ASTER立體像對提取的DEM及其精度評(píng)價(jià)

謝玉娟，劉 軒，賈守軍

(河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

ASTER立體像對提取的DEM及其精度評(píng)價(jià)

謝玉娟，劉 軒，賈守軍

(河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

以北京懷柔風(fēng)景區(qū)ASTER影像立體像對為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助ENVI軟件提取了該區(qū)域的DEM，并采用抽樣檢查點(diǎn)法對提取的DEM進(jìn)行了精度評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：與1∶50 000實(shí)測地形圖相比，提取的DEM吻合度高，地表覆蓋物、山脈等特征均較為清晰；隨著控制點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，DEM的高程精度雖有波動(dòng)，但中誤差和標(biāo)準(zhǔn)差在總體上呈下降趨勢，精度可達(dá)到10.45 m；采用ASTER立體像對提取的DEM，雖然與實(shí)測DEM相比存在一些差異，但基本能滿足中小比例尺地圖制圖的要求。

立體像對；ASTER影像；DEM；精度評(píng)價(jià)；懷柔風(fēng)景區(qū)

隨著遙感技術(shù)、光電技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感影像正朝著高精度、多光譜、高分辨率的方向發(fā)展，因其具備穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)，遙感數(shù)據(jù)正逐漸得到各行各業(yè)的重視。其中，數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)，是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型。數(shù)字高程模型是地理空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在與地形相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域中均發(fā)揮重要的作用[1]。利用衛(wèi)星影像立體像對進(jìn)行立體量測得到DEM，大大縮短了DEM生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，因而研究其生成方法及質(zhì)量控制具有重要的意義。立體數(shù)據(jù)的獲取包括航空遙感和星載遙感兩種?；诹Ⅲw像對提取高程信息精度與立體像對基高比相關(guān)，由于早期衛(wèi)星遙感不具有側(cè)視成像功能，相鄰立體像對的基高比小，提取的高程信息不能滿足精度需要，近年來發(fā)射的高分辨遙感衛(wèi)星大都具有側(cè)視成像能力，具備與航空立體像對接近的基高比，使星載遙感立體像對獲取DEM成為可能[2]。

ASTER傳感器覆蓋了從可見光到熱紅外14個(gè)波段的波譜范圍。其第三波段分辨率為15 m，同時(shí)具備朝向星下點(diǎn)和朝向后方傳感器，可以同軌拍攝立體像對且基高比值大，非常有利于生成數(shù)字高程模型[3]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用ASTER立體像對建立DEM，對其精度評(píng)價(jià)及影響因素進(jìn)行了大量研究。Tesfaye Haimanot Tarekegn 等[4]評(píng)價(jià)了一個(gè)由ASTER生成的洪水動(dòng)力模型的精度。Daisaku Kawabata 等[5]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合ASTER生成的DEM和地質(zhì)數(shù)據(jù)，對Mid Niigata Prefecture 地震區(qū)域進(jìn)行了滑坡敏感性分析。粱福源等[6]利用ASTER影像提取了廣西大化地區(qū)高峰叢深洼地的喀斯特地貌DEM，并且將提取的DEM數(shù)據(jù)與該地區(qū)1∶50 000的地形圖控制點(diǎn)高程進(jìn)行了對比。王廣杰等[7]對利用ASTER立體像對提取的青藏高原瑪爾擋壩區(qū)的DEM進(jìn)行了精度評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上對誤差的來源進(jìn)行了分析。萬雷等[8]比較了利用立體像對和InSAR技術(shù)，生成的東南極Grove山地區(qū)ASTER DEM和In SAR DEM的差異。

綜合相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，ASTER圖像數(shù)據(jù)可滿足1∶50 000至1∶250 000之間的中比例尺度制圖的需要，同時(shí)提取的地勢較平坦地區(qū)的DEM精度較高。但對于減少影響提取的DEM不利因素及精度控制上，需要進(jìn)一步的深入研究。本文結(jié)合北京懷柔風(fēng)景區(qū)的ASTER遙感立體像對數(shù)據(jù)，結(jié)合ENVI軟件提取DEM精度，并采用抽樣檢查點(diǎn)法對提取的DEM進(jìn)行了精度評(píng)價(jià)，為相關(guān)研究提供參考與借鑒。

