补了等高线的不足，既能表示地面连续的起伏变化，又适合作相应的数学分析和模拟。它是多学科交叉与渗透的高科技产物，在测绘、资源与环境、灾害防治、国防等与地形分析有关的科研及国民经济各领域中发挥着越来越重要的作用。正是由于DEM具有广泛的应用价值，而且DEM质量的优劣直接影响到地理信息系统各种分析结果的准确性，所以在建立和应用DEM中，必须尽量准确、客观地反映地形表面的起伏变化。
DEM的数据源和数据获取方式对于DEM的最终质量至关重要。DEM原始数据主要是高程和平面位置数据，在可能条件下还应包括各种地形结构线如山谷线、山脊线、断裂线等。另外，DEM应用目的、数据采集效率和成本、技术熟练程度也影响着DEM数据采集的方法和策略。
目前，DEM的数据主要来源于原有地形图、摄影测量与遥感影像数据、地面测量、原有DEM数据成果等。原有纸介质地形图通过扫描矢量化、制作大比例尺DEM经过研究是可行的，利用南方CASS进行扫描地形图DEM制作的流程。
本文以利用南方CASS进行扫描地形图DEM制作的流程为主，同时讨论：原有纸质地形图高分辨扫描方法及扫描质量评定；利用南方CASS扫描地形图纠正方法及纠正精度的评定；利用南方CASS制作标准DEM格网的方法及格网平面精度的评定；基于距离加权平均值法研究DEM格网点高程赋值的方法及DEM精度评定；基于构三角网法DEM高程点自动高程赋值的方法及DEM精度评定。
2纸介质地形图准备工作
2.1扫描原图要求
根据《1：500 1：1000 1：2000地形图数字化规范》（GBT 17160-2008），扫描原地形图一般应该为聚酯薄膜图，其变形应该小于千分之0.2。若采用纸质图，根据用户需要精度可适当放宽，但变形要均匀，经过仿射变换处理后应该能达到相应的精度要求。扫描原图精度具体要求，图廓边长误差≤0.2mm；图廓对角线误差≤0.3mm；公里网点间距误差≤0.2mm。同时应保证扫描原图上的地理要素清晰、正确、图面整洁。
2.2扫描前准备工作
扫描数字化的前期准备工作主要包括：根据技术设计书，全面了解测区情况，如扫描原图的比例尺、等高距、四周接边情况以及作业时应该注意的事项；检查扫描原地形图是否符合要求，特别注意对图廓边长的检查，以保证扫描后地形图影像的精度；检查数据采集所需的软件是否安装齐备；准备好作业过程中所需资料以及生僻字登记簿。
2.3扫描原图图面预处理
在原地形图扫描前，应对图面进行预处理，预处理主要包括：检查要扫描的原地形图与相邻图幅的接边情况；线状要素的连续性，如道路、河流、境界的走向，名称、等级是否一致，等高线是否连续等；面状地物如水域、植被、房屋以及大型工矿建筑物等是否闭合。发现问题应该作处理并做记录。根据需要添补不完整的线划。对图上没有明确界线的面状要素部分，应该加绘其概略范围线，如复合植被、土质类别、沼泽、水中滩等。如果扫描原地形图不整洁，线划、注记不清晰，可进行补修或者重新标描。
2.4属性数据预处理
属性数据预处理主要包括：对于图上不易区分的要素类别和属性应该在预处理图上标识出来，如标明同一线状地物属性变化和具有多重属性的地物编码等；检查扫描原图中各个要素信息是否完整（如行政区划名称、公路名称和编号等），如果不完整，则应该根据含有该要素信息的相邻图幅补充要素信息。
3原图扫描与检查
通过扫描仪将纸介质地形图扫描为栅格数据结构存放到计算机中，扫描分辨率不应低于12点/mm（300dpi）。
扫描完成后，应及时检查如下内容：
（1）栅格图像分辨率是否达到300dpi。标准图幅（50×50）扫描后图像宽度应不低于10680像素，高度应不低于7052像素，水平分辨率应不低于300dpi，垂直分辨率应不低于300dpi，位深度应不低于8；
（2）清晰程度，扫描图像应清晰，地物等点、线、面状物应明显；
（3）错位情况，扫描图像应无错位情况；
（4）完整程度，扫描图像应百分之百完整。
4扫描图图像纠正
利用南方CASS图像插入功能将扫描地形图图像插入至CASS中，利用图像纠正功能进行图像的定位、定向与尺度匹配，然后进行图像纠正精度评定。
CASS扫描地形图纠正的技术要求
4.1图像纠正技术要求
栅格数据图像纠正一般采用内图廓四个角点坐标进行图像纠正，如果四个角点不能满足精度要求，则需要进行公里格网逐个点的纠正，纠正后的栅格数据平面精度应满足规定。定向后的栅格数据图廓点与理论图廓点误差应该不大于一个像素。
4.2图像纠正精度评定
