何兆培，楊 斌

（1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010）

數(shù)字高程模型（digital elevation models，簡稱DEM）是地表形態(tài)的數(shù)字化形式，具有廣泛的應(yīng)用潛力[1]。作為國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的框架數(shù)據(jù)之一，DEM生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如利用等高線地形圖生產(chǎn)DEM技術(shù)、利用航攝像對(duì)生成DEM的數(shù)字化攝影測量方法等。隨著航空遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，利用遙感影像提取DEM數(shù)據(jù)已成可能。

1 ASTER影像數(shù)據(jù)參數(shù)

ASTER影像數(shù)據(jù)主要應(yīng)用在土地利用與覆蓋、自然災(zāi)害、短期天氣變動(dòng)、水文等方面[2]。ASTER的DEM數(shù)據(jù)分為2種：相對(duì)DEM和絕對(duì)DEM。相對(duì)DEM不是地面控制點(diǎn)（GPC），而是參照影像中像素的最低點(diǎn)，通過衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)計(jì)算而得[3]，精度范圍為10～30 m；絕對(duì)DEM則是根據(jù)GCP而定，精度在 7 ～ 50 m[4]。

ASTER數(shù)據(jù)傳感器VNIR（可見光近紅外）子系統(tǒng)中有2個(gè)線性陣列的傳感器，分別是星下點(diǎn)方向和后視方向，兩者的夾角是27.7°，從而使得Band 3有2個(gè)數(shù)據(jù)——3N和3B。3B波段跟可見光近紅外的3N波段形成立體像對(duì)，實(shí)現(xiàn)了立體觀測，如表1所示。Band 3使用的是同步同軌道技術(shù)立體成像，即Band 3N位于地面上空拍攝后，衛(wèi)星沿著軌道前進(jìn)約1 min后，Band 3B對(duì)先前3N拍攝的地面進(jìn)行拍攝，這樣的拍攝方法可以得到基高比（攝影基線長度與攝站高度之比，B/H）為0.6的立體像對(duì)[5]，如圖1所示。

表1 ASTER的VNIR子系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 ASTER的VNIR子系統(tǒng)同軌星下點(diǎn)與后視像對(duì)幾何示意圖

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域概況

研究區(qū)域位于龍門山斷裂帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、褶皺發(fā)育，構(gòu)造對(duì)巖土體的改造強(qiáng)烈，同時(shí)巖性破碎，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育提供了條件。本文的數(shù)據(jù)采用2003-03-19的ASTER L1B數(shù)據(jù)，其中心位置為（31.007 172°N，103.170 726°E），見圖2，其范圍覆蓋龍門山中段、都江堰市、西嶺雪山。該地區(qū)位于龍門山中段，地貌特征明顯，平均海拔約為2 694 m。本實(shí)驗(yàn)使用L1B，是考慮到L1B數(shù)據(jù)已經(jīng)對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何校正和輻射定標(biāo)校正，而且利用采樣獲取的GCP作輔助，可對(duì)生成的DEM進(jìn)行幾何精校正，從而提高DEM的質(zhì)量。

圖2 研究區(qū)域

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 工作流程

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別由Exelis Visual Information Solutions公司開發(fā)的ENVI4.8圖像處理軟件、ERDAS公司開發(fā)的ERDAS IMAGINE 9.2圖像處理軟件、Atlantis公司開發(fā)的PCI圖像處理軟件進(jìn)行處理對(duì)比，流程如圖3所示。

圖3中的數(shù)學(xué)模型是Toutin’s Model，該模型適合ASTER、QickBird、SPOT、JERS等遙感數(shù)據(jù)的處理，而匹配的方法為平均標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)法[6]，地理坐標(biāo)系統(tǒng)使用UTM投影和WGS84橢球體。對(duì)于ASTER影像來說，立體像對(duì)應(yīng)使用前視影像作為左像，后視影像為右像，這是為了使得影像在重新投影時(shí)左右像擁有同一軌道方向，從而將2個(gè)影像配準(zhǔn)到同一軸線上。

圖3 DEM生成流程圖

2.2.2 影像匹配

影像匹配，實(shí)質(zhì)上是將立體像對(duì)上左像的點(diǎn)配準(zhǔn)到右像上的共軛點(diǎn)，并獲得高程信息的過程。傳統(tǒng)的立體測圖儀是通過人工在影像重疊區(qū)域進(jìn)行共軛點(diǎn)匹配[6]，而數(shù)字影像匹配是利用線性相關(guān)方程來判斷立體像對(duì)的重疊區(qū)域，尋找共軛區(qū)域。本文采用的ASTER數(shù)據(jù)由于其傳感器的2個(gè)攝像儀器具有同一軌道的特點(diǎn)，所以其重疊區(qū)域較大，便于提高DEM提取的精度。

根據(jù)匹配的方法可分為區(qū)域匹配、特征匹配、混合匹配及平均標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)法匹配4種。我們通常所采用的匹配方法為平均標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)法，此方法中的相關(guān)系數(shù)R（N，M）介于0與1之間，R越接近1，相關(guān)性越大，即為最佳位置。其數(shù)學(xué)模型為：

式中，Np、Mp為參考窗口矩陣(Np×Mp)的大??；p、s為參考窗口與搜索窗口內(nèi)各元素灰度值為參考窗口與搜索窗口內(nèi)所有像元的平均值；R(N,M)是相關(guān)系數(shù)。

