鄭鳳嬌，王 祥，覃雪梅，鄭 珊

（1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022）

基于ADS80制作武漢市1∶10 000數(shù)字高程模型

鄭鳳嬌1，王 祥1，覃雪梅1，鄭 珊1

（1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022）

介紹了利用ADS80推掃式數(shù)碼航空影像生產(chǎn)武漢市1∶10 000 DEM的過(guò)程，并利用現(xiàn)有的數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行精度評(píng)定。檢查結(jié)果表明，其精度均滿足規(guī)范要求。

數(shù)字高程模型；航空影像；立體建模；影像匹配；精度評(píng)定

1 測(cè)區(qū)概況和技術(shù)要求

武漢市位于中國(guó)腹地中心，享有“九省通衢”之美譽(yù)。本次制作的武漢市數(shù)字高程模型（DEM）覆蓋全市域，總面積達(dá)8 494 km2。結(jié)合實(shí)際需要，我院制作的DEM成圖數(shù)學(xué)基礎(chǔ)如下：

1）平面坐標(biāo)系統(tǒng)：采用1954年北京坐標(biāo)系，3°帶高斯-克呂格投影，中央經(jīng)線114°，帶號(hào)為38。

2）高程基準(zhǔn)：采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，其技術(shù)指標(biāo)為：格網(wǎng)尺寸 5 m×5 m；圖幅分幅采用梯形分幅，編號(hào)采用行列編號(hào)方法；成圖比例尺為1∶10 000；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為*.img

2 主要作業(yè)流程

本文主要使用Microstation V8及MAS系統(tǒng)、Inpho軟件、ArcGIS9.3等進(jìn)行DEM的制作，其主要作業(yè)流程包括：立體建模、影像自動(dòng)匹配、特征數(shù)據(jù)采集、DTM接邊、DEM制作、DEM編輯、DEM鑲嵌與分幅等，具體流程如圖1所示。

3 DTM數(shù)據(jù)采集

DTM數(shù)據(jù)采集是在空三加密成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的三維采集，采集的主要內(nèi)容是特征點(diǎn)、線。隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展以及影像數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高，使得DTM的快速自動(dòng)獲取成為可能。本測(cè)區(qū)地形包括一部分平丘地，大部分區(qū)域植被覆蓋較低，為自動(dòng)匹配提供了有利的地形、地貌條件。本測(cè)區(qū)DTM數(shù)據(jù)的采集方法有2種：一是由軟件自動(dòng)匹配獲取數(shù)據(jù)，該方法是DTM數(shù)據(jù)采集的主要方法。經(jīng)匹配試驗(yàn)，該測(cè)區(qū)自動(dòng)匹配效果良好，在精度范圍內(nèi)，絕大部分地形、地貌均能得到較好的匹配。但由于影像自動(dòng)匹配和濾波的局限性，對(duì)于地形較為復(fù)雜的地方，還需進(jìn)行人工干預(yù)和修改。另一種方法是采用傳統(tǒng)的在立體模型下人工采集必要的特征線，即對(duì)自動(dòng)匹配不能反映地貌特征的地方需要補(bǔ)采特征數(shù)據(jù)。另外，考慮到測(cè)區(qū)范圍外數(shù)據(jù)接邊的問(wèn)題，在自動(dòng)匹配和人工采集DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，范圍需外擴(kuò)50 m。

圖1 DEM制作的主要流程圖

3.1 立體建模

本文采用直接導(dǎo)入空三成果的方法建立模型。即利用2套坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換七參數(shù)直接導(dǎo)入攝影測(cè)量工作站，恢復(fù)立體模型。

3.2 影像自動(dòng)匹配

本文引進(jìn)國(guó)際上先進(jìn)的Inpho軟件[1,2]。根據(jù)本項(xiàng)目的地形特點(diǎn)，在項(xiàng)目開(kāi)展前期，擬將測(cè)區(qū)分塊進(jìn)行高效的自動(dòng)匹配，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)濾波生成原始DEM數(shù)據(jù)。但由于Inpho軟件自動(dòng)匹配的是數(shù)字表面模型DSM，包含了地表建筑物、橋梁和樹(shù)木等高度的地面高程模型[3]，實(shí)際作業(yè)時(shí)，需疊合影像在立體模型下檢查，對(duì)偏離地面的匹配點(diǎn)進(jìn)行高程修正，使之切準(zhǔn)地面；對(duì)于地表建筑物、樹(shù)木等非地面高程點(diǎn)需進(jìn)行人工干預(yù)，采集特征點(diǎn)、線，對(duì)匹配進(jìn)行濾波。

3.3 特征數(shù)據(jù)采集

在自動(dòng)匹配的基礎(chǔ)上，在立體模型上進(jìn)行全面檢查，對(duì)自動(dòng)匹配不能反映地貌特征的地方人工采集特征點(diǎn)、線以及水域線面等信息。采集時(shí)測(cè)標(biāo)應(yīng)切準(zhǔn)地面進(jìn)行三維坐標(biāo)量測(cè)。特征點(diǎn)（如山頭、洼地、鞍部、路叉、谷底、凹地等）高程采集精度應(yīng)符合高程注記點(diǎn)的精度要求。特征線（如有一定高差的堤、塹、坎、斜坡及堤壩、溝渠等的上、下沿線）應(yīng)滿足制作DEM的數(shù)據(jù)需要。所有要素三維采集，特征點(diǎn)、線數(shù)據(jù)文件最終提交格式為dwg。

