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等高线地图&DEM闲谈~~~~~~读完收获不少

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Magical茏 发表于 2013-12-6 15:22:07 | 显示全部楼层 | 阅读模式
本帖最后由 Magical茏 于 2013-12-6 17:20 编辑

本贴转自磨坊工兵pro 的一片文章,受益颇多~







首先声明,本人并非专业人士,以下只是个人道听途说和一些肤浅的见解,发在这里希望能起到抛砖引玉的效果,错谬之处难免,还望有识者指正

从历史走来-等高线地图

登山活动要想计划周密安全,通常少不了对地形的了解。传统上等高线地图是最常用的地形描述工具,等高线地图的制作办法从18世纪开始在欧洲萌芽,首先使用三角测量法选取重点的代表性地点,如山顶,按照逐步递推的办法,测出其经纬度和高程(从已知点推旁边的未知点),这些点构成所谓的大地测量控制点,大家经常在山顶上看到的军区的三角水泥桩就是。(我国三角点约有15万个,耗费的人力可想而知)
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我国的测绘人员(他们可能算是国内最早的户外人士了,50-60年代勘探,交通,设备条件差,非常的辛苦)
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温家宝总理就是当年地质队的一员

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美国地质调查局测绘人员在控制点测量(美帝十分奢侈,60年就用上了直升机,所以他们测得快)

仅有这些孤立的点,当然还不够把整个地区的等高线画出来。靠测绘队员去每个点都测一遍显然不太现实,通常的做法是派出飞机用特种相机(据说要2百万一个)进行航拍
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利用不用角度拍到的同一地区的照片在地面上用一种立体成像的光学仪器(stereoscopic projector)显示出来,绘制等高线,以前这套东西要靠人工肉眼来做
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上图为美国地质调查局的工作人员在使用立体投影仪处理地图

绘制中还会加入仅靠等高线无法表达的地貌特征,比如悬崖,山顶,河流,公路,建筑物,植被,居民地,这都要靠人工现场测绘和判断才能完成。
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上图为在已经画好的等高线上加上标注

等高线容易理解,对常见地形的表述也不错——至少对有经验的人是这样,他非常容易印刷在平面媒体上,如果加上彩色和阴影渲染,直观性还可以提高。
传统上的制图方法,人力消耗极大,制图周期长(4-5年),像我国和美国这样面积广大的国家,在5,60年代时代测绘人员数以千计,并消耗大量资金(我国的西部测图工程每张1:50000的图预算耗资30万RM。地图难以更新。所以在美国地质调查局,传统的做法已经被基本废弃

现在是基于计算机的地理信息系统(GIS)大行其道的时代, 等高线地图开始暴露出弱点来,因为本质上它是光栅图像,计算机很难直接使用,即使做了等高线矢量化,从中抽取信息也非常不便,有了需求,自然会有新的解决办法。

数字时代的地形描述-DEM
数字高程模型(Digital Elevation Model)记录地形是另一套思路,在DEM中,不再有线的概念,只有一个一个的地理点,这些点在地理上可以是均匀如网格分布的,比如SRTM,也可以是不均匀分布的,据说我国的就是,DEM中记录的是每个点的经纬度和海拔高度。

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欧洲航天局分色渲染的全球DEM地图(白色海拔最高)

DEM和等高线图形比起来非常便于计算机处理,有现成的算法可以在DEM上生成等高线图,坡度图,甚至结合航拍图像完成三维地形可视化(最常见的例子就是google earth), 使用和显示方式的灵活性是等高线模型完全无法抗衡的。在军事领域,这个好处不是一般的明显,战斧巡航导弹的数字地形匹配,直升机的自动地形警示系统,听上去很神,其实就是靠内置的DEM数据库实时查询完成的。
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战斧巡航导弹配备的TERCOM(地形轮廓匹配)系统示意图

