基于高分立體影像數(shù)字高程模型提取

郭春蕾

（沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院土木工程系）

基于高分立體影像數(shù)字高程模型提取

郭春蕾

（沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院土木工程系）

數(shù)字高程模型（DEM）是研究地表景觀三維結(jié)構(gòu)的重要工具。近年來(lái)，高分辨率衛(wèi)星立體像對(duì)（VHR-ST）數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)，這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)重訪(fǎng)率高，全球覆蓋，能有效彌補(bǔ)航空數(shù)據(jù)的不足，但是這些立體數(shù)據(jù)的成像幾何較航空?qǐng)D像更為復(fù)雜。本文對(duì)基于高分辨率衛(wèi)星立體像對(duì)的數(shù)字高程模型提取進(jìn)行了綜述。

數(shù)字高程模型；高分辨率衛(wèi)星立體像對(duì)

1 引言

目前獲取DEM的主要手段有很多途徑，在眾多途徑中，由于遙感影像獲取技術(shù)正趨向三多（多平臺(tái)、多傳感器、多角度）和三高（高空間分辨率、高光譜分辨率和高時(shí)相分辨率），是空間數(shù)據(jù)采集最有效的手段，具有效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，在提取DEM的途徑中具有其他方法所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。因此如何更有效地利用衛(wèi)星遙感立體像對(duì)，更方便快捷地生成數(shù)字高程模型，是目前世界范圍內(nèi)共同關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于利用立體像對(duì)自動(dòng)提取DEM，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有了許多研究成果。例如，英國(guó)學(xué)者R.G.Ley利用MacDonald Dettwiler開(kāi)發(fā)的Meridian軟件進(jìn)行SPOT高程自動(dòng)提取實(shí)驗(yàn)；N.Al-Rousan和P.Cheng設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了EASI/PACE系統(tǒng)進(jìn)行SPOT影像的正射糾正和高程數(shù)據(jù)提取，實(shí)驗(yàn)證實(shí)該系統(tǒng)對(duì)干旱區(qū)域或半干旱地區(qū)可取得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；K.Jacobsen利用Hannover大學(xué)的RASCOR軟件進(jìn)行了SPOT HRS提取DEM實(shí)驗(yàn)，得到開(kāi)闊地區(qū)最高精度可達(dá)5m；Kocak.Guven采用IKONOS立體像對(duì)進(jìn)行了自動(dòng)提取DEM實(shí)驗(yàn)，由于輻射畸變?cè)?，高程精度僅為+/-5.8m；Pakorn APAPHANT和James BETHEL通過(guò)采用對(duì)象金字塔和特征金字塔集成匹配來(lái)提高匹配精度，提出在提取影像邊緣、線(xiàn)、高地和尖峰特征的基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行影像匹配生成DEM的方案；Eckert.Sandra和Hollands.Thomas通過(guò)對(duì)高分辨率立體衛(wèi)星影像的DSM的生成，評(píng)價(jià)了不同的圖像處理軟件模塊，確定了對(duì)城市區(qū)域自動(dòng)提取DSM的算法改進(jìn)；Krau.Thomas采用基于區(qū)域的匹配和一個(gè)動(dòng)態(tài)線(xiàn)變形兩種方法，比較和討論了IKONOS影像DSM生成的局限性和良好的DSM快速生成的可用性。

我國(guó)學(xué)者也做出了不懈的努力，楊戰(zhàn)輝、戴騰等分別用VirtuoZo進(jìn)行了生產(chǎn)DEM的試驗(yàn)，并分析討論了生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；黃玉琪利用嶺估計(jì)法和“錨點(diǎn)法”進(jìn)行影像匹配分別解決了對(duì)SPOT影像進(jìn)行全數(shù)字處理的外方位元素之間存在強(qiáng)相關(guān)性和沒(méi)有嚴(yán)格意義上的核線(xiàn)兩個(gè)難點(diǎn)[1]；林怡提出基于小波變換的特征提取與影像匹配和用數(shù)學(xué)形態(tài)變換生成DEM方法[2]；鞏丹超提出一種基于直方圖不變矩、二維圖像的不變矩以及灰度加權(quán)窗口三級(jí)匹配基元的圖像快速匹配方案[3]；姜挺采用了一種小波變換支持的基于灰度和基于特征相結(jié)合的分層匹配方案，利用MOMS-02前后視影像自動(dòng)生成的DEM高程精度可達(dá)5.27m[4]。李健進(jìn)行了采用影像的特征點(diǎn)及線(xiàn)的匹配進(jìn)行DSM自動(dòng)提取，提取結(jié)果在山區(qū)或城區(qū)都能取得理想的效果，具有很高效率及可靠性。尤紅建等對(duì)城市DSM快速提取及三維顯示進(jìn)行了研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)飛行數(shù)據(jù)的處理機(jī)三維顯示驗(yàn)證了方法的可行性。