图像纠正精度应采用坐标差法评定，即在纠正后的图像上采集各坐标格网点的坐标，计算采集的坐标与坐标格网点理论坐标之差，得到各坐标格网点的ΔX、ΔY，并求得各坐标格网点的ΔS，利用公式4-1计算坐标格网点的纠正点位中误差 经统计计算的M△S值应不小于相应比例尺图上0.2mm，超过时应重新进行图像纠正，直至符合该要求为止。
5 DEM标准格网生成
数字高程模型是在二维空间上对三维地形的描述，也就是说，它首先研究区域在二维平面上进行格网划分，格网的大小一般取决于DEM的应用目的，形成覆盖整个区域的格网空间结构；然后利用分布在格网点周围的地形采样点内插计算格网点的高程值，最后按一定的格式输出，形成该地区的格网DEM。
根据DEM成图的要求，利用CAD命令或CAD VBA程序生成标准的DEM格网，CAD生成的DEM格网是严格按要求的间距完成的，不需要检查。
6 DEM标准格网点高程赋值
DEM标准格网点高程赋值可以根据扫描的地形图信息赋值，通常有两种方法，即距离加权平均值法、三角网法，下面简要介绍这两种方法。
6.1距离加权平均值法
距离加权平均值法属于逐点内插法，即以DEM格网点为中心，确定一个领域范围，用落在领域范围内的采样点计算DEM格网点的高程值，该法由于内插效率较高而成为目前DEM生产中常采用的方法。该方法原理如下：
设DEM格网点至周围原图高程点或等高线的距离（最短距离）为D1、D2、D3…Dn，采样点的高程为H1、H2、H3…Hn，其权为P1P2P3…Pn，权Pi按式6-1计算
距离加权平均值法基本步骤为：
（1）选定DEM格网点，定义内插DEM格网点的领域范围，领域范围至少应包含三个以上原图高程点；
（2）确定落在领域内的采样高程点，原图采样高程点应具有代表意义，即应符合领域地形特征，如DEM格网点落在坎上附近，原图采样高程点不能选择坎下高程点，因为不具有地形代表性。
（3）通过领域内选定的采样高程点，根据公式6-1、6-2计算内插DEM格网点的高程。
距离加权平均值法数学模型简单，适宜于CAD VBA编程计算，并能实现自动注记到南方CASS图形中。
6.2构三角网法
利用南方CASS软件提供的“建立DTM”功能，利用高程数据建立DTM（三角网），再利用南方CASS软件提供的“查询指定点高程”功能，即可得到DEM格网点的高程，具体操作步骤如下：
（1）采集扫描地形图上的原高程点，图幅边缘缺少原高程点时应根据等高线内插，使采集的原高程布满整个图幅，并形成相应的高程数据文件。利用南方CASS软件“建立DTM”功能构建三角网，对建立的三角网进行处理。
（2）利用南方CASS软件的“查询指定点高程”功能，查询DEM格网点的高程，直接在CASS上注记DEM格网点高程，并形成高程数据文件。
（3）检查自动生成的DEM格网点高程是否与原地形图有冲突，误差较大时应进行人工修改DEM格网点高程。
7 DEM格网检查
DEM格网检查应包括如下内容：
（1）位置精度和属性精度检查：属性精度，完整性和逻辑一致性检查；位置精度和属性代码，可以通过南方CASS软件对矢量数据属性进行符号化和注记，检查其正确性。
（2）生成TIN：检查生成TIN是否采用了规定的数据内容；检查生成TIN时使用的各种参数是否合理和正确；检查TIN是否覆盖整个图幅范围，并向图廓外适当延伸；对 TIN进行检验，发现粗差的地方和不合理的地方退回上一步，修改矢量数据。
（3）生成DEM：检查生成DEM的内插模型；检查DEM数据起止点坐标的正确性；检查高程值有效范围区是否正确；检查DEM是否存在不平滑的地方需要编辑处理；检查DEM是否有粗差，有则退上一步修改；检查元数据文件是否正确。
主要检查方法：将DEM按高程分层设色，与等高线和扫描影像叠加显示或绘图输出检查，或将DEM生成的三维晕渲图与等高线叠加检查。
（4）DEM编辑：检查DEM数据中存在的不平滑现象是否彻底编辑干净和合理。
8结论
本文简要论述了利用南方CASS进行扫描地形图规则DEM制作的主要流程，通过实践检验论证了利用南方CASS进行大比例尺扫描地形图规则DEM制作的可行性、可靠性，重点阐述了DEM格网高程赋值的两种方法及步骤，距离加权平均值法精度较高，但南方CASS软件中没有该功能，需要CAD二次开发编程实现；构三角网法依据南方CASS软件开发的功能，操作简单、便捷、快速，但DTM建立受扫描原图高程精度的制约，内插DEM格网点高程在地形复杂时需要人为修改量较大。
参考文献
[1]李志林，朱庆.数字高程模型.武汉：武汉大学出版社，2003.
