答星，單靜，朱巧云，楊曉東

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 前言

隨著“十二五”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)程的展開(kāi)，武漢市以實(shí)現(xiàn)國(guó)家“中心城市”為戰(zhàn)略使命，將大力推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、兩型社會(huì)建設(shè)和全市的信息化構(gòu)建，因此完善基礎(chǔ)地理信息的覆蓋率，將為武漢市城鄉(xiāng)統(tǒng)一規(guī)劃管理提供切實(shí)有效的基礎(chǔ)測(cè)繪保障。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Mode，DEM)作為“4D”數(shù)字化測(cè)繪產(chǎn)品之一，是一系列地面點(diǎn)的坐標(biāo)和高程值的數(shù)據(jù)集。它通過(guò)數(shù)據(jù)內(nèi)插可以描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布，廣泛應(yīng)用于派生等高線、坡度圖等信息以及與DOM、DLG等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源疊加進(jìn)行地形展示或相關(guān)空間分析［1］。同時(shí)，DEM質(zhì)量的好壞將直接影響DOM的成圖質(zhì)量和精度，當(dāng)已知航攝影像的內(nèi)外方位元素及該區(qū)域的DEM，便能根據(jù)中心投影的共線方程原理，對(duì)航攝影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正以獲取DOM。本文以武漢市江夏區(qū)約300 km2DEM生產(chǎn)項(xiàng)目為例，利用ADS80三線陣傳感器的數(shù)碼相機(jī)影像，探討利用MapMatrix系統(tǒng)進(jìn)行DEM更新生產(chǎn)的方法和操作技巧。

2 DEM的采集方法比較

目前，DEM的數(shù)據(jù)采集方法主要包括以下三種:地形測(cè)量獲取、航空攝影測(cè)量、利用LiDAR點(diǎn)云分類提?。?］。地形測(cè)量獲取方法如用GPS、全站儀野外測(cè)量采集等，該方法外業(yè)強(qiáng)度大、效率低、成本高，且對(duì)于生產(chǎn)產(chǎn)品級(jí)別的DEM數(shù)據(jù)而言，明顯高程點(diǎn)密度不足，精度質(zhì)量欠佳。航空攝影測(cè)量方法即全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)獲取DEM，即能利用核線影像自動(dòng)匹配生成DEM后再人工編輯，又能在立體環(huán)境下通過(guò)采集特征點(diǎn)線面后構(gòu)TIN生成DEM，該方法效率較高，成本投入少，且能夠滿足產(chǎn)品級(jí)DEM的生產(chǎn)精度要求。利用LiDAR點(diǎn)云進(jìn)行濾波分類提取DEM方法，其數(shù)據(jù)精度高、生產(chǎn)效率最快，但需要額外配置專業(yè)軟件對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，由于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在三維建模等領(lǐng)域應(yīng)用較廣，如僅從獲取DEM產(chǎn)品角度而言，航攝成本相對(duì)較高。本文以航空攝影測(cè)量方法這種最常規(guī)的DEM數(shù)據(jù)采集或更新手段，借助MapMatrix數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站在人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化生產(chǎn)。

3 項(xiàng)目情況簡(jiǎn)介及使用軟件說(shuō)明

本次DEM生產(chǎn)更新項(xiàng)目采用ADS80三陣列推掃數(shù)碼航空攝影儀，該傳感器集成了IMU/GPS系統(tǒng)，可以在少量地面控制點(diǎn)甚至無(wú)控制點(diǎn)的情況下進(jìn)行空三解算。相較傳統(tǒng)膠片相機(jī)和框幅式數(shù)碼相機(jī)而言，ADS80采用POS(GPS/IMU)技術(shù)，能大大縮短外業(yè)相控、空三加密解算等人工干預(yù)時(shí)間，同時(shí)減少了相片掃描和拼接環(huán)節(jié)。以40 km×100 km計(jì)算(1∶2000成圖比例尺)為例，膠片需要2500張，框幅式數(shù)碼機(jī)約需12000張，而ADS80僅需26條航帶，僅掃描和拼接一項(xiàng)就可節(jié)約工期30天左右。同時(shí)ADS80相機(jī)的12條CCD中，每條CCD為 12000像元，像元大小6.5 μm，通過(guò)選用前視(27°)、底視(0°)、后視(14°)的三組全色CCD影像中的任意兩組，最大能形成41°交會(huì)角，可以獲取接近 1∶1的基高比，從而有利于提高DEM 的采集精度［3，4］。

