基于航天遠景MapMatrix的DEM制作研究

張新雯

摘 要：MapMatrix是基于衛(wèi)星遙感、航空、外業(yè)等數(shù)據(jù)進行多源空間信息綜合處理的平臺。該文總結了ADS80數(shù)碼影像在MapMatrix下進行某市1∶2 000DEM數(shù)據(jù)生產流程，探討DEM快速生成的方法，成果通過精度評定與質量檢查，確實可靠，具有良好可行的運用前景。

關鍵詞：MapMatrix DEM 航天遠景 ADS80

中圖分類號：TD672 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（b）-0001-03

某市1∶2 000DEM以東西向鋪設條帶，采用ADS80數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，經(jīng)IPAS軟件對空中IMU、GPS數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，解算出飛機（相機）的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。結合解得的定位定姿參數(shù)和GPRO軟件，對原始L0級影像作定向定位糾正，得到WGS84坐標系統(tǒng)下的L1級影像。利用MapMatrix系統(tǒng)完成本地坐標系統(tǒng)轉換及恢復立體模型采集等工序，使用量測得出的特征點、線構TIN及影像匹配多種方式，生成區(qū)域DEM。

1 基于ADS80影像下的數(shù)據(jù)采集

1.1 ADS80工作原理

ADS80是徠卡公司于2008年在ADS40基礎上開發(fā)的多線陣CCD成像技術機載線陣攝影系統(tǒng)，其集成的POS系統(tǒng)（GPS/IMU）可在少量地面控制點甚至無控制點情況下進行空三解算。相較傳統(tǒng)膠片相機和框幅式數(shù)碼相機而言，ADS80可直接得到影像的外方位元素，大大縮短外業(yè)相控、空三加密解算等人工干預時間；并同時獲取同一地面的前視（27°）、中視（2°）及后視（14°）3個高分辨率無縫連續(xù)重疊的地面立體影像條帶，大大減少了相片掃描和拼接環(huán)節(jié)。根據(jù)空間前方交會得到的高程精度公式，提高高程精度的因素有3點：提高基高比b/f，提高像點坐標的量測精度（k ），提高GSD地面分辨率。

ADS80通過更小的傳感像元，降低航飛高度，形成0.87的基高比（B/H=tan41°）獲得較高的高程精度，彌補了以往框幅式像對的立體采集中高程精度不足的缺陷，其整體性能使數(shù)字攝影測量立體采集工作更為簡捷精確。

1.2 基于MapMatrix的ADS80立體測圖原理

MapMatrix是基于衛(wèi)星遙感、航空、外業(yè)等數(shù)據(jù)進行多源空間信息綜合處理的平臺。其涵蓋幾個重要的模塊：ATMatrix空三加密模塊、DEMMatrix高程模型處理模塊、DOMMatrix正射影像處理模塊、FeatureMatrix立體測編模塊。利用MapMatrix進行ADS80影像的建模過程相較框幅式相機而言相對簡化，無需進行內定向、相對定向、絕對定向及核線重采樣等工序。用戶在該系統(tǒng)中可由原始影像出發(fā)，由相機參數(shù)文件（*.cam）、影像頭文件（*.sup）、金字塔影像（*.tif）、姿態(tài)定向參數(shù)（*.odf）生成立體模型，經(jīng)過特征點、線采編及基于影像的自動匹配，最終生成處理后的DEM產品。

2 DEM的制作方法及技術

2.1 DEM多種制作方法及技術

DEM的數(shù)據(jù)采集方法主要包括3種：地形測量獲取、航空攝影測量、利用LiDAR點云分類提取。地形測量獲取方法如用GPS、全站儀野外測量采集等，該方法外業(yè)強度大、效率低、成本高，且對于生產產品級別的DEM數(shù)據(jù)而言，明顯高程點密度不足，精度質量欠佳。航空攝影測量方法即全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)獲取DEM，能利用核線影像自動匹配生成DEM后再人工編輯，又能在立體環(huán)境下通過采集特征點線面后構TIN生成DEM。該方法效率較高，成本投入少，且能夠滿足產品級DEM的生產精度要求。利用LiDAR點云進行濾波分類提取DEM，其數(shù)據(jù)精度高、生產效率最快，但需要額外配置專業(yè)軟件對海量點云數(shù)據(jù)進行濾波處理。由于三維點云數(shù)據(jù)在三維建模等領域應用較廣，如僅從獲取DEM產品角度而言，航攝成本相對較高。