[2]汤国安，刘学军，闾国年.数字高程模型及地学分析的原理与方法.北京：科学出版社，2005.
[3]《1：500 1：1000 1：2000地形图数字化规范》GBT 17160-2008.
[4]《基础地理信息数字产品 110000 150000 生产技术规程 第2部分：数字高程模型（DEM）》CHT 1015.2-2007.
[5]牛志宏，李太星.数字高程模型误差分析及精度评价述评.长江工程职业技术学院学报，2007.03.
[6]王家耀，崔铁军，苗国强.数字高程模型及其数据结构.海洋测绘，2004.03.
[7]张荣群，武晋.数字高程模型DEM的建立与应用.计算机与农业，2000.06.
[8]胡鹏，吴艳兰，胡海.数字高程模型精度评定的基本理论.地球信息科学，2003.03.
[9]黄健.数字高程模型的质量检查.测绘通报，2002.02.
[10]张前勇，鲁胜平，徐伟声.地形图扫描数字化成图过程及相关问题探讨，2001.
[11]马春艳.基于CASS软件的地籍图矢量化的应用与实现.安徽农业科学，2008.
[关键词]数字高程模型 图像扫描 图像纠正 DEM格网 精度评定 DEM产品
1概述
DEM是对地球表面的数字表达，它弥补了等高线的不足，既能表示地面连续的起伏变化，又适合作相应的数学分析和模拟。它是多学科交叉与渗透的高科技产物，在测绘、资源与环境、灾害防治、国防等与地形分析有关的科研及国民经济各领域中发挥着越来越重要的作用。正是由于DEM具有广泛的应用价值，而且DEM质量的优劣直接影响到地理信息系统各种分析结果的准确性，所以在建立和应用DEM中，必须尽量准确、客观地反映地形表面的起伏变化。
DEM的数据源和数据获取方式对于DEM的最终质量至关重要。DEM原始数据主要是高程和平面位置数据，在可能条件下还应包括各种地形结构线如山谷线、山脊线、断裂线等。另外，DEM应用目的、数据采集效率和成本、技术熟练程度也影响着DEM数据采集的方法和策略。
目前，DEM的数据主要来源于原有地形图、摄影测量与遥感影像数据、地面测量、原有DEM数据成果等。原有纸介质地形图通过扫描矢量化、制作大比例尺DEM经过研究是可行的，利用南方CASS进行扫描地形图DEM制作的流程。
本文以利用南方CASS进行扫描地形图DEM制作的流程为主，同时讨论：原有纸质地形图高分辨扫描方法及扫描质量评定；利用南方CASS扫描地形图纠正方法及纠正精度的评定；利用南方CASS制作标准DEM格网的方法及格网平面精度的评定；基于距离加权平均值法研究DEM格网点高程赋值的方法及DEM精度评定；基于构三角网法DEM高程点自动高程赋值的方法及DEM精度评定。
2纸介质地形图准备工作
2.1扫描原图要求
根据《1：500 1：1000 1：2000地形图数字化规范》（GBT 17160-2008），扫描原地形图一般应该为聚酯薄膜图，其变形应该小于千分之0.2。若采用纸质图，根据用户需要精度可适当放宽，但变形要均匀，经过仿射变换处理后应该能达到相应的精度要求。扫描原图精度具体要求，图廓边长误差≤0.2mm；图廓对角线误差≤0.3mm；公里网点间距误差≤0.2mm。同时应保证扫描原图上的地理要素清晰、正确、图面整洁。
2.2扫描前准备工作
扫描数字化的前期准备工作主要包括：根据技术设计书，全面了解测区情况，如扫描原图的比例尺、等高距、四周接边情况以及作业时应该注意的事项；检查扫描原地形图是否符合要求，特别注意对图廓边长的检查，以保证扫描后地形图影像的精度；检查数据采集所需的软件是否安装齐备；准备好作业过程中所需资料以及生僻字登记簿。
2.3扫描原图图面预处理