DEM立體編輯采用航天遠(yuǎn)景公司的MapMatrix系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于航空、衛(wèi)星遙感、外業(yè)等數(shù)據(jù)進(jìn)行多源空間信息綜合處理的平臺(tái)。它涵蓋幾個(gè)重要的模塊，其中包括: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(cè)編模塊等。該軟件能支持多種傳感器影像，如:傳統(tǒng)框幅式相機(jī)RC10、數(shù)碼影像DMC/UCD、線陣傳感器 ADS40/80、衛(wèi)星傳感器 IKONOS/QUICKBIRD 等［5］。其中DEMMatrix支持DEM數(shù)據(jù)的立體環(huán)境實(shí)時(shí)編輯，特別是使用量測(cè)出的特征點(diǎn)線面數(shù)據(jù)構(gòu)TIN，來(lái)內(nèi)插修整DEM格網(wǎng)點(diǎn)高程，通過(guò)實(shí)時(shí)顯示設(shè)定間距的等高線，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形區(qū)域高效、高精度編輯。

4 DEM數(shù)據(jù)處理更新流程

根據(jù)城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(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(chǔ)，存儲(chǔ)單元的起始點(diǎn)為整千米數(shù)。本次DEM生產(chǎn)更新項(xiàng)目將利用已有的武漢市江夏地區(qū)低精度的DEM，在立體環(huán)境下進(jìn)行更新處理。由于攝影航飛設(shè)計(jì)為東西向鋪設(shè)條帶，因而將DEM原始數(shù)據(jù)做縱向分塊處理，并設(shè)置10個(gè)格網(wǎng)間距的重疊區(qū)域，以便DEM數(shù)據(jù)的整體拼接和精度校驗(yàn)，具體分區(qū)結(jié)合表如圖1所示。

圖1 分區(qū)結(jié)合圖

本項(xiàng)目所用的ADS80數(shù)碼影像數(shù)據(jù)需先通過(guò)IPAS軟件對(duì)空中IMU、GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并解算得到飛機(jī)(相機(jī))的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。結(jié)合解得的定位定姿參數(shù)和GPRO軟件，對(duì)原始L0級(jí)影像作定向定位糾正，得到WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下的L1級(jí)影像［6］，然后利用MapMatrix系統(tǒng)完成本地坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換及恢復(fù)立體模型采集等工序。由于DEM可由多種數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，在對(duì)原始 DEM進(jìn)行分塊裁切后，需利用MapMatrix系統(tǒng)提供的DEM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。本文將IMG格式存儲(chǔ)的原始DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到NSDTF－DEM國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)空間數(shù)據(jù)格式，有利于編輯成果的二次轉(zhuǎn)換。對(duì)有特征點(diǎn)線面數(shù)據(jù)的區(qū)域，可在立體編輯前，在DEMMatrix模塊中局部構(gòu)TIN后內(nèi)插生成標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)的DEM，通過(guò)與原始DEM進(jìn)行疊加處理，提高DEM的更新效率。在切換到立體編輯環(huán)境后，可借助DEMMatrix模塊提供的編輯工具，逐點(diǎn)檢查DEM數(shù)據(jù)中格網(wǎng)點(diǎn)的高程精度，完成采集和更新工作。最后，對(duì)分區(qū)成果進(jìn)行拼接處理，并利用檢核點(diǎn)進(jìn)行精度核查［3］。其具體技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程圖

5 更新過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

5.1 坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換

由于ADS80的L1級(jí)影像是在WGS84大地坐標(biāo)系統(tǒng)下獲取，因而在更新DEM數(shù)據(jù)前需要通過(guò)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到1954年北京坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)，并利用大地水準(zhǔn)面精化模型換算至1985國(guó)家高程［7］。筆者根據(jù)測(cè)區(qū)具體概況，利用武漢市測(cè)繪研究院已有的江夏區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)和武漢市城市似大地水準(zhǔn)面精化(bin)文件，將坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換至所需坐標(biāo)系下，通過(guò)測(cè)區(qū)內(nèi)已有的像控點(diǎn)檢核，模型定向精度滿足測(cè)圖要求。但當(dāng)無(wú)七參數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，可以在MapMatrix系統(tǒng)輸入控制點(diǎn)分別在WGS84和1954年北京坐標(biāo)系統(tǒng)下同一組控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后采用十二參數(shù)仿射擬合，計(jì)算出轉(zhuǎn)換七參數(shù)。對(duì)于高程精度而言，筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)采用似大地水準(zhǔn)面精化文件改正后，比單純使用七參數(shù)轉(zhuǎn)換后高程差約14 m，可見(jiàn)區(qū)域似大地水準(zhǔn)面對(duì)DEM更新精度至關(guān)重要。