GIS领域一个相当热门的专题就是怎样将已经有的等高线地图库转换为DEM数据(我国的基础DEM大概就是这么处理出来的)。

现在有了GPS和计算机,飞机甚至可以飞越一次就能依靠GPS坐标点和摄像机或激光雷达直接完成地形的测绘。精度可以达到米一级。
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图:机载激光雷达(LIDAR),装载激光测距仪的飞机飞过一个地区就可以采集到地形信息,这个地区DEM/等高线地图甚至可以不下飞机就得到

传统的三角形网还是有用的,只是已经不一定要用经纬仪,如果要求不是特别高,可以用GPS确定点位坐标
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图为勘探人员扛着Trimble的GPS这玩意儿不大受气候,地形影响,节约人力,效率高,所以国家测绘局也用这个

我国2006年完成的西部测图工程(完成传统办法难以完成的青藏高原,塔里木盆地的1:50000地形图)使用了欧洲的SPOT5卫星测得的DEM数据结合GPS地面控制点来生成等高线地图。这也是未来的趋势,即以DEM作为地形的元数据,而等高线地图,如果需要,随时可以从DEM数据生成。

我们的困境-地图在哪里?
很多户外玩的时间长的人也非常坚定的相信等高线地图是最好的地形图。对于登山运动来说,如果有很好的等高线地图,比如1:25000的大比例尺地图,一般情况下也确实够用了,遗憾的是,由于我国技术力量和保密制度的约束,1:25000的全国范围等高线图不存在,1:50000的等高线地图属于机密,即使是1:200000的地形图也是秘密,所以广大山友只能看着大洋彼岸的美帝满大街的全国1:24000公开地形图流流口水。

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我国的1:25000地形图覆盖范围(来源:国家测绘局),可以看出,基本不覆盖山区

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美国标准的USGS 1:24000地图样例---不要钱,免费下载

我国建国以后的测绘工作首先得到了苏联专家的技术援助,负责培训的苏联飞机和飞行员直接参加了测绘,所以苏联手中有中国的详细地形图并不奇怪

819枪没有响,苏联轰然倒台,其中的一大后果就是苏联红军几十年苦心经营的全球等高线地图库被以吨计成批的贩卖出境,经扫描后在网上公开出售或免费下载,其中就包括了覆盖我国大部分地区的1:100000等高线图,在中苏边境地区,还有1:50000的精品,只是免费的1:100000地图似乎只限于新疆边境地区,内地的1:100000得花美刀去买,就算你舍得买,详细程度也还是不够让人满意,满眼的俄文也是个头疼问题。
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苏联1:100000地形图样例(新疆喀纳斯)
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苏联1:50000地形图样例(新疆白湖)
免费的内地1:200000地图上的山实在粗略,俺目前发现的唯一用途是能看到溪流和一些当地村民也已不大使用的古老山路。
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苏联1:200000地形图样例(东天目)

苏联地图非常难得,为了确定它是不是够准确,我们的日本友人出动了
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图为在新疆和田抓获的日本非法测绘人员(日本国土情报技术研究所所长大林成行和他的学生),他们正使用GPS校准手上的俄文1:100000地形图,完成了6个点的定位


被迫先进了一把-SRTM

也算是天无绝人之路,2000年2月,美国派出奋进号航天飞机,装载先进的合成孔径雷达,经过11天飞行,一次性完成了几乎覆盖全球的高程测绘,数据经过处理后,全球海拔数据在NASA的网站上可以公开下载,抛开美帝这背后邪恶的全球野心不说,这确实算是前无古人的伟大技术成就。这次任务被称为SRTM(Shutter Radar Topograph Mission),因此大家一般就把这份公开数据也称作SRTM. 这份数据绝大部分是90米分辨率,也就是说地面上间距90米才有一个数据点,不过这已经比以前美国地质调查局公布的全球GTOPO30 DEM数据精度高的太多了(1公里一个点)

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Smithsonian’s Udvar-Hazy Air and Space博物馆展出的SRTM使用的雷达天线,折叠梯状的支架可伸长至60米
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SRTM C波段数据覆盖的范围,除去红色和黑色,全都有