利用全數(shù)字攝影測量方式進行DEM制作又可以分為基于TIN直接內插DEM和物方相關原理生成DEM兩種。TIN的創(chuàng)建，主要依據(jù)于基礎數(shù)據(jù)的采集，即由矢量數(shù)據(jù)轉換成的特征點、線，按照物方DEM間隔規(guī)定內插規(guī)則正方形格網(wǎng)DEM，得到DEM數(shù)據(jù)。利用物方相關原理生成DEM需進行影像相關處理，進行影像匹配后MapMatrix系統(tǒng)自動生成DTM，但對于大比例尺（特別平坦地區(qū)），由于匹配點大量在樹木和建筑物上，由此自動生成的像方DEM效果很差，往往需要進行大量人工干預，在生成像方DEM后逐塊編輯，最終生成基于物方的DEM。

2.2 基于MapMatrix的DEM具體制作方法

數(shù)據(jù)采集是DEM生成的關鍵問題。數(shù)據(jù)點太稀會降低DEM的精度；數(shù)據(jù)點過密，又會增大數(shù)據(jù)量、處理的工作量和存儲量。因而在DEM數(shù)據(jù)采集之前，需要按照成果的精度要求確定合理的取樣密度，并在DEM數(shù)據(jù)采集過程中根據(jù)地形復雜程度動態(tài)調整采樣點密度。

該市地勢平坦，現(xiàn)代化程度高，區(qū)域房屋密集，高架及橋梁交通設施發(fā)達，如采用影像匹配自動生成DTM，由于房屋、樹木，高架眾多，自動匹配結果將混亂，因此在此次DEM生產中采用特征點、線，直接創(chuàng)建物方DEM，可大大減少編輯工作量。對于地貌交待清晰、易于表現(xiàn)的區(qū)域，可采用線編輯模式，選擇缺省線屬性對能表達地形變化區(qū)域進行立體采集。特征線具有單一立體效果，不遮蓋影像，能對地形細膩表示，檢查出各種小粗差。對于地貌凌亂、無法清晰表達的區(qū)域，可采用點編輯模式。根據(jù)CJJ100-2004的規(guī)定，城市DEM數(shù)據(jù)的基本格網(wǎng)尺寸應為5 m×5 m，利用MapMatrix中FeatureOne立體采集模塊設置自動采集高程點選項，以水平方向為行，順序從上至下，以垂直方向為列，順序從左至右，每隔5 m自動跳轉至下個格網(wǎng)，量測高程點。該方法操作簡單易行，但工作量較大，一般作為雜亂區(qū)域描述較好，步距及斷面線上點的間隔都可根據(jù)地形的復雜程度而改變。具體要素采集遵循如下原則。

（1）水域：對于靜止水面，測量水位高程并按此高程采集水岸線，整個水域范圍據(jù)此高程構建平三角形，并按此高程對DEM格網(wǎng)賦值。雙線河流水岸線的高程應依據(jù)上下游水位進行分段內插賦值，DEM高程值應自上而下平緩過渡，并且與周圍地形高程之間的關系正確、合理。（2）森林區(qū)域：在林區(qū)，DEM測量的是樹頂表面，在生成DEM格網(wǎng)時應減去平均樹高獲取地面高程。（3）特殊區(qū)域：山頭、凹地或埡口等處應內插高程特征點，狹長而緩坡的溝谷或山脊應內插特征線，避免出現(xiàn)不合理的平三角形；陡巖、斜坡、雙線沖溝等地貌應合理反映地形特征。（4）空白區(qū)域：空白區(qū)域是指數(shù)據(jù)源出現(xiàn)局部中斷等原因無法獲取高程的區(qū)域，位于空白區(qū)域的格網(wǎng)高程值賦予-9999。

