利用影像匹配點(diǎn)云進(jìn)行DLG等高線制作

盛志鵬，吳 迪，朱 萍

(浙江省第二測繪院，浙江 杭州 310012)

一、引 言

點(diǎn)云是三維點(diǎn)數(shù)據(jù)的集合，是一種地表形態(tài)的三維直觀表現(xiàn)形式，利用點(diǎn)云濾波分類后得到的地面點(diǎn)就可以提取DEM和DLG中的高程點(diǎn)和等高線要素。目前，采用非接觸的方法獲取高密度地表點(diǎn)云的一種常見方法就是使用激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)直接獲取，如徠卡的ALS60、天寶的Harrier 68i等都是目前國內(nèi)較常使用的機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備，該方法的優(yōu)勢是獲取的點(diǎn)云精度高，且可以部分穿透植被獲取。在傳統(tǒng)的數(shù)碼航攝獲取影像并構(gòu)建立體像對制作DLG的作業(yè)體系中，若使用激光雷達(dá)獲取的高精度點(diǎn)云來進(jìn)行高程點(diǎn)和等高線的提取，則可以大大減少內(nèi)業(yè)立體采集的工作量，但同時(shí)也會(huì)增加額外的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取和處理費(fèi)用。

另外一種方法是采用已獲得準(zhǔn)確外方位元素的數(shù)碼航片，采取同名點(diǎn)匹配的方法來獲取點(diǎn)云[1-4]。由于影像數(shù)據(jù)是必須獲取的，所以在這個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不會(huì)產(chǎn)生額外的費(fèi)用。目前，Inpho、ERDAS等軟件都能實(shí)現(xiàn)此功能，但是采用這種方式的缺點(diǎn)是，在植被覆蓋區(qū)域匹配的點(diǎn)云全都位于樹冠上，若要采用匹配的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行等高線的制作，就必須消除植被高的影像。本文基于浙江省湖州市1∶2000比例尺數(shù)碼航片數(shù)據(jù)，研究了在TerraSolid軟件下進(jìn)行匹配點(diǎn)云的高程校正和植被高改正，以及提取等高線的方法。

二、利用Inpho生成匹配點(diǎn)云

點(diǎn)云匹配所使用的為2012年浙江省湖州市的1∶2000數(shù)字地形圖制作項(xiàng)目數(shù)碼航攝數(shù)據(jù)，其使用的設(shè)備為UltraCam Lprime，相機(jī)焦距為70.4 mm，影幅大小47.520 mm×70.224 mm，飛行平臺為運(yùn)-5，其他航飛參數(shù)如表1所示。匹配點(diǎn)云過程如圖1所示。

表1 航飛參數(shù)

圖1 通過數(shù)碼航片匹配生成點(diǎn)云

匹配點(diǎn)云所需要的數(shù)據(jù)包括真彩色原始影像和經(jīng)過空三解算的影像內(nèi)外方位元素，選擇的試驗(yàn)區(qū)包含相片13張，覆蓋面積約為6 km2，采用的匹配軟件為Inpho攝影測量工作站的Match-T模塊，匹配格網(wǎng)大小為默認(rèn)值1.8 m。為了匹配到較多的點(diǎn)云，匹配設(shè)置中禁用有關(guān)點(diǎn)云平滑的相關(guān)設(shè)置，并使用了較大的容差值。匹配后輸出的成果為LAS格式的點(diǎn)云，數(shù)據(jù)量為143 MB。

三、基于Terrasolid的匹配點(diǎn)云處理

該方法為：首先利用立體條件下采集的少量地表特征點(diǎn)線，并結(jié)合激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件TerraSolid中的高程擬合功能，對點(diǎn)云植被高進(jìn)行消除；然后再進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波修飾，即可以用于高程點(diǎn)和等高線的提取。利用影像匹配點(diǎn)云進(jìn)行DLG等高線制作流程如圖2所示。

圖2 利用影像匹配點(diǎn)云進(jìn)行DLG等高線制作流程圖

1. 三維特征點(diǎn)線采集

在進(jìn)行三維特征點(diǎn)線采集之前，需要由對點(diǎn)云濾波處理有經(jīng)驗(yàn)的人員對原始點(diǎn)云先進(jìn)行初步的濾波分類，檢查點(diǎn)云所構(gòu)建的三維模型對地表的特征描述數(shù)否正確，并在需要采集的地方做記號；再由立體采集人員在立體像對下進(jìn)行采集。由于特征線的采集精度直接關(guān)系到點(diǎn)云的高程修正精度，因此一般需采集特征點(diǎn)線的位置包括山脊、山谷、植被類型變化區(qū)域的特征線和特征點(diǎn)(如圖3所示)。本試驗(yàn)的特征線采集在JX-4攝影測量工作站中完成。具體采集要求如下：