1 研究區(qū)域與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

本文選擇北京懷柔風(fēng)景區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，區(qū)域地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°20′ 39″～116°34′ 6″、北緯40°25′ 31″～40°43′ 11″，區(qū)內(nèi)地形有山區(qū)、平原和城區(qū)之分，其中山區(qū)海拔在800 m至1 000 m之間，地表覆蓋類型為森林，城區(qū)地處平原地區(qū)，海拔在30 m至100 m之間，地表覆蓋類型主要為森林和建筑。風(fēng)景區(qū)主要包括神堂峪自然風(fēng)景區(qū)、百泉山自然風(fēng)景區(qū)、蒙三峪自然風(fēng)景區(qū)、九眼樓自然風(fēng)景區(qū)和響水湖自然風(fēng)景區(qū)。收集該區(qū)域的WGS-84 橢球 UTM 投影等高線地形圖，并利用地形圖中高程控制點(diǎn)(精度為0.01 m)作為試驗(yàn)控制點(diǎn)，隨機(jī)選取40個(gè)高程點(diǎn)作為檢查點(diǎn)(精度為0.01 m)。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文所采用的ASTER影像數(shù)據(jù)時(shí)間為2014年6月8日，空間分辨率為15 m。后視點(diǎn)衛(wèi)星影像太陽高度角為63.86°，太陽方位角為147.21°；星下點(diǎn)衛(wèi)星影像太陽高度角為61.02°，太陽方位角為145.77°。同時(shí)收集了研究區(qū)1∶50 000地形圖與DEM數(shù)據(jù)，其大地基準(zhǔn)均為WGS-1984坐標(biāo)系。

2 DEM提取

2.1 ASTER立體像對生成DEM原理

ASTER傳感器通過推掃式成像，借助有理函數(shù)模型，在影像坐標(biāo)與空間坐標(biāo)之間建立直接關(guān)系。有理函數(shù)模型(Rational Function Model，RFM)，指將像點(diǎn)坐標(biāo)(r，c)表示為以相應(yīng)地面點(diǎn)空間(P，L，H)為自變量的多項(xiàng)式的比值。針對線陣影像特點(diǎn)，建立有理多項(xiàng)式模型為：

(1)

式中，NumL(P，L，H)，DenL(P，L，H)，NumS(P，L，H)，DenS(P，L，H)都是如下形式的多項(xiàng)式表示[9]：

X=a0+a1L+a2P+a3H+a4LP+a5LH+a6PH+a7L2+a8P2+a9H2+a10PLH+ a11L3+a12LP2+a13LH2+a14L2P+a15P3+a16PH2+a17L2H+a18P2H+a19H3

(2)

如果選取的立體像對中，不包含有理多項(xiàng)式系數(shù)信息，可以采用衛(wèi)星星歷進(jìn)行計(jì)算。在已知立體像對左片和右片的RPC參數(shù)情況下，利用已知同名像對左右片的像平面坐標(biāo)，依據(jù)前方交會(huì)原理，運(yùn)用式(1)分別建立像對左右片像平面坐標(biāo)和物方空間坐標(biāo)列方程，求解3個(gè)未知數(shù)。根據(jù)上述方法，計(jì)算出對應(yīng)點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)。

2.2 DEM數(shù)據(jù)處理流程

為得到地物點(diǎn)的位置，基于立體像對的測圖包括立體像對的像對定向和絕對定向。相比傳統(tǒng)航片測圖，不需要進(jìn)行內(nèi)定向。獲取 DEM 數(shù)據(jù)的一般處理流程見圖1。

圖1 DEM 數(shù)據(jù)的處理流程

由圖1可知，DEM制作步驟主要包括以下6個(gè)步驟：

(1) 輸入立體像對。一般左影像加載前視影。右影像加載后視影像(BWD影像為后視影像文件夾)。

(2) 定義地面控制點(diǎn)。主要有三種方式：不定義、交互式定義和讀取控制點(diǎn)文件。本文選擇不定義控制點(diǎn)，提取得到像對DEM的相對高程值，水平一般以WGS84基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)。

(3) 定義連接點(diǎn)。

(4) 設(shè)定DEM提取參數(shù)。

(5) 輸出DEM并檢查結(jié)果。

(6) 編輯DEM。

2.3 提取結(jié)果

根據(jù)上述DEM數(shù)據(jù)處理流程，研究區(qū)域ASTER立體像對提取DEM與1∶50 000參考DEM，分別見圖2。

圖2 研究區(qū)域提取DEM與1∶50 000參考DEM

3 精度評(píng)價(jià)與分析

DEM提取精度受到自然條件因素、影像獲取方式以及DEM提取方法等多方面因素影響，甚至在高山地區(qū)高程提取的誤差來源于坡度、坡向、地形起伏度和剖面[10]。DEM提取的精度評(píng)價(jià)主要是對高程內(nèi)插所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析。將航空攝影生成的1∶50 000比例尺的DEM數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用檢查點(diǎn)法對本文DEM提取實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)與分析。為了更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)DEM提取精度，將兩份數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對其研究區(qū)域范圍、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存格式以及DEM數(shù)據(jù)的分辨率進(jìn)行統(tǒng)一。

