基于多種軟件的DEM生產(chǎn)方法探討

趙莎莎 王偉麗 徐文會(huì)

(1.自然資源部第一航測(cè)遙感院 陜西西安 710054；2.西安航天宏圖信息技術(shù)有限公司 陜西西安 710005)

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)是用一組有序數(shù)值陣列的形式來(lái)表示地面高程的實(shí)體地面模型[1]，能真實(shí)地反映地表形態(tài)，是重要的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、工程、地質(zhì)、規(guī)劃、軍事等領(lǐng)域。隨著實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目的開(kāi)展，已有的DEM成果已經(jīng)不能全面滿足自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、土地確權(quán)登記、國(guó)土空間規(guī)劃和生態(tài)修復(fù)等工作的需要，快速、高效地大批量生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)是急需解決的基礎(chǔ)性工作。

傳統(tǒng)DEM的生產(chǎn)方法主要有野外測(cè)量法、地形圖矢量化法、DLG內(nèi)插法和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量法等。其中，野外測(cè)量法精度高，但費(fèi)用高且效率低，不適合大范圍數(shù)據(jù)生產(chǎn)；地形圖矢量化法生產(chǎn)的DEM的現(xiàn)勢(shì)性較差，不能滿足快速更新的要求；DLG內(nèi)插法比地形圖矢量化法更簡(jiǎn)易高效，但較難獲取精度要求一致的、大范圍的DLG建庫(kù)數(shù)據(jù)；數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法是DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)較常用的方法，精度高，但人工編輯的工作量較大。因此，急需探討能滿足實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的、高效生產(chǎn)高精度DEM成果的方法。

本文在大量DEM生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出一種基于現(xiàn)有相關(guān)軟件高效生產(chǎn)DEM的方法。為了驗(yàn)證該方法的可靠性，選擇某一具有代表性的地區(qū)作為研究區(qū)。該地區(qū)地表覆蓋類型復(fù)雜多樣，沙漠、戈壁、草地、水域、林地、耕地自西向東呈梯形分布，水體較多，植被和建筑物較少。本文重點(diǎn)對(duì)水體的自動(dòng)提取、立體匹配和DEM編輯等技術(shù)進(jìn)行研究。

1 高精度DEM生產(chǎn)

1.1 高精度DEM生產(chǎn)中使用的相關(guān)軟件

1.1.1 GEOWAY CIPS集群式影像處理系統(tǒng)

GEOWAY CIPS集群式影像處理系統(tǒng)是一個(gè)構(gòu)建在網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境下，適合大規(guī)模遙感影像快速、批量處理的一整套軟硬件綜合產(chǎn)品，其核心部分是基于高性能集群計(jì)算環(huán)境的海量遙感影像自動(dòng)處理[2]。GEOWAY CIPS集群式影像處理系統(tǒng)是進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配的主要軟件之一，在進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配時(shí)可以選擇性地生產(chǎn)物方優(yōu)化數(shù)據(jù)，同時(shí)得到兩套匹配成果；其缺點(diǎn)是操作復(fù)雜，匹配時(shí)間長(zhǎng)，匹配成果容易出現(xiàn)臺(tái)階狀暈渲，后期較難處理。

1.1.2 INPHO軟件

INPHO軟件是目前被廣泛應(yīng)用的攝影測(cè)量系統(tǒng)，它作為專業(yè)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)軟件，包含空三加密、數(shù)字地面模型匹配、數(shù)字正射影像糾正和影像拼接等系列模塊[3]。該軟件匹配數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)是可以將大面積云雪區(qū)域等劃定為模糊范圍，從而加快匹配速度，匹配成果整體較光滑，呈現(xiàn)出的地表形態(tài)整體趨勢(shì)更合理；其缺點(diǎn)是批量匹配時(shí)設(shè)置煩瑣，匹配成果容易出現(xiàn)格網(wǎng)狀暈渲。

1.1.3 PhotoMap軟件

PhotoMap軟件是一款針對(duì)高分辨率遙感影像的半自動(dòng)化生產(chǎn)軟件，在空中三角測(cè)量和DSM匹配完成后，使用攝影測(cè)量方法編輯生產(chǎn)DSM、DEM和制作DOM成果。PhotoMap軟件功能包括兩部分：DSM/DEM編輯功能和DOM鑲嵌編輯功能[4]。該軟件是DEM編輯階段使用的主要軟件，主要用到濾波、局部置平、升降高程和成果分幅輸出等功能。

1.1.4 簡(jiǎn)譯軟件

簡(jiǎn)譯軟件是一款目前應(yīng)用較為普遍的遙感影像信息提取軟件，其優(yōu)勢(shì)在于全中文界面，操作簡(jiǎn)單，能結(jié)合面向?qū)ο蠓诸悾杂汕袚Q多尺度分割，進(jìn)行多尺度編輯，且矢量輸出效果媲美人工編輯；其缺點(diǎn)是功能單一，性能不穩(wěn)定，不便于大面積的影像解譯。簡(jiǎn)譯軟件主要應(yīng)用于水資源、建筑物等影像信息的提取。該軟件是DEM生產(chǎn)中水體自動(dòng)提取階段使用的主要軟件。

