實景三維DEM生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量檢查方法

王偉麗 穆利娜 任 峻

(1.自然資源部第一航測遙感院 陜西西安 710054；2.自然資源部測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所 陜西西安 710054)

實景三維作為真實、立體、時序化反映人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的時空信息，是國家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施，通過“人機兼容、物聯(lián)感知、泛在服務(wù)”實現(xiàn)數(shù)字空間與現(xiàn)實空間的實時關(guān)聯(lián)互通，為數(shù)字中國提供統(tǒng)一的空間定位框架和分析基礎(chǔ)，是數(shù)字政府、數(shù)字經(jīng)濟重要的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)資源和生產(chǎn)要素。

地形級實景三維場景主要表現(xiàn)城鄉(xiāng)大區(qū)域地形地貌，從高空視角觀看，能夠直觀展現(xiàn)山川河流、村鎮(zhèn)分布和城市形態(tài)。地形級產(chǎn)品由數(shù)字高程模型(DEM)/數(shù)字表面模型(DSM)與數(shù)字正射影像(DOM)/真正射影像(TDOM)及地理實體融合實時感知數(shù)據(jù)構(gòu)成。 其中，DEM描述的是地面高程信息； DSM是指地表的高程信息； DOM是具有地圖幾何精度和影像特征的圖像集；TDOM是消除了建筑的投影誤差,只能看到建筑物的頂部,不會發(fā)生建筑物之間的遮蓋的正射影像；地理實體融合實時感知數(shù)據(jù)是指現(xiàn)實世界中占據(jù)一定且連續(xù)空間位置和范圍、單獨具有同一屬性或完整功能的地理對象，為實現(xiàn)某種統(tǒng)一功能或達(dá)到某種管理目的而形成的地理實體數(shù)據(jù)集合。

DEM生產(chǎn)的數(shù)據(jù)源有地形圖、光學(xué)影像、合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)等，衛(wèi)星遙感影像匹配生成DSM數(shù)據(jù)是目前獲取DEM數(shù)據(jù)的一個主要手段，具有成本低、現(xiàn)勢性高和覆蓋面大的特點。

實景三維DEM的生產(chǎn)流程：以衛(wèi)星遙感影像作為數(shù)據(jù)源，基于區(qū)域網(wǎng)平差后的立體衛(wèi)星影像，首先，利用影像處理系統(tǒng)的密集點云匹配技術(shù)，得到初始DSM匹配數(shù)據(jù)[1]；其次，采用自動和人機交互相結(jié)合的方式，在二維和三維編輯環(huán)境中進(jìn)行編輯處理，對植被及建筑物等人工構(gòu)筑物進(jìn)行濾波降低高程和編輯處理，得到地面高程數(shù)據(jù)模型；最后，經(jīng)數(shù)據(jù)鑲嵌、裁切處理，形成圖幅DEM成果。其中，影像匹配和DEM的編輯處理是生產(chǎn)高精度DEM的關(guān)鍵。

1 影像匹配技術(shù)

影像匹配是通過一定的匹配算法在多景影像重疊區(qū)識別同名點的過程，即利用互相關(guān)函數(shù)，評價重疊區(qū)域多個影像的相似性以確定同名點。首先提取以待定點為中心的小區(qū)域中的影像信號，然后提取另一影像中相應(yīng)區(qū)域的影像信號，計算二者的相關(guān)函數(shù)，最后以相關(guān)函數(shù)最大值對應(yīng)的相應(yīng)區(qū)域中心點為同名點。同名點的確定是以匹配測度為基礎(chǔ)的，基于不同的理論或不同的思想可以定義各種不同的匹配測度，因而形成了各種影像匹配方法及相應(yīng)的實現(xiàn)算法。常見的基于像方灰度的影像匹配算法有相關(guān)函數(shù)法、相關(guān)系數(shù)法及最小二乘法等，基于像方特征的影像匹配算法有跨接法影像匹配、金字塔多級影像匹配等。