SRTM本来应该是专业地理信息工作者有兴趣的东西,但是国内搞不到地形图的广大山友很快就发掘出了他的业余用法:生成等高线地图,比如用最常见的GlobalMapper就可以处理,再加上来源神秘的china.name中国60万地名库(错误百出)和其他来源的政区矢量地图叠加在一起,手工编辑一番,现在网上主要的等高线地形图就是这么出来的。说起来大部分人想要的是50年代水平的等高线地图,却别无选择用上了21世纪水平的DEM,被迫先进了一把。
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这是一个SRTM生成的地图例子



90米的采样间隔说起来还是挺让人遗憾的,用他生成的地图去山上现场对照过的兄弟应该都深有体会:局部小的地形变化。比如很小的山峰是体现不出来的。NASA后来又公开了北美的30米分辨率SRTM数据。美国地质调查局有10m分辨率的全美DEM(NED)可以免费下载(来源复杂,大部分可能用老的航拍照片处理出来的),日本也早就有了商业可用的全国50米分辨率DEM数据(靠矢量化1:25000的地图得到)。比90米数据的强得太多了,国家测绘局似乎也有40米的中国DEM数据,不过那个保密级别比1:50000比例尺地形图还要高上一级(绝密),所以业余人士就不要妄想能搞到了,泄漏了要蹲大牢的。我看过一些论文中的10米分辨率DEM渲染出的三维地形,那口水哗哗的。可是羡慕归羡慕,现在能公开搞到的质量最好的中国高程数据就是90米水平的,好坏都只能用它。
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这是AeroMetric公司用机载激光雷达(LIDAR)得到的DEM数据,每棵树的树顶都清晰可辨

SRTM的潜力
有朋友会问了,这SRTM数据是90米的间距,这中间的90米空白等高线是怎么生成的呢?答案是插值(interpolation),也就是根据周围的那些点的数值推算出空白点的值,这个算法作用上和photoshop里放大一张照片是一样的,只是实际的算法会有很多变数。

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插值示意图,左边是原始的DEM数据,右边是插值得到的更“致密”的数据
(摘自http://www.geovista.psu.edu/sites/geocomp99/Gc99/082/gc_082.htm

如果把SRTM看成是对地球外轮廓的模拟-数字变换,那么传统上数字信号处理算法原则也适用于DEM数据的插值,插值算法说起来有两大分支,一支依据是经典的数字信号重采样(resampling),这套算法建立在整个电子信息学的基础上,适用于任何数据(这里不严谨一点)。一支是基于模型的插值算法(model based interpolation),适用于有先验知识的数据。这里只讨论第一种,将DEM数据看作是二维空间采样信号,地形在短距离内的剧烈变化在DEM数据中其实就是高频信号,Nyquist采样定理告诉我们,90米分辨率的SRTM他能包含的信号周期不能短于180米,插值的主要任务就是尽可能的保存信号中的高频分量,做一下数据处理会发现,用很高阶插值得到的SRTM等高线地图的细节要明显强于GlobalMapper生成的等高线,更强于google map生成的等高线。总体接近于1:100000地形图的细节水平。
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左:二阶线性插值 右:四阶立方插值 ,右边的当然更接近自然的山体轮廓

有些朋友不信任SRTM插值得到的等高线,认为不过是一种估计,用什么算法都一样,对此我不能同意,我更相信SRTM的潜力还有挖掘的余地。即使高阶FIR插值的潜力挖光了,加入基于模型的插值算法仍然可能显著提高SRTM插值数据的逼真程度,有人研究过Kriging插值和bicubic插值(4阶曲线插值,就是photoshop, ACDSee中缩放图片的算法)处理SRTM 90m数据,结果与同一地区的真实SRTM 30m数据比较,Kriging插值较优。

  按照国家测绘规划,25m间隔DEM的全国基础库已经建起来了,不过就我在国家测绘局网站上看到的信息,这些测绘成果是靠现有的1:50000地形图等高线矢量化线性内插得到的,唉,什么都不说了