使用抽樣檢查點(diǎn)法分析DEM提取精度研究中，關(guān)鍵是檢查點(diǎn)的個(gè)數(shù)與采樣方式。在實(shí)驗(yàn)DEM數(shù)據(jù)和參考DEM數(shù)據(jù)上，隨機(jī)均勻采樣40個(gè)同名特征點(diǎn)作為DEM提取實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢查點(diǎn)。將檢查點(diǎn)的相對高程轉(zhuǎn)化為絕對高程并與參考DEM數(shù)據(jù)高程值進(jìn)行對比，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)得出不同高程差范圍內(nèi)的檢查點(diǎn)數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同高程差范圍內(nèi)的檢查點(diǎn)數(shù) 圖4 檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)對DEM提取誤差分析的影響

為驗(yàn)證提取DEM誤差精度水平，選取中誤差(RMSE)和標(biāo)準(zhǔn)誤差(SD)兩項(xiàng)指標(biāo)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。依次選取實(shí)驗(yàn)結(jié)果5、10、15、20、25、30、35、40個(gè)檢查點(diǎn)，分別計(jì)算不同檢查點(diǎn)的中誤差(RMSE)和標(biāo)準(zhǔn)誤差(SD)，結(jié)果見圖4。

隨著檢查點(diǎn)數(shù)的增加，DEM提取的精度明顯提高。當(dāng)檢查點(diǎn)數(shù)增加為40時(shí)，DEM提取實(shí)驗(yàn)的精度仍在11 m以上，反映出提取DEM精度較高。

為了準(zhǔn)確找出影響DEM提取實(shí)驗(yàn)精度的主要因素，將40個(gè)檢查點(diǎn)按照參考DEM高程值從小到大依次排序，分別選取5、10、15、20、25、30、35、40個(gè)檢查點(diǎn)，見表1。

表1 高程檢查點(diǎn)分組

計(jì)算不同高程檢查點(diǎn)分組的中誤差(RMSE)和標(biāo)準(zhǔn)誤差(SD)，結(jié)果見圖5。

圖5 高程對DEM提取實(shí)驗(yàn)精度影響

從圖5可以看出，在高程較小的情況下，DEM提取的中誤差為2 m，標(biāo)準(zhǔn)誤差為1.5 m，DEM提取的精度很高。隨著檢查點(diǎn)數(shù)增加，平均高程的不斷增加，地形起伏比較明顯，DEM提取實(shí)驗(yàn)的精度顯著降低，結(jié)合檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)對DEM提取精度評(píng)價(jià)的影響，分析表明在不同地形條件下，地形相對平坦的地區(qū)DEM提取的精度較高，地形相對陡峭的地區(qū)DEM提取的精度較低，總體上，DEM提取的精度可以達(dá)到10.45 m。

4 結(jié)論與討論

利用ASTER影像立體像對是一種快速提取DEM的新途徑。本文提取的北京懷柔風(fēng)景區(qū)DEM效果良好，與1∶50 000實(shí)測地形圖吻合度高，地表覆蓋物、山脈等特征均較為清晰。采用抽樣檢查點(diǎn)法，對ASTER圖像提取的研究區(qū)DEM精度評(píng)價(jià)的結(jié)果表明：隨著控制點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，DEM的高程精度雖有波動(dòng)，但中誤差和標(biāo)準(zhǔn)差在總體上呈下降趨勢，精度可達(dá)到10.45 m，且平原地區(qū)高程的精度明顯高于山區(qū)。采用ASTER立體像對提取的DEM，雖然與實(shí)測DEM相比存在一些差異，但基本可以滿足中小比例尺(1∶50 000)地圖制圖的要求。參考文獻(xiàn)

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DEM extraction and accuracy evaluation based on aster stereo images

XIE Yu-juan, LIU Xuan, JIA Shou-jun

(SchoolofSurveyingandMappingandLandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454000，China)

Taking ASTER image stereo pairs of Huairou scenic spot in Beijing as experimental data, the DEM of the region was extracted with ENVI software, and the precision of the extracted DEM was evaluated by sampling checkpoint method. The evaluation results show that compared with the measured topographic maps of 1:50 000, the extracted DEM has high degree of coherence, and the characteristics of surface cover and mountain range are clear. With the increase of the number of control points, the elevation accuracy of DEM is fluctuating, but the mid error and standard deviation on the whole show a downward trend, and the accuracy can reach 10.45 M. Although the DEM extracted by ASTER stereo image has some differences compared with the measured DEM, it can basically meet the requirements of small scale cartography

stereo images; ASTER image; DEM; accuracy evaluation; Huairou Scenic Spot

2016-11-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501363)

謝玉娟(1985—)，女，河南焦作人，碩士，助教。

1674-7046(2017)01-0088-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.016

P237

A