目前，PixelGrid、CIPS、INPHO軟件是批量生產(chǎn)DSM的比較成熟的影像處理系統(tǒng)，均可通過數(shù)碼影像、衛(wèi)星遙感影像或者傳統(tǒng)光學(xué)掃描影像，在少量人工干預(yù)下，經(jīng)過一系列的自動化處理，輸出包括DSM、DEM、DOM和TDOM等成果，并能生成一系列其他中間產(chǎn)品。不同影像處理系統(tǒng)的匹配算法不同，導(dǎo)致匹配結(jié)果也不同，另外，生產(chǎn)區(qū)域地貌類型及特征千差萬別，不同影像處理系統(tǒng)對不同地貌類型的匹配效果也不同。因此，在實際生產(chǎn)中需要結(jié)合項目的具體要求，從匹配結(jié)果的地貌細(xì)節(jié)表現(xiàn)力、暈渲表達(dá)等方面，對各類影像處理系統(tǒng)的匹配結(jié)果進(jìn)行綜合分析，根據(jù)綜合分析結(jié)果確定某個軟件的匹配結(jié)果用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其余軟件匹配結(jié)果作為替補數(shù)據(jù)，從而減少人工編輯的工作量。

本文以實景三維DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)為例，對利用PixelGrid、CIPS、INPHO軟件匹配不同地貌影像數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行分析。圖1為利用PixelGrid、CIPS、INPHO軟件進(jìn)行山地地形DSM匹配的效果。

圖1 不同軟件山地匹配效果

從圖1可以看出，不同軟件匹配結(jié)果存在差異，在山地區(qū)域，PixelGrid匹配數(shù)據(jù)噪聲點多，暈渲粗糙、不光滑；CIPS匹配數(shù)據(jù)噪聲點較多，暈渲粗糙、不光滑，緩坡區(qū)域存在臺階狀暈渲；INPHO的匹配數(shù)據(jù)噪聲點相對較少，暈渲比較光滑，但平緩區(qū)域存在格網(wǎng)、鋸齒狀暈渲，對個別破碎地貌容易損失地貌形態(tài)。圖2為利用PixelGrid、CIPS、INPHO軟件進(jìn)行水域匹配的效果。

圖2 不同軟件水域匹配效果

從圖2可以看出，對于水域的匹配，PixelGrid的匹配數(shù)據(jù)大粗差點較多，水域內(nèi)暈渲呈現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象；CIPS的匹配數(shù)據(jù)小粗差點較多，暈渲粗糙、不光滑；INPHO的匹配數(shù)據(jù)存在大粗差點，但暈渲比較光滑。總之，3種軟件對水域的匹配效果都不理想。圖3為利用PixelGrid、CIPS、INPHO軟件進(jìn)行重疊區(qū)域存在云雪的影像匹配的效果。

從圖3可以看出，存在云雪的影像，由于影像紋理較弱，PixelGrid、INPHO和CIPS軟件的匹配效果都不理想， 因此在實際生產(chǎn)中應(yīng)盡量采用重疊區(qū)域內(nèi)無云雪影像的匹配結(jié)果。如果沒有替換的云雪影像，可使用3種軟件的匹配結(jié)果相互替補。例如，同一區(qū)域內(nèi)3種軟件匹配數(shù)據(jù)都有大粗差點但位置不同，可以用匹配效果相對較好的軟件的匹配結(jié)果作為底圖數(shù)據(jù)，另外兩種軟件的匹配數(shù)據(jù)作為替補數(shù)據(jù)，如果沒有替換數(shù)據(jù)的小范圍區(qū)域則需要人工修補，這樣就可以得到較好的效果。如果影像中云雪范圍較大，則可以使用現(xiàn)勢性相對較弱的DEM數(shù)據(jù)作為替補。PixelGrid、CIPS、INPHO軟件對不同地貌匹配效果對比見表1。