1.1.5 ArcGIS軟件

ArcGIS軟件是一款功能非常強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件[5]，可以處理多種格式的地理信息數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行多樣的空間數(shù)據(jù)分析。在高精度DEM生產(chǎn)方法中主要利用該軟件的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、緩沖區(qū)分析、數(shù)據(jù)融合與合并等基本功能，輔助DEM生產(chǎn)。

1.2 高精度DEM生產(chǎn)流程

首先，利用資源三號(hào)等衛(wèi)星影像和控制點(diǎn)資料進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，構(gòu)建立體模型，分別利用GEOWAY CIPS集群式影像處理系統(tǒng)和INPHO軟件匹配兩套DSM數(shù)據(jù)；其次，利用PhotoMap軟件進(jìn)行立體模型恢復(fù)，根據(jù)地形地貌選擇合適的DSM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參考DOM及其他相關(guān)資料，先對(duì)建筑、橋梁、林地等非地面區(qū)域進(jìn)行DEM 濾波編輯，并進(jìn)行降低高程處理，即將地表高程降至地面高程，再對(duì)其他地面區(qū)域進(jìn)行濾波處理，同時(shí)利用簡(jiǎn)譯軟件提取的水體邊界范圍進(jìn)行水域高程置平；最后，經(jīng)接邊、分幅裁切、元數(shù)據(jù)制作、質(zhì)量檢查等操作，生成高精度的DEM分幅成果。高精度DEM生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 高精度DEM生產(chǎn)流程Fig.1 Work Flow of High- Accuracy DEM Making

2 自動(dòng)提取水體

傳統(tǒng)DEM水體范圍采集是基于DOM或立體模型進(jìn)行人工采集，工作量大，效率低且邊界精度參差不齊。本方法使用簡(jiǎn)譯軟件結(jié)合地理國(guó)情監(jiān)測(cè)水域數(shù)據(jù)，自動(dòng)解譯提取水體范圍，操作簡(jiǎn)單且精度符合要求，極大地提高了工作效率。

2.1 基于ArcGIS生成解譯范圍

利用ArcGIS軟件對(duì)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的水域?qū)舆M(jìn)行緩沖區(qū)處理，生成需要自動(dòng)解譯的范圍，文件格式為shp格式。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將緩沖區(qū)距離設(shè)置為100～200 m，可有效覆蓋研究區(qū)DOM中水體的范圍。這樣在后期自動(dòng)解譯時(shí)速度快，而且綜合效率最高。

2.2 利用簡(jiǎn)譯軟件生成水體范圍

將生成的自動(dòng)解譯范圍的shp格式文件導(dǎo)入簡(jiǎn)譯軟件。簡(jiǎn)譯軟件只自動(dòng)解譯緩沖區(qū)內(nèi)的DOM影像，大大縮小了解譯范圍。由于自動(dòng)解譯范圍內(nèi)的地物相對(duì)簡(jiǎn)單，因此干擾特征大量減少，凸顯了水體特征，大幅提高了解譯精度和解譯速度。

在簡(jiǎn)譯軟件中通常是人工選取水體樣本，因而可根據(jù)不同地形靈活調(diào)整分割尺度，自動(dòng)融合生成完整連續(xù)的水體范圍，再進(jìn)行節(jié)點(diǎn)抽稀平滑處理，得到準(zhǔn)確的矢量格式的水體范圍。

3 立體匹配數(shù)據(jù)選擇

針對(duì)研究區(qū)的地形，分別利用GEOWAY CIPS和INPHO軟件自動(dòng)匹配了兩套DSM數(shù)據(jù)作為DEM生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

利用GEOWAY CIPS進(jìn)行立體匹配，整體噪聲點(diǎn)較多，在范圍較大的地形平緩區(qū)域存在明顯臺(tái)階狀暈渲，人工處理很難達(dá)到精度要求。但其立體匹配的優(yōu)勢(shì)是在山脊和山頂位置匹配效果較好，能夠準(zhǔn)確顯示高地的最高點(diǎn)，有利于把控整體地形狀況，提高匹配精度。此外，利用該軟件進(jìn)行立體匹配，對(duì)礫石地、沖溝和壟狀沙丘等微小地貌的表達(dá)比較細(xì)致。

利用INPHO進(jìn)行立體匹配，整體比較光滑，噪聲點(diǎn)減少，平緩區(qū)域精度較高，暈渲表達(dá)合理，且溝谷區(qū)域表達(dá)連續(xù)，所需人工干預(yù)少，但其在微小地貌及地形變換處精度損失較大。

