激光雷达(light detecting and ranging，LiDAR)技术在获取密集地面地物激光点信息后，经过分类处理，可得到密集的(分区域)裸露地表数据，并可快速生成数字高程模型(digital elevation model, DEM)^[1]数据。该DEM较传统航摄方法制作的DEM生产成本低、时间短、精度高(除去无激光获取的隐蔽区及地形特征线处)、地面信息精细丰富^[2]。基于机载LiDAR的DEM制作处理中水域置平的工作量很大^[3]，CH/T8023-2011机载激光雷达数据处理技术规范对于DEM质量控制水域质量要求为：河流边线的高程值应从上游到下游逐渐降低，湖泊、水库、池塘等面状水域边线的高程值应一致^[4]。

本文结合工程项目实践经验，对于DEM水域的置平处理进行了探索。

1 理论与方法 1.1 半自动矢量水域多边形

该方法通过水域范围内激光数据分类处理后的数据输出的高程栅格实现。一般陆地型激光扫描在水体、沥青、组合屋顶处反射较弱，尤其对水体是完全吸收激光的。但由于水面漂浮物等的影响，实际获取的激光数据需要将所有水涯线以内水域边界处激光通过浮雕晕渲或是高程分色显示模式下利用工具刷分类到空的水域层；然后将所有激光点(除去水域层数据)输出高程栅格(图 1)，水域输出为-9 999 m，将该栅格导入TerraScan中进行处理，去除项目范围外所有栅格高程值和范围内所有非水体栅格高程值(即非-9 999 m)^[5]；再输出水体专题栅格模型(图 2)，利用ArcGIS对水体专题栅格模型进行栅格转面处理^[6]，可得到初始水域多边形(图 3)。

在得到初始水域多边形后，可根据面积排序将错误的水域多边形全部删除。然后结合数字正射影像图(digital orthophoto map，DOM)及数字表面模型(digital surface model，DSM)光栅影像进行手动多边形的修改与排查，得到无错误的水域多边形。

1.2 流动水体分段

根据CH/T8023-2011的要求，河流边线的高程值应从上游到下游逐渐降低，为保证水面高程从上游到下游缓慢过渡、逐渐降低，可通过对河流水体进行分段置平来实现，但应保证分段后相邻每段河流的高程差不宜过大。另外，分段要均匀，相邻分段多边形应无缝相接，分段处应垂直于河流流动方向^[7]。

1.3 孤岛侦测与处理

对于同一水塘或者湖，水面的高程应该完全相同，为保证一水域所涉及的所有多边形或者包含水域点处理后获得同一高程值，需要对孤岛进行侦测，并与包含其的多边形(简称父多边形)进行合并处理。孤岛侦测通过ArcGIS中的应用位置选择进行筛选来实现(图 4，图中青色为含孤岛父多边形)。

对于侦测出的孤岛可以单独输出，作为参考逐一对孤岛进行与父多边形的合并处理(图 5)。其基本方法：首先，对一个或多个孤岛进行多边形节点顺序的统一及合并；然后，对父多边形的节点顺序调整为与孤岛节点顺序相反；最后，进行父多边形与孤岛或孤岛群的合并处理。该过程在Microsation VBA开发环境下实现^[8]。

1.4 水域置平

在得到所有的水域多边形后，有两种方法进行DEM的水域置平处理。①对于多边形内点云进行处理，与激光一起生成DEM；②在Globe Mapper里根据初始水域未置平的DEM为所有水域多边形节点赋高程值，对水域多边形节点统一取整个多边形节点的最小高程值，并在Globe Mapper里面生成高程格网，与初始未置平的DEM一起输出水域置平后的DEM^[9]。

1) 水域多边形内点云置平处理。首先，生成整个项目的初始DEM，水域处理为自动内插；然后，将生成的DEM转换为点云格式，并删除水域多边形范围外的数据。基于水域多边形在TerraScan里创建点云工程，应用Fix Elevation工具将水域多边形内点云批量进行高程值改正，改正为水域多边形内点云高程最低值(图 6)。

将原始激光数据里水域多边形内激光数据用改正高程值后的密集点云数据替换掉，重新生成DEM，所有的水域完全置平。

2) 水域多边形节点高程改正。首先生成整个项目的初始DEM，水域处理为自动内插；然后将DEM和水域多边形加载到Globe Mapper软件(图 7)，将每个水域多边形节点处DEM高程值赋给对应的多边形节点；再将所有多边形节点的高程值统一取值为每个多边形节点的最低高程(图 8)，生成高程格网，替换掉初始DEM中对应位置的格网高程，得到水域置平后的DEM。

2 数据实验评价与对比分析

结合某市基础测绘地理信息项目1：2 000 DEM生产进行本次实验。该市西北多山，东南临海，水域非常多，分布极为密集。经由上述流程处理后，共置平处理约7万个水域或河流段，耗时约15 d。相对于传统的基于正射影像手工矢量水域，逐个进行置平处理，本方法可提高水域置平效率。

1) 实验结果质量评价。经置平处理后的DEM成果利用Globe Mapper进行浏览与断面检查^[10]，并抽取部分DEM水域进行格网高程统计分析。图 9(a)为未经水域置平处理的DEM断面图，可以看到水塘表面高低起伏，高程值不一致且无规律；图 9(b)为经过上述方法进行水域置平处理后的DEM断面图，水塘表面平整，高程一致，图面美观。图 10(a)为未经水域置平处理的DEM水域范围内高程信息统计情况，可以看到此水域面内高程不一致，水域面有明显的激光点云构不规则三角网(triangulated irregular network, TIN)所产生的痕迹；图 10(b)可以看到水域面内高程信息是一致的，水域整体平整美观。所以本方法对于LiDAR制作DEM水域置平处理高效，质量可靠。

2) 方法对比分析。第一种基于点云的处理方法，在水域多边形过多时，TerraScan管理水域点云将对计算机性能要求越来越高，机器速度将变慢，点云高程修改运算也会相应消耗更多时间，但是在水域点云分类正确的前提下，得到的水域高程更精确，通过把置平处理的水域点云数据替换原始的激光数据重新构TIN生成DEM，水域与岸边的地形衔接关系就更自然、更合理；第二种基于初始DEM赋值的方法更快捷，充分利用了Global Mapper相关功能，但是由于最终水域的高程来自多边形节点，所以存在潜在的高程值不准确的风险，项目处理范围边界处的高程提取值会因无数据而出错，需要进行后期修改检查。

3 结束语

基于LiDAR的DEM制作，水域置平是实际生产中的重要一环，也是一大难点。本文在结合实际项目生产经验与实践的基础上，充分利用机载LiDAR在水体上面无反射这一特性，探索出了适合高效地完成基于LiDAR的大规模DEM生产水域置平工作的方法。实验证明，该方法可在保证水域置平质量的基础上提高DEM生产中高质量水域置平工作的效率，可将水域置平的人工工作量降低。