圖3 不同軟件云雪區(qū)域匹配效果

表1 各軟件匹配效果對比Tab.1 Contrast with Different Softwares in Matching Effect軟 件平地、丘陵地山地、高山地PixelGrid 整體符合立體,噪聲點多,人工編輯量大 與立體套合,較寬山脊、山頂匹配到位,窄脊有削地形的現(xiàn)象,微小地貌表達(dá)較好;部分溝谷存在不連續(xù)CIPS 整體符合立體,噪聲點較多,人工編輯量大,部分平地、緩坡區(qū)域存在臺階狀暈渲 與立體套合,較寬山脊、山頂匹配到位,窄脊和微小地貌表達(dá)較好;部分溝谷存在不連續(xù),較緩山坡易出現(xiàn)臺階暈渲 INPHO 整體符合立體,噪聲點較少,人工編輯量少,部分平地區(qū)域存在格網(wǎng)、鋸齒狀暈渲 與立體套合,溝谷區(qū)域匹配精度、暈渲效果較好,山脊、山頂表達(dá)正確;個別微小地貌表達(dá)不到位

根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，在匹配效率方面，PixelGrid的匹配效率低，單景匹配通常需要12.5 h；CIPS自動化程度較高，單景匹配通常需要8.5 h；INPHO在影像匹配時是人工操作批處理，有時還需要人工干預(yù)，單景匹配通常需要9.2 h。在匹配結(jié)果方面，3種軟件的匹配結(jié)果均能反映地表形態(tài)。因此，在綜合考慮成果質(zhì)量及生產(chǎn)效率情況下，生產(chǎn)高精度DEM還需要根據(jù)實際項目的地形情況來確定使用哪種軟件。

1) IOI 2) stack [st?k] n. 3) pretend [pr?'tend] v.電影中的反派公司的名稱 堆疊 假裝

對于平地、丘陵地，宜采用CIPS軟件的匹配結(jié)果作為底圖數(shù)據(jù)，能更好地表達(dá)出地形的細(xì)節(jié)；對于山地、高山地，宜使用INPHO的匹配結(jié)果作為底圖數(shù)據(jù)，破碎地貌區(qū)域可以使用CIPS的匹配結(jié)果作為替補數(shù)據(jù)。

2 人工交互編輯

DEM人工交互編輯包括二維編輯和三維編輯。二維編輯主要是對地貌暈渲異常情況進(jìn)行處理；三維編輯是基于立體模型，人工目視查看DEM格網(wǎng)點是否符合地貌形態(tài)，對立體不符合區(qū)域進(jìn)行編輯處理，其中，沖溝地貌、沙漠地貌、植被覆蓋區(qū)域和陰影區(qū)域等是編輯難點。

2.1 沖溝地貌

沖溝地貌地形通常都較為破碎，微小沖溝較多。沖溝地貌編輯以體現(xiàn)地貌形態(tài)特點為目的，對長度小于30 m的沖溝，不需要表示，進(jìn)行綜合取舍。如果溝脊形態(tài)較為凌亂，可先進(jìn)行輕度平滑處理，再進(jìn)行降低高程處理，同時要兼顧暈渲顯示效果。沖溝地貌編輯前后效果如圖4所示。

圖4 沖溝地貌的表達(dá)

2.2 沙漠地貌

沙漠區(qū)域影像紋理特征不明顯，屬于弱紋理區(qū)域，匹配效果較差。通過對匹配影像進(jìn)行增強處理，可以改善匹配效果。沙漠地貌編輯時，首先判斷整個地貌的走勢，判斷出主要的地貌形態(tài)和主要的溝脊走向，然后遵循“由整體到局部，由粗到細(xì)”的原則進(jìn)行編輯，避免出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差。沙漠地貌編輯前后效果如圖5所示。

圖5 沙丘地貌的表達(dá)