綜上，這兩種軟件進(jìn)行立體匹配各有優(yōu)勢(shì)，都可以快速得到大量的初始匹配結(jié)果。在利用PhotoMap進(jìn)行DEM編輯時(shí)，根據(jù)本測(cè)區(qū)的地形特點(diǎn)，選取INPHO匹配數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)[石地、丘陵、地形變化較多的山地區(qū)域或INPHO匹配數(shù)據(jù)出現(xiàn)格網(wǎng)暈渲時(shí)，可使用GEOWAY CIPS數(shù)據(jù)作為替換數(shù)據(jù)。將這兩套初始匹配數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充使用，在保證精度的前提下，可以減少人工干預(yù)的工作量，最大限度展現(xiàn)地貌形態(tài)特征。兩種軟件在不同地形的匹配效果如圖2所示。

圖 2 兩種軟件在不同地形的匹配效果Fig.2 Matching Effects of Two Kinds of Software in Different Terrains

4 DEM編輯

在高精度DEM生產(chǎn)方法中，DEM濾波編輯及后期的接邊、鑲嵌和分幅裁切等工作都是利用PhotoMap軟件完成的，主要使用的功能有均值、降低高程、緩沖區(qū)分析、鑲嵌和DEM替補(bǔ)等。

4.1 均 值

對(duì)于初始匹配結(jié)果較好的區(qū)域，可以根據(jù)區(qū)域圈定濾波范圍，給定過(guò)渡寬度，再用設(shè)定的快捷鍵直接使用“均值”工具就能得到較好的濾波結(jié)果。

4.2 降低、抬高高程

對(duì)于局部出現(xiàn)不合理的較高或較低區(qū)域，可以使用“降低、抬高高程”功能進(jìn)行快速的高程降低與抬高處理，再結(jié)合“均值”工具將明顯的邊緣痕跡處理合理。

4.3 緩沖區(qū)分析

對(duì)于連續(xù)的山脊和溝谷，可以劃定線條，根據(jù)給定的緩沖寬度，利用PhotoMap軟件自動(dòng)在緩沖范圍內(nèi)進(jìn)行濾波處理。濾波處理后的暈渲過(guò)渡自然，效果較好。

4.4 DEM替補(bǔ)

當(dāng)局部數(shù)據(jù)需要替換其他匹配成果，如云影、雪山或砂礫地等特殊地貌有更好的DEM數(shù)據(jù)來(lái)替換時(shí)，可以使用“DEM替補(bǔ)”工具，對(duì)圈定的范圍進(jìn)行快速替換，使用較靈活。

以上這些常用到的功能，在PhotoMap軟件中都能通過(guò)設(shè)置快捷鍵快速地進(jìn)行功能切換，在具體工作中靈活使用各種功能，能得到更好的濾波效果。

4.5 鑲 嵌

DEM編輯完成后，還需要在PhotoMap軟件中使用“鑲嵌或局部替補(bǔ)”功能完成接邊工作，然后就可以使用鑲嵌工具拼接區(qū)域性的DEM成果，也可以使用圖幅工具以標(biāo)準(zhǔn)圖幅或指定裁切坐標(biāo)范圍輸出需要的DEM成果。

5 精度分析

按項(xiàng)目設(shè)計(jì)書(shū)的要求，本測(cè)區(qū)內(nèi)的平地、丘陵地、山地、高山地格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差的要求分別為4 m、5 m、8 m和13 m，高程中誤差的兩倍為檢查采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)限差，高程值取位至0.01 m。DEM成果的高程精度通過(guò)高程中誤差進(jìn)行檢測(cè)，是將檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)高程值與DEM格網(wǎng)內(nèi)插的檢測(cè)點(diǎn)高程值進(jìn)行比較，得到高程較差，再利用中誤差計(jì)算公式得到高程中誤差。

本文選取測(cè)區(qū)成果中的28幅數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)地形類別包括平地、丘陵地、山地和高山地，地物要素涵蓋建筑物、水系、道路和植被等，一共選取1 379個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 DEM成果的高程中誤差Tab.1 Elevation RMSE of DEM Achievements地形類別圖幅/幅平均檢測(cè)點(diǎn)/個(gè)允許中誤差/m檢測(cè)中誤差/m平地53541.11丘陵74651.52山地85782.13高山地852132.84

從表1可以看出，基于現(xiàn)有相關(guān)軟件高效生產(chǎn)DEM方法得到的DEM成果精度遠(yuǎn)高于項(xiàng)目設(shè)計(jì)書(shū)要求的成果精度。

6 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字高程模型是傳統(tǒng)的地理信息成果，隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，DEM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)方法在不斷地改進(jìn)。當(dāng)前實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)等數(shù)字化項(xiàng)目對(duì)DEM成果的精度和更新速度提出了更高的要求。本文在生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合多種數(shù)據(jù)處理軟件的優(yōu)勢(shì)，提出了一種快速生產(chǎn)高精度DEM的方法，解決了生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題，為實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目的開(kāi)展提供了一種新的DEM生產(chǎn)方式。