5.2 外部特征點(diǎn)線引入更新

由于ADS80采用“線中心投影”的推掃式成像原理，本身不是嚴(yán)格意義上的中心投影，因此整個(gè)影像不符合中心投影的規(guī)律，也就不存在核線，因此不能像普通框幅式核線影像匹配或基于物方匹配的方式生成DEM。雖然MapMatrix系統(tǒng)支持將ADS影像裁切成分段，使其近似中心投影成像方式，然后匹配生成分塊的DEM，但其精度和質(zhì)量難以保障。本文通過(guò)利用已有的特征點(diǎn)線文件(如測(cè)圖數(shù)據(jù)、高程散點(diǎn)等)進(jìn)行DEM更新，無(wú)疑能較大程度地提高更新效率。DEMMatrix軟件支持導(dǎo)入三維DXF文件格式或在編輯界面里記錄采集特征數(shù)據(jù)兩種方式添加三維特征要素，通過(guò)框選一定區(qū)域，進(jìn)行局部構(gòu)TIN，再以量測(cè)點(diǎn)內(nèi)插的方式修改DEM。但經(jīng)筆者測(cè)試，該方法雖可以較好地控制內(nèi)插高程點(diǎn)的精度，但處理區(qū)域不宜過(guò)大，如不超過(guò)0.5 km2。因而，筆者采用在FeatureMatrix模塊中導(dǎo)入16 km2外部測(cè)圖數(shù)據(jù)(三維DXF)進(jìn)行大面積構(gòu)TIN，然后再內(nèi)插生成該區(qū)域的DEM，通過(guò)回寫(xiě)疊加到原始DEM中，最后在DEMMatrix軟件中進(jìn)行疊加區(qū)域的檢查編輯，從而較好地解決了大量外部特征文件的利用問(wèn)題。

5.3 特殊工具的使用

在數(shù)據(jù)更新過(guò)程中，因自然力或人為原因產(chǎn)生的地形激變，可利用特征點(diǎn)、線、面三種編輯模式配合，采用區(qū)域匹配或量測(cè)內(nèi)插的局部函數(shù)內(nèi)插方法修測(cè)地形變化區(qū)域。筆者通過(guò)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，當(dāng)激變地形復(fù)雜時(shí)，可以配合使用線和點(diǎn)編輯模式實(shí)時(shí)構(gòu)TIN。當(dāng)新增節(jié)點(diǎn)對(duì)已構(gòu)三角網(wǎng)擬合地形有誤時(shí)，可及時(shí)刪除，然后利用“量測(cè)點(diǎn)內(nèi)插”處理。如有部分粗差點(diǎn)存在，還可以通過(guò)“局部平滑”處理。利用“道路推平”工具只需采集中心線，并給出相應(yīng)寬度，可高效處理鐵路、等寬公路等地形修測(cè)。此外，利用“高程均值”或“指定高程”等工具能處理大面積水域中的誤匹配現(xiàn)象。

6 成果精度

本項(xiàng)目利用武漢市測(cè)繪研究院多年積累的航攝像控點(diǎn)庫(kù)以及外業(yè)RTK采集的高程檢查散點(diǎn)，對(duì)DEM成果高程坐標(biāo)值進(jìn)行檢核，保證每幅成圖檢查點(diǎn)不少于30個(gè)。利用求得高程坐標(biāo)中誤差［8］，經(jīng)測(cè)算DEM成果精度優(yōu)于5 m格網(wǎng)城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)規(guī)范要求的平地0.7 m、丘陵1.7 m的中誤差要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目作業(yè)過(guò)程中結(jié)合ADS80數(shù)碼影像的成像優(yōu)勢(shì)，利用了MapMatrix系統(tǒng)強(qiáng)大的多源空間信息處理能力，設(shè)計(jì)了一套DEM更新的具體生產(chǎn)流程，且成果通過(guò)了精度評(píng)定與質(zhì)量檢查。在加強(qiáng)中間環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制和提高生產(chǎn)效率方面，筆者總結(jié)了生產(chǎn)流程中的若干技術(shù)方法，旨在探索一條更加科學(xué)有效地利用ADS80數(shù)據(jù)進(jìn)行DEM更新之路。

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