  举例而言,google earth中的高程数据就是明显的2阶线性插值,这是传统上基于三角形的3维物体渲染算法决定的,如果使用高阶曲面渲染取代,GE地形显示效果将会有重大的提升,高阶曲面渲染在新的显卡中已有支持,并可能加入未来微软的DirectX11中成为标准,有兴趣的可以看一下ATI的R600显示芯片的tessellation技术演示图中使用新旧技术渲染的雪山的区别。
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这是增强曲线插值生成的3维地形
不喜欢看文字的,看了这个视频你就明白了
http://www.youtube.com/watch?v=Bcalc8UoJzo

更好的SRTM数据?
刨去从NASA直接偷出30m数据的可能性(我强烈呼吁有关心祖国户外事业的爱国黑客做到这一点),还有可能搞到更高精度的SRTM数据吗?
当年奋进号在SRTM任务中实际装载了2组雷达,一组主要的C波段雷达采集了全球80%的面积,一组X波段雷达因为安装位置的关系,只采集到30%的面积,任务返回后,C波段雷达的数据由NASA自己处理,得到的结果是SRTM .C, X波段的雷达数据交由德国,意大利的航天机构处理,得到的结果是SRTM.X.据说出于安全考虑,美国以外原始1秒分辨率的数据被故意降低为3秒分辨率(照我看,这明显是不想让别人白占便宜)。
X波段的雷达波长较短,理论上分辨力比C波段的还要好,德国版的SRTM.X数据(30米分辨率)在网上公开出售,(www.dlr.de/srtm/),遗憾的是,覆盖的区域非常诡异.好像一张网。
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SRTM-X的亚洲数据覆盖

我试了一下他的网上定购程序,中国区没有数据,不排除是我操作有误,欢迎有兴趣的TX再次验证一下.            
   
   还有什么机会吗?也许是美帝机构重叠的结果,这个降低分辨率的版本有两个发布者,NASA的喷气推进实验室 (JPL) 和国家地理空间情报局(NGA),更有趣的是,JPL和NGA的算法不一样,JPL的算法是将九个点的高度平均作为中间一个点的高度,而NGA则直接使用中间一个点的原始高度。这就带来另一个可能:是否可以利用这个差别挖掘出更多的细节。
   
   从信号处理的角度,JPL的九点平均是相当糟糕的降采样算法,会造成不必要的高频损失,而NGA的算法也不怎么样:没有低通滤波器的decimation会造成频谱的混叠(alias),如果我们能利用JPL数据的低频信息作为参考,就有可把NGA数据中参杂的原始细节补回来

新的选择-ASTER DEM
ASTER DEM是今年刚刚免费的全球范围DEM数据,日本商贸工业部和NASA联合发布,其实老的版本一直在网上卖,大家没有关注,现在免费了就备受关注
ASTER目前公布的数据是1秒数据,也就是大约30米精度,和SRTM不同,它工作在红外/可见光谱,双sensor立体成像,数据处理比SRTM的合成孔径雷达应该容易一些,缺点也很明显:它不能透过云层和树木,而SRTM使用的C波段可以,所以ASTER的后期处理,也用了3"的SRTM数据和美国USGS的本土DEM来填补云层下的空缺,很遗憾NASA没有使用手上的SRTM 1“数据来协助这个工作

更高端的选择-DigitalGlobe DEM
DigitalGlobe利用自己的立体成像卫星和PhotoSat合作,目前可以提供全球范围1m采样间距的数字高程数据,附带0.5m校正后的1:4800立体卫星图像和1m等高距的等高线文件
这个公司也就是为google earth提供卫星图片的公司

http://www.digitalglobe.com/index.php/48/Products?product_id=25
在线订购,网上下载发货,只要你肯花钱,国家机密就不再是秘密
(待续)

未来在哪里?
SRTM的使用带来一个思路:既然可以用它在电脑中生成地图并打印,为什么不能直接在手持GPS设备上使用它?便携式设备的处理能力已经如此强大,完全可以做到基于DEM实时等高线地图的生成和定位,任何时间,任何天气都能一眼明了自己在山地的位置。汶川震后抢险中坠毁的米17直升机如果有基于DEM的地形警告设备,又何至于在大雾中盲目地撞上火烧杠山腰,想来真是可惜,这是以一人之力都可以在市售汽车导航器上利用公开的SRTM数据实现的功能。
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Sandel Avionics公司在2009年直升机展览会上刚刚展示的ST3400H直升机地形感知与警告系统(HTAWS),内置的就是90m分辨率的DEM数据,显示器上红色的部分就是比直升机当前位置高的危险区域