2.3 植被覆蓋區(qū)域

植被覆蓋區(qū)域DEM編輯的難點是對植被覆蓋區(qū)地貌形態(tài)的判斷，需要根據(jù)邊緣裸露地表和植被縫隙的可見地表，判斷植被覆蓋區(qū)地貌形態(tài)。對于植被覆蓋區(qū)域間雜有裸露地表的，需要注意植被降低高程處理后與裸露區(qū)域的地形自然協(xié)調(diào)；對于植被濃密完全覆蓋區(qū)域，地形判斷要符合區(qū)域地貌特征，還需要判斷出是尖銳深溝還是圓滑淺溝，是有起伏還是平地，避免植被覆蓋區(qū)地形表達(dá)的異常。植被覆蓋區(qū)域編輯前后效果如圖6所示。

圖6 植被覆蓋區(qū)域的地形表達(dá)

2.4 陰影區(qū)域

陰影區(qū)域影像紋理特征通常較弱，影像匹配結(jié)果中出現(xiàn)大錯的幾率較高。人工交互編輯時，應(yīng)注意替補使用同一區(qū)域不同影像的匹配結(jié)果。由于角度及光照的影響，不同影像陰影覆蓋區(qū)域范圍不同，同一區(qū)域不同影像匹配結(jié)果的替補使用，可以最大化減少人工編輯工作量。

另外，陰影區(qū)域編輯時，還可通過對陰影區(qū)域影像色調(diào)的調(diào)整來增加對地形特征的辨識度，使編輯結(jié)果更符合實際地形。陰影區(qū)域編輯前后效果如圖7所示。

圖7 陰影區(qū)域的表達(dá)

2.5 地形突變區(qū)域

地形突變區(qū)域通常位于坡腳、陡崖和陡坎處，受匹配成果格網(wǎng)間隔的制約，地形突變處的匹配結(jié)果很難準(zhǔn)確體現(xiàn)出突變處的地貌形態(tài)，即使采用濾波及降低高程等處理也不易準(zhǔn)確表達(dá)地形突變處的地形。對于地形突變處通常采用特征線構(gòu)TIN的方式進(jìn)行編輯。從編輯后的曲線的形態(tài)上看，坡腳、陡崖和陡坎處曲線比較密集，與地形地貌貼合較好，反之地形突變處曲線稀疏的地方與地貌不符。地形突變區(qū)域編輯前后效果如圖8所示。

圖8 地形突變區(qū)域的表達(dá)

3 DEM質(zhì)量檢查方法

實景三維DEM質(zhì)量檢查內(nèi)容包括DEM起止點坐標(biāo)及范圍、DEM數(shù)據(jù)格網(wǎng)尺寸、數(shù)據(jù)文件存儲格式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、相鄰圖幅之間接邊、投影信息參數(shù)和所使用影像的時相及質(zhì)量等。實景三維DEM數(shù)據(jù)檢查方法通常包括人工檢查和程序檢查。人工檢查分為二維暈渲檢查和三維立體檢查。二維暈渲檢查主要是檢查是否有與實際地貌不符的臺階、硬棱、粗差和跳點等，不能出現(xiàn)地貌突變和異常，以滿足可視化展示的需要。程序檢查通常是對格網(wǎng)坐標(biāo)、數(shù)據(jù)組織格式、圖幅間接邊、水域置平和元數(shù)據(jù)的內(nèi)容及格式進(jìn)行檢查。

3.1 二維暈渲檢查

DEM暈渲圖的過程檢查是采用PhotoMaper軟件，通過設(shè)置放大比例，再使用DEM動態(tài)暈渲功能瀏覽DEM暈渲圖，能更直觀地發(fā)現(xiàn)DEM數(shù)據(jù)中存在的臺階、粗差和硬棱等問題，同時還要結(jié)合DOM來判斷這些問題是否為暈渲異?，F(xiàn)象。

實際生產(chǎn)中，通常是利用ArcMap軟件對DEM成果進(jìn)行檢查驗收。利用ArcMap軟件的影像分析功能生成DEM暈渲圖，逐屏瀏覽暈渲圖，檢查是否存在臺階、粗差和硬棱等問題。ArcMap中的暈渲顯示效果相當(dāng)于PhotoMaper軟件中放大2倍比例的效果。因此在生產(chǎn)中作業(yè)人員在PhotoMaper軟件檢查DEM暈渲圖時，要在放大2倍比例的狀態(tài)下進(jìn)行。兩種軟件的暈渲效果見圖9。