在原地形图扫描前，应对图面进行预处理，预处理主要包括：检查要扫描的原地形图与相邻图幅的接边情况；线状要素的连续性，如道路、河流、境界的走向，名称、等级是否一致，等高线是否连续等；面状地物如水域、植被、房屋以及大型工矿建筑物等是否闭合。发现问题应该作处理并做记录。根据需要添补不完整的线划。对图上没有明确界线的面状要素部分，应该加绘其概略范围线，如复合植被、土质类别、沼泽、水中滩等。如果扫描原地形图不整洁，线划、注记不清晰，可进行补修或者重新标描。
2.4属性数据预处理
属性数据预处理主要包括：对于图上不易区分的要素类别和属性应该在预处理图上标识出来，如标明同一线状地物属性变化和具有多重属性的地物编码等；检查扫描原图中各个要素信息是否完整（如行政区划名称、公路名称和编号等），如果不完整，则应该根据含有该要素信息的相邻图幅补充要素信息。
3原图扫描与检查
通过扫描仪将纸介质地形图扫描为栅格数据结构存放到计算机中，扫描分辨率不应低于12点/mm（300dpi）。
扫描完成后，应及时检查如下内容：
（1）栅格图像分辨率是否达到300dpi。标准图幅（50×50）扫描后图像宽度应不低于10680像素，高度应不低于7052像素，水平分辨率应不低于300dpi，垂直分辨率应不低于300dpi，位深度应不低于8；
（2）清晰程度，扫描图像应清晰，地物等点、线、面状物应明显；
（3）错位情况，扫描图像应无错位情况；
（4）完整程度，扫描图像应百分之百完整。
4扫描图图像纠正
利用南方CASS图像插入功能将扫描地形图图像插入至CASS中，利用图像纠正功能进行图像的定位、定向与尺度匹配，然后进行图像纠正精度评定。
CASS扫描地形图纠正的技术要求
4.1图像纠正技术要求
栅格数据图像纠正一般采用内图廓四个角点坐标进行图像纠正，如果四个角点不能满足精度要求，则需要进行公里格网逐个点的纠正，纠正后的栅格数据平面精度应满足规定。定向后的栅格数据图廓点与理论图廓点误差应该不大于一个像素。
4.2图像纠正精度评定
图像纠正精度应采用坐标差法评定，即在纠正后的图像上采集各坐标格网点的坐标，计算采集的坐标与坐标格网点理论坐标之差，得到各坐标格网点的ΔX、ΔY，并求得各坐标格网点的ΔS，利用公式4-1计算坐标格网点的纠正点位中误差 经统计计算的M△S值应不小于相应比例尺图上0.2mm，超过时应重新进行图像纠正，直至符合该要求为止。
5 DEM标准格网生成
数字高程模型是在二维空间上对三维地形的描述，也就是说，它首先研究区域在二维平面上进行格网划分，格网的大小一般取决于DEM的应用目的，形成覆盖整个区域的格网空间结构；然后利用分布在格网点周围的地形采样点内插计算格网点的高程值，最后按一定的格式输出，形成该地区的格网DEM。
根据DEM成图的要求，利用CAD命令或CAD VBA程序生成标准的DEM格网，CAD生成的DEM格网是严格按要求的间距完成的，不需要检查。
6 DEM标准格网点高程赋值
DEM标准格网点高程赋值可以根据扫描的地形图信息赋值，通常有两种方法，即距离加权平均值法、三角网法，下面简要介绍这两种方法。
6.1距离加权平均值法
距离加权平均值法属于逐点内插法，即以DEM格网点为中心，确定一个领域范围，用落在领域范围内的采样点计算DEM格网点的高程值，该法由于内插效率较高而成为目前DEM生产中常采用的方法。该方法原理如下：
设DEM格网点至周围原图高程点或等高线的距离（最短距离）为D1、D2、D3…Dn，采样点的高程为H1、H2、H3…Hn，其权为P1P2P3…Pn，权Pi按式6-1计算
距离加权平均值法基本步骤为：
（1）选定DEM格网点，定义内插DEM格网点的领域范围，领域范围至少应包含三个以上原图高程点；
（2）确定落在领域内的采样高程点，原图采样高程点应具有代表意义，即应符合领域地形特征，如DEM格网点落在坎上附近，原图采样高程点不能选择坎下高程点，因为不具有地形代表性。