1) 植被覆蓋地區(qū)需采集山脊線、山谷線、山頂點(diǎn)來進(jìn)行植被高改正。

2) 在無植被覆蓋區(qū)域的邊與有植被覆蓋區(qū)域相接的地方適當(dāng)采集特征點(diǎn)，以保證無植被區(qū)域高程不變。

3) 植被高度變化劇烈且無法反映地表形態(tài)的區(qū)域，如竹林覆蓋區(qū)域，應(yīng)采集幾條特征線以描述植被底部地形。

圖3 點(diǎn)云模型與采集好的特征點(diǎn)線的套合

2. 擬合網(wǎng)高程改正

利用特征點(diǎn)線分析植被高情況，構(gòu)建高程異常修正擬合網(wǎng)，進(jìn)行點(diǎn)云高程改正。具體方法是將采集的特征線離散成點(diǎn)(本試驗(yàn)采取的點(diǎn)間隔為2 m)并與采集的特征點(diǎn)一起構(gòu)成檢查點(diǎn)文件，再利用TerraSolid軟件計(jì)算點(diǎn)云模型在每個(gè)檢查點(diǎn)處的高程差。檢查高程差文件，將粗差和點(diǎn)云模型異常處的值剔除，再使用誤差文件制作植被高改正文件，構(gòu)建高程修正擬合網(wǎng)，并對點(diǎn)云的高程進(jìn)行改正，進(jìn)而修正植被高。

3. 點(diǎn)云重濾波和點(diǎn)云修飾

經(jīng)過植被高改正的點(diǎn)云在山脊、山谷和植被高程突變的地方會(huì)存在對地表細(xì)節(jié)描述不完整或高程錯(cuò)誤的情況，為了突出地形特征，需要將采集的特征點(diǎn)線作為點(diǎn)云添加到改正后的點(diǎn)云中做一次重濾波。由于TerraSolid采用的濾波方式是由下到上的漸進(jìn)式濾波，因此在點(diǎn)云高程改正不徹底的地方，重濾波可以使特征點(diǎn)線周圍高程錯(cuò)誤的點(diǎn)云被濾除掉。濾波過后再將特征點(diǎn)線的點(diǎn)云作為地表點(diǎn)添加到重濾波的點(diǎn)云中，以保證特征點(diǎn)線參與最后DEM模型的構(gòu)TIN。

重濾波后的點(diǎn)云還需進(jìn)行必要的修飾，才能用來自動(dòng)生成等高線。點(diǎn)云修飾應(yīng)盡量保持地形特征完整，并使其較為光滑，避免在非地形變化區(qū)域出現(xiàn)模型的劇烈變化。

4. 等高線自動(dòng)生成和人工修飾

為了保證等高線的平滑和美觀，筆者將修飾好的點(diǎn)云采樣成格網(wǎng)大小為8 m×8 m的DEM，再進(jìn)行等高線的自動(dòng)生成。生成后的等高線若平滑程度不夠，可在ArcGIS軟件中采取指數(shù)核的多項(xiàng)式近似算法進(jìn)行進(jìn)一步的平滑，在1∶2000等高線的制作中平滑參數(shù)一般設(shè)置為5～10 m。自動(dòng)生成的等高線如圖4所示。

圖4 自動(dòng)生成等高線

為了保證等高線的精度和美觀，對自動(dòng)生成的等高線需要在攝影測量工作站中進(jìn)行必要的修飾，修飾中應(yīng)主要注意的是：① 平緩地區(qū)等高線的走向；② V字形山脊山谷的朝向是否一致；③ 有無因單顆植被未濾除干凈造成的等高線突變。

四、精度評價(jià)和效率統(tǒng)計(jì)

1. 自動(dòng)生成等高線精度評價(jià)

按照1∶2000數(shù)字地形圖制作的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和本項(xiàng)目的技術(shù)設(shè)計(jì)，等高線的精度要求見表2。

表2 等高線精度指標(biāo) m

等高線的高程精度檢查是由經(jīng)驗(yàn)豐富的立體測圖人員將自動(dòng)生成的等高線導(dǎo)入JX-4立體測圖工作站并在立體像對環(huán)境下進(jìn)行檢查的。通過檢查，自動(dòng)生成的等高線在絕大多數(shù)地區(qū)都能夠緊貼地表，特別是在裸露和覆蓋植被高度較均勻地區(qū)有著較好的效果。

2. 效率統(tǒng)計(jì)

在本次試驗(yàn)中，共處理了4幅1∶2000的DLG數(shù)據(jù)，總面積為4 km2，所花費(fèi)的工作量統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 效率統(tǒng)計(jì) d

若采用傳統(tǒng)方法，對于一幅1∶2000的DLG，在JX-4攝影測量工作站環(huán)境下平均需要3天的時(shí)間。若采用新方法，一幅圖花費(fèi)約1天的時(shí)間，與傳統(tǒng)方法相比，效率是原來的3倍。

五、結(jié)束語

利用影像匹配的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)生成的等高線在精度上大體能夠滿足相關(guān)要求，但是從圖面的美觀程度上比較，與以前作業(yè)方法的成果還是有一定區(qū)別，主要體現(xiàn)在：一是在大致等傾斜的區(qū)域曲線分布不太均勻，二是曲線走向不統(tǒng)一使得山形不美觀，這也導(dǎo)致了后期修測花費(fèi)了較多的工作量。從效率上分析，該方法具有較為明顯的優(yōu)勢，在浙江省“十二五”期間全面實(shí)施“313”計(jì)劃和全省1∶2000地形圖測圖全面鋪開的背景下，也急需一些新的作業(yè)方式來提高工作效率。在下一步的試驗(yàn)中，將考慮使用自動(dòng)的方式來提取特征線和改進(jìn)濾波分類方式，以減少人工干預(yù)的工作量。

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