圖9 兩種軟件的暈渲效果

3.2 三維立體檢查

利用PhotoMaper軟件，在立體環(huán)境下，利用DEM等視差曲線及格網(wǎng)點顯示，在立體模型上進(jìn)行套合檢查[3]。在進(jìn)行套合檢查時，如果以一種等視差曲線的間距進(jìn)行檢查就很難發(fā)現(xiàn)平坦區(qū)域存在的問題。根據(jù)不同地形類別設(shè)定等視差曲線的間距，平地、丘陵地通常設(shè)置為2 m，山地設(shè)置為5 m，高山地設(shè)置為10 m[3]。對于山地、高山地圖幅內(nèi)的平坦區(qū)域，需要將等視差曲線的間距改為2 m 進(jìn)行立體套合檢查；對于丘陵地圖幅內(nèi)的陡峭山地，則需要將等視差曲線的間距改為5 m進(jìn)行檢查，避免出現(xiàn)視差曲線的間距過小影響對地形判讀的準(zhǔn)確性。

對于存在影像紋理差異的區(qū)域，在立體檢查過程中需調(diào)節(jié)影像亮度，對不同紋理區(qū)域分別調(diào)整影像亮度，得到適合立體檢查的各個不同紋理區(qū)域的影像亮度，以便準(zhǔn)確判讀各種地貌細(xì)節(jié)特征。

逐屏檢查等高線及格網(wǎng)點與立體模型的貼合狀態(tài)時，將等高線與格網(wǎng)點的顯示設(shè)置為快捷鍵，便于切換等高線與格網(wǎng)點顯示，能更直觀地檢查建筑物、橋梁、植被等非地面區(qū)域的DEM高程點是否與地面高程一致，山脊、溝谷處DEM高程點是否與地貌形態(tài)表現(xiàn)得一致。

對于水域檢查，首先，在立體模式下檢查水域范圍采集的正確性；其次，利用DEM暈渲疊加等視差曲線及水域范圍，檢查靜止水域內(nèi)DEM高程是否合理，不允許出現(xiàn)水域高程高于岸邊高程的情況，同時水域高程也不能過低；最后，檢查流動水域?qū)挾却笥?0 m的是否是自上而下平緩過渡表示[4]。

3.3 程序檢查

利用檢查軟件對DEM數(shù)據(jù)的格網(wǎng)坐標(biāo)、數(shù)據(jù)組織、圖幅接邊、水域置平及元數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。首先根據(jù)比例尺、圖幅外擴范圍設(shè)置各檢查項的環(huán)境參數(shù)，再進(jìn)行各項檢查。 需要注意，對水域的檢查結(jié)果還需要導(dǎo)入圖幅內(nèi)進(jìn)行立體排查，如果出現(xiàn)水比岸高的點，可能是岸邊存在錯誤的低點，修改低點處高程至地面高程即可。

4 結(jié) 語

本文從實景三維中國建設(shè)項目DEM生產(chǎn)需求出發(fā)，通過對PixelGrid、CIPS、INPHO 3種軟件匹配DSM數(shù)據(jù)的效果進(jìn)行對比，分析了不同軟件匹配DSM數(shù)據(jù)各自的優(yōu)劣勢，提出優(yōu)勢互補的利用方案。DEM人工編輯是制作DEM的難點，從作業(yè)難點、困難區(qū)域、不同地形地貌等方面對DEM生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的主要問題進(jìn)行了分析，給出合理的解決方法。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，從二維暈渲、三維立體和程序三方面進(jìn)行質(zhì)量檢查，以有效控制DEM成果質(zhì)量。隨著DEM的廣泛應(yīng)用，對DEM的質(zhì)量要求也會越來越高，生產(chǎn)中需要不斷探索新方法，以適應(yīng)發(fā)展需要。