  随着便携设备图形处理能力的增强,甚至可以直接抛开等高线这样的平面表现模式,代之以google earth式的三维地形显示,这样的工作方式,在garmin最新的colorado系列GPS中已经出现。
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colorado 400t中的台湾玉山,说实话,没有卫星照片作纹理,这效果真糙

最让人称奇的是Navigon也推出了基于SRTM数据的,带三维地形显示的车用GPS

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未来公开的,或商业上可获得的DEM数据精度还会提高,过往经典的等高线地图+指南针的模式,将会如同当年依靠北斗星,月亮等判断方位的技术一样走向没落,成为补充性的手段。

加点花絮:
70年代Don Bateman发明了现今民航客机标配的GPWS-地面接近警告系统,极大降低了飞行事故,但GPWS仅仅能根据无线电测当前离地面高度给出警告,无法避免飞机前方就是一座山的情况,为了解决这个问题,90年代初,Don Bateman开始研制新一代带有地形数据库的增强地面接近警告系统(EGPWS),公司想尽一切办法购买全球各地的等高线图,把它转换为DEM,正好苏联崩溃,Bateman说服公司花费了数百万美元买下泄露的俄版军图---也就是我们能部分看到的这种,靠苏联军图勉强拼起来的全球DEM结合GPS,就是最初的EGPWS,现在是Honeywell公司的王牌产品( Bateman是Honeywell的首席工程师)。94年开始美国航空管理局指定EGPWS为大型民航客机的必须仪器,到现在全世界的民航飞机几乎都装配了这个系统,因此飞机受控撞地事故已经非常少见

EGPWS的DEM数据库测试中发现过大量的问题,估计主要就是因为苏联地图的坐标偏差所致,目前还在不断更新,供全世界的EGPWS用户免费下载更新,据称是全球覆盖的最可靠的商用DEM数据库,Honeywell承认它的数据库也用了SRTM,ASTER和NED的DEM数据

按中国民航总局要求,从2005年1月1日起,我国所有最大审定起飞重量超过15000公斤或客座数超过30的涡轮发动机飞机,都要安装EGPWS系统
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冻不死的猪 发表于 2015-10-6 15:59:08 | 显示全部楼层
先标记一下 谢谢
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lyq3331776 发表于 2015-4-27 15:29:05 | 显示全部楼层
强帖顶顶留个记号,慢慢消化
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fcl19860101 发表于 2015-5-8 11:18:17 | 显示全部楼层
学习,学习中!!!
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qsccsqwar 发表于 2015-5-8 15:21:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 qsccsqwar 于 2015-5-8 15:34 编辑

看完了,确实不错。工兵是为数不多的户外大神。
我也补两个GIS工具,算是早期的处理工具。先发这个是一套三维遥感照片观测设备。先是装在箱子里的照片。
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这个是组装起来的样子,和一台笔记本的对比。
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设备背面的铭牌。
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不过我这里没有三维影像照片,所以就只能和笔记本对比。另外3维照片是一组两张。
下面这个是老的数字化仪,用于把纸质地图转矢量电子地图的。需要专用的软硬件,现在都不用了,都是直接扫描,然后电脑端GIS软件描图。
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专用鼠标特写:
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九月云 发表于 2015-6-12 17:51:32 | 显示全部楼层
学习学习!
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lhj1218 发表于 2015-6-17 17:21:10 | 显示全部楼层

学习测绘的历史,向老一辈致敬。
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老布 发表于 2015-7-24 11:56:37 | 显示全部楼层
怀念工兵
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wwym6698 发表于 2015-9-9 17:56:36 | 显示全部楼层
我们以前的单位 有这个部门   回头跟他们好好学习学习
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千江 发表于 2015-9-30 07:45:36 | 显示全部楼层
读完收获不少
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