2.3 基于MapMatrix的DEM編輯

DEM點應切準地面，等高線真實地反映地貌形態(tài)。為提高效率，在MapMatrix中一般采用面編輯的方式，使用系統(tǒng)提供的平滑、內插、擬合、定值及平均高程賦值等算法，逐塊編輯；對于道路等線狀要素也可以采用線編輯方式進行操作。

2.4 DEM接邊

像對間DEM設置10個格網(wǎng)間距的重疊區(qū)域用于接邊。系統(tǒng)自動對重疊區(qū)域內的格網(wǎng)點進行高程較差的統(tǒng)計分析，在2～3倍高程接邊誤差的點位應控制在4%以內，不得出現(xiàn)3倍以上中誤差的點。一旦發(fā)現(xiàn)需進行修測，符合限差要求后應進行像對DEM接邊，取平均數(shù)作為重疊區(qū)域內的數(shù)據(jù)值。

3 DEM的質量控制

DEM質量的最終檢查是根據(jù)野外高程點的平面坐標。在已建立的DEM中內插出檢測點位置的高程，利用航攝像控點庫以及外業(yè)RTK采集的高程檢查散點；在ArcGIS軟件中，檢查內插等高程點與原始高程點之間的偏離量是否在規(guī)定范圍內；相鄰存儲單元的DEM數(shù)據(jù)應平滑銜接；對于水域需檢查靜止水域內的DEM格網(wǎng)點高程是否保持一致，流動水域上下游DEM格網(wǎng)點高程是否呈梯度下降；并對高程較差進行統(tǒng)計分析。對較差較大部分需返回到立體模型上進行上機檢查，實時觀察生成的DEM點位是否切準地面。如果DEM與地面模型的高程差在2倍中誤差以上，則需進行重測。

DEM成果精度用格網(wǎng)點的高程中誤差Mz表示：

式中，v為高程較差；n為檢測點個數(shù)。根據(jù)城市基礎地理信息系統(tǒng)技術規(guī)范要求（CJJ100-2004），城市DEM數(shù)據(jù)的基本格網(wǎng)尺寸為5 m×5 m，采用5 km×5 km分幅存儲，精度等級為二級。據(jù)此規(guī)定，平地、丘陵、山地、高山地格網(wǎng)點高程中誤差分別為：0.7 m、1.7 m、3.3 m、6.7 m。高大林木覆蓋區(qū)、高層建筑陰影遮蓋區(qū)等困難區(qū)域的平面和高程中誤差可放寬50%。DEM高程值應取位至0.1 m。

DEM的質量檢查還需進行數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)完備性檢查。數(shù)據(jù)文件檢查包括DEM數(shù)據(jù)文件命名、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)分幅、數(shù)據(jù)格網(wǎng)尺寸是否符合要求；數(shù)據(jù)完備性檢查包括檢查DEM數(shù)據(jù)覆蓋范圍有無不滿幅、數(shù)據(jù)有無遺漏等問題，相鄰存儲單元之間數(shù)據(jù)完整，不得出現(xiàn)漏洞，DEM數(shù)據(jù)應覆蓋整個區(qū)域范圍，接邊范圍數(shù)據(jù)應有一定的重疊。

4 實驗數(shù)據(jù)

該項目利用其他項目單位同源DLG數(shù)據(jù)外業(yè)高程檢查散點，對DEM成果高程坐標值進行檢核。該次核查初次抽查10幅圖，共核查點2 269個，符合精度的點為98.5%。利用公式求得高程坐標中誤差，經(jīng)測算DEM成果精度優(yōu)于5 m格網(wǎng)城市基礎地理信息系統(tǒng)規(guī)范要求的平地0.7 m，高大林木覆蓋區(qū)、高層建筑陰影遮蓋區(qū)等困難地區(qū)最大不超過1 m，丘陵1.7 m的中誤差要求。DEM較差及各圖幅中誤差分布情況如圖2所示。

5 結語

該文總結了ADS80數(shù)碼影像在MapMatrix下進行某市 1∶2 000DEM數(shù)據(jù)生產流程，探討DEM快速生成的方法，成果通過精度評定與質量檢查，確實可靠，具有良好可行的運用前景。

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