立體像對(duì)必須配準(zhǔn)到同一地點(diǎn)上。2幅圖像中同一點(diǎn)的相對(duì)行列值為共軛點(diǎn)，共軛點(diǎn)均勻分布在工作區(qū)中。由于后視圖像成像時(shí)會(huì)發(fā)生圖像畸變，所以點(diǎn)位選取時(shí)，特別是水平方向需要密集和均勻，以減少圖像畸變。共軛點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)研究區(qū)域的復(fù)雜程度和面積來確定，一般至少為8個(gè)點(diǎn)[7]。

3 實(shí)例分析

3.1 DEM的生成

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用WGS84大地基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)和UTM投影坐標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于該投影系統(tǒng)的北半球48分帶。從軟件上讀取20個(gè)GCP點(diǎn)，見圖4，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)，3個(gè)軟件生成的DEM如圖5所示。

圖4 20個(gè)控制點(diǎn)的位置示意圖

圖5 3個(gè)軟件生成的DEM（ERDAS、ENVI、PCI）效果圖

3.2 不同軟件提取DEM的精度對(duì)比

精度分析采用的方法有3種：①檢驗(yàn)點(diǎn)法，用已知的檢驗(yàn)點(diǎn)與生成的DEM作對(duì)比；②剖面線法，在2張DEM中作相同位置的剖面線，然后以Y值作為高程值進(jìn)行對(duì)比；③等高線回放法，即將2張等高線圖進(jìn)行疊加分析，考察其偏移的程度[8]。本文采用檢驗(yàn)點(diǎn)法和剖面線法來分析DEM的精度。

3.2.1 檢驗(yàn)點(diǎn)法

本研究先采用檢驗(yàn)點(diǎn)法對(duì)提取的DEM進(jìn)行精度檢驗(yàn)，共有20個(gè)控制點(diǎn)。分別將3個(gè)軟件生成的DEM進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 檢驗(yàn)點(diǎn)法精度分析統(tǒng)計(jì)表

從表2可以看出，PCI軟件和ENVI軟件生成的DEM精度差值都比較接近，但數(shù)據(jù)誤差比ERDAS要大。這是因?yàn)镻CI軟件的OrthoEngine模塊和ENVI軟件的DEM Extraction模塊都采用立體測量法提取高程數(shù)據(jù)，而ERDAS軟件則具備了立體測量法和干涉測量法這2種方法。在本實(shí)驗(yàn)中，ERDAS軟件是采用干涉測量法提取工程數(shù)據(jù)的。

干涉測量法是從2幅不同視點(diǎn)的圖像獲取覆蓋同一區(qū)域的圖像，再將2幅圖像的相位相減，生成2幅圖像的距離差值[9]。由于ASTER數(shù)據(jù)的Band 3N和Band 3B 2幅圖像上其他相位影響因素基本上是相同的，相減后，就使這一部分值相互抵消，剩下2幅圖像中記錄的距離相位差，利用這些值再結(jié)合傳感器的軌道信息就可以計(jì)算出每一個(gè)像元的高程值。ERDAS軟件的Imagine IFSAS DEM模塊就是利用干涉像對(duì)生成了精度較高的DEM數(shù)據(jù)。

3.2.2 剖面線法

為了進(jìn)一步比較，對(duì)每一幅DEM數(shù)據(jù)作⑥號(hào)點(diǎn)A-B直線的剖面（見圖6中紅色直線的地形剖面圖），所生成的高程剖面圖如圖7所示（橫坐標(biāo)表示地面距離、縱坐標(biāo)表示高程值）。從圖6中可以看出，由不同軟件生成的DEM數(shù)據(jù)其高程值都存在偏移，直線的中點(diǎn)為地面控制點(diǎn)⑥，其高程值為3 214.14 m。ERDAS生成的DEM數(shù)據(jù)的高程值比較接近地面控制點(diǎn)⑥的值，但是離地面控制點(diǎn)越遠(yuǎn)，誤差就越大。而PCI和ENVI軟件都是采用相同的方法提取工程數(shù)據(jù)，所以它們的趨勢都是比較相似的。而ERDAS生成的DEM，由于干涉測量方法需要把2張圖相同的相位相減，從而減少了像元之間的影響。圖中剖面線出現(xiàn)的“V”型，是由于高差間距的限制和地形地貌不能充分表達(dá)所致，可以通過增加GCP點(diǎn)的數(shù)量來改善，但是增加GCP點(diǎn)會(huì)降低DEM數(shù)據(jù)的生成速度，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)。

圖6 剖面線法精度分析示意圖

圖7 三剖面線對(duì)比圖

4 結(jié) 語

通過本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于時(shí)下三大遙感軟件在生成DEM數(shù)據(jù)時(shí)采用不同的數(shù)學(xué)模型，所以使得同一遙感數(shù)據(jù)生成的DEM的精度存在一定的誤差，而只有ERDAS軟件生成的DEM高程精度較符合實(shí)際，這是因?yàn)镋RDAS采用干涉測量法來提取工程數(shù)據(jù)。除了軟件上的運(yùn)算模型誤差，DEM的精度還取決于地面控制點(diǎn)的精度、分布和數(shù)量，同時(shí)受影像本身質(zhì)量的影響，如云層覆蓋、傳感器拍攝角度和后視影像上的陰影等。

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