3 數(shù)字高程模型（DEM）

目前高分辨率遙感影像的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理已進(jìn)入了應(yīng)用階段，關(guān)于SPOT、IKONOS、QuickBird等影像的處理理論和方法已經(jīng)基本成熟，國(guó)內(nèi)外一些測(cè)繪軟件都實(shí)現(xiàn)了這些影像的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理功能，例如美國(guó)的 ERDAS IMAGE 8.7 的 LPS模塊、SOCET SET、PCI Geomatica、ENVI系統(tǒng)和中國(guó)武漢大學(xué)研制的Virtuzo系統(tǒng)都支持SPOT、IKONOS、QuickBird等影像的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理。

在DEM的自動(dòng)提取和影像正射校正過(guò)程中首先選擇傳感器物理模型，這種模型基于共線(xiàn)方程——表現(xiàn)了圖像空間和地面空間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的原則，它是結(jié)合所有在成像過(guò)程中會(huì)引起幾何形變的平臺(tái)、傳感器、地球和地圖投影等因素而創(chuàng)建的。立體影像經(jīng)傳感器物理模型計(jì)算后產(chǎn)生一對(duì)核線(xiàn)影像，該影像是為了獲得圖像在同一方向上的高程視差。正射模塊根據(jù)圖像間關(guān)系利用自動(dòng)圖像匹配程序從兩幅圖像上提取同名點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比同名點(diǎn)之間的差異，由計(jì)算所得到的傳感器物理模型計(jì)算出其X、Y和Z坐標(biāo)。

4 問(wèn)題歸納

雖然提取DTM或DSM的軟件和匹配算法彼此之間可能不同，但是在提取精度和遇到的問(wèn)題上在大體上還是有些相同的，其中，在DEM/DSM生成中常見(jiàn)的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

（1）紋理信息缺乏；

（2）地物明顯不連續(xù)，有斷線(xiàn)或空洞；

（3）當(dāng)?shù)氐匚锇邏K不是平坦的二維平面；

（4）地物有重復(fù)現(xiàn)象；

（5）地物有被遮擋現(xiàn)象；

（6）物體移位，有陰影；

（7）存在多層和透明的物體；

（8）建筑物有鏡面反射或其他輻射發(fā)生。

當(dāng)比較多時(shí)相圖像數(shù)據(jù)集時(shí)，會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題：

（1）不同的圖像比例；

（2）不同的圖像質(zhì)量；

（3）不同的生長(zhǎng)狀況；

（4）不同的光照條件和大氣狀況；

（5）不同的圖像定標(biāo)（視點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)角度）。

解決問(wèn)題的辦法在于將所需的信息轉(zhuǎn)化成對(duì)象空間并作分析，而減少對(duì)比多時(shí)相圖像的困難也可以通過(guò)以下實(shí)現(xiàn)：

（1）確保圖像獲取時(shí)相幾乎相同；

（2）確保相似的光照條件和大氣狀況；

（3）較高的太陽(yáng)高度角；

（4）獲取樹(shù)木未凋零的圖像；

（5）使用現(xiàn)代化的精確導(dǎo)航和針點(diǎn)攝影，獲取類(lèi)似的圖像采集參數(shù)。

5 總結(jié)

高分辨率遙感影像是空間數(shù)據(jù)采集最有效的手段，在提取DEM的途徑中具有其他方法所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。但遙感立體影像提取DEM精度還需要進(jìn)行改善，比如影像匹配策略參數(shù)的設(shè)置；獲取影像的太陽(yáng)高度角對(duì)DEM的提取有一定影響等。

[1]黃玉琪．SPOT 影像的 DEM 自動(dòng)生成[J]．測(cè)繪通報(bào)，1998（9）．

[2]林 怡，陳 鷹．用立體影像匹配和數(shù)學(xué)形態(tài)變換自動(dòng)生成DEM[J]．中國(guó)圖象圈形學(xué)報(bào)，2003，8（4）．

[3]鞏丹超．高分辨率衛(wèi)星遙感立體影像處理模型與算法[D]．中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué)，2003．

[4]姜 挺，江剛武．基于小波變換的分層影像匹配[J]．測(cè)繪學(xué)報(bào)，2004，33（3）．

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A

1004-7344（2016）06-0152-01

2016-2-10