（3）通过领域内选定的采样高程点，根据公式6-1、6-2计算内插DEM格网点的高程。
距离加权平均值法数学模型简单，适宜于CAD VBA编程计算，并能实现自动注记到南方CASS图形中。
6.2构三角网法
利用南方CASS软件提供的“建立DTM”功能，利用高程数据建立DTM（三角网），再利用南方CASS软件提供的“查询指定点高程”功能，即可得到DEM格网点的高程，具体操作步骤如下：
（1）采集扫描地形图上的原高程点，图幅边缘缺少原高程点时应根据等高线内插，使采集的原高程布满整个图幅，并形成相应的高程数据文件。利用南方CASS软件“建立DTM”功能构建三角网，对建立的三角网进行处理。
（2）利用南方CASS软件的“查询指定点高程”功能，查询DEM格网点的高程，直接在CASS上注记DEM格网点高程，并形成高程数据文件。
（3）检查自动生成的DEM格网点高程是否与原地形图有冲突，误差较大时应进行人工修改DEM格网点高程。
7 DEM格网检查
DEM格网检查应包括如下内容：
（1）位置精度和属性精度检查：属性精度，完整性和逻辑一致性检查；位置精度和属性代码，可以通过南方CASS软件对矢量数据属性进行符号化和注记，检查其正确性。
（2）生成TIN：检查生成TIN是否采用了规定的数据内容；检查生成TIN时使用的各种参数是否合理和正确；检查TIN是否覆盖整个图幅范围，并向图廓外适当延伸；对 TIN进行检验，发现粗差的地方和不合理的地方退回上一步，修改矢量数据。
（3）生成DEM：检查生成DEM的内插模型；检查DEM数据起止点坐标的正确性；检查高程值有效范围区是否正确；检查DEM是否存在不平滑的地方需要编辑处理；检查DEM是否有粗差，有则退上一步修改；检查元数据文件是否正确。
主要检查方法：将DEM按高程分层设色，与等高线和扫描影像叠加显示或绘图输出检查，或将DEM生成的三维晕渲图与等高线叠加检查。
（4）DEM编辑：检查DEM数据中存在的不平滑现象是否彻底编辑干净和合理。
8结论
本文简要论述了利用南方CASS进行扫描地形图规则DEM制作的主要流程，通过实践检验论证了利用南方CASS进行大比例尺扫描地形图规则DEM制作的可行性、可靠性，重点阐述了DEM格网高程赋值的两种方法及步骤，距离加权平均值法精度较高，但南方CASS软件中没有该功能，需要CAD二次开发编程实现；构三角网法依据南方CASS软件开发的功能，操作简单、便捷、快速，但DTM建立受扫描原图高程精度的制约，内插DEM格网点高程在地形复杂时需要人为修改量较大。
参考文献
[1]李志林，朱庆.数字高程模型.武汉：武汉大学出版社，2003.
[2]汤国安，刘学军，闾国年.数字高程模型及地学分析的原理与方法.北京：科学出版社，2005.
[3]《1：500 1：1000 1：2000地形图数字化规范》GBT 17160-2008.
[4]《基础地理信息数字产品 110000 150000 生产技术规程 第2部分：数字高程模型（DEM）》CHT 1015.2-2007.
[5]牛志宏，李太星.数字高程模型误差分析及精度评价述评.长江工程职业技术学院学报，2007.03.
[6]王家耀，崔铁军，苗国强.数字高程模型及其数据结构.海洋测绘，2004.03.
[7]张荣群，武晋.数字高程模型DEM的建立与应用.计算机与农业，2000.06.
[8]胡鹏，吴艳兰，胡海.数字高程模型精度评定的基本理论.地球信息科学，2003.03.
[9]黄健.数字高程模型的质量检查.测绘通报，2002.02.
[10]张前勇，鲁胜平，徐伟声.地形图扫描数字化成图过程及相关问题探讨，2001.
[11]马春艳.基于CASS软件的地籍图矢量化的应用与实现.安徽农业科学，2008.