1） 水域的采集：河流、水渠、池塘、水庫(kù)等邊線一般以坎上沿線繪出。對(duì)于面狀靜止水域，精確量測(cè)水位高程并鎖定高程采集水涯線。

2） 道路及其構(gòu)筑物的采集：道路、構(gòu)筑物等地物要素與周圍地形高程差異較大時(shí)，需采集地形突變處的邊界線，如路堤、路塹、陡坎等。各邊界線應(yīng)獨(dú)立，不同邊界線不應(yīng)相交。

采集原則：比高大于1 m（山地大于1.5 m）且圖上長(zhǎng)度大于5 mm的需采集坎上沿線和坡底線。反之，圖上長(zhǎng)度小于5 mm且比高小于1 m或1.5 m的不采集斷裂線。進(jìn)行地物取舍時(shí)，要注意接邊。路堤和路塹采集時(shí)，必須切準(zhǔn)上邊線和坡腳線，確保道路不扭曲。

3） 斷裂線的采集：應(yīng)采集明顯的地形特征線（如山脊線、山谷線、山腳線等），需使用靜態(tài)方式采集以保證成圖精度，不得采用Stream Line String命令。

4） 沖溝、梯田坎的采集：高度大于1.5 m的應(yīng)采集，采集時(shí)注意采集坎下線和沖溝底線。

3.4 DTM數(shù)據(jù)檢查與修改

1） 在立體模型下，檢查明顯的丟漏；檢查采集要素是否合理連續(xù)；檢查明顯的DTM粗差(建筑物、橋梁、樹(shù)木等非地表高程)；進(jìn)行接邊檢查，看接邊處是否有高程跳變的情況。

2） 從前視圖上，對(duì)三維數(shù)據(jù)中的“飛點(diǎn)”、“飛線”進(jìn)行檢查修改。

3） 在立體模型下，生成曲線檢查DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集情況，務(wù)必在立體下消除平三角、高程疊加等不合理情況。同時(shí)檢查采集數(shù)據(jù)的高程精度。

4） 靜止水體范圍內(nèi)的DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)高程值應(yīng)一致，流動(dòng)水域的DTM數(shù)據(jù)高程應(yīng)自上而下平緩過(guò)渡，關(guān)系合理。

5） 對(duì)于影像的不連續(xù)、被遮蓋及陰影等區(qū)域，需檢查匹配點(diǎn)是否切準(zhǔn)地面。

6） 建筑物、樹(shù)林等位置，檢查匹配點(diǎn)是否為地面點(diǎn)，而非物體表面上的點(diǎn)。

7） 對(duì)于大范圍平坦地區(qū)、溝渠、地形破碎區(qū)域，需檢查匹配點(diǎn)和等視差曲線是否真實(shí)反映地形。

3.5 DTM數(shù)據(jù)接邊

相鄰DTM接邊不應(yīng)出現(xiàn)漏洞，接邊處的高程應(yīng)符合地形連續(xù)的總體特征。如果出現(xiàn)跳變，應(yīng)在立體下檢查是否符合地貌特征，不能隨意進(jìn)行平差修改。

4 DEM數(shù)據(jù)制作

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在Inpho軟件下輸出經(jīng)檢查、修改后的只保留真實(shí)地面高程信息的DTM數(shù)據(jù)：軟件自動(dòng)匹配點(diǎn)（經(jīng)人工干預(yù)后）數(shù)據(jù)輸出為L(zhǎng)AS格式，人工采集的特征線輸出為dxf格式。

4.2 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

根據(jù)作業(yè)要求，本項(xiàng)目需保存過(guò)程數(shù)據(jù)及最終DEM成果數(shù)據(jù)。其中，過(guò)程數(shù)據(jù)即特征點(diǎn)、線數(shù)據(jù)，軟件直接輸出為dwg格式的數(shù)據(jù)；DEM成果數(shù)據(jù)最終需要ERDAS 的img格式數(shù)據(jù)，因此需要將整理好的dwg數(shù)據(jù)制作為5 m間距的ArcGrid數(shù)據(jù)，該操作在ArcGIS軟件下進(jìn)行，最后由軟件直接輸出為img格式的DEM數(shù)據(jù)。具體做法如圖2所示。

4.3 DEM制作過(guò)程

本文采用規(guī)則格網(wǎng)建立DEM模型來(lái)描述地面起伏狀況，數(shù)據(jù)可反映真實(shí)地表特征。

首先，對(duì)三維采集數(shù)據(jù)（DGN格式）進(jìn)行初步整理，檢查飛點(diǎn)飛線，確認(rèn)沒(méi)問(wèn)題后轉(zhuǎn)成CAD的dwg格式。另外，因Inpho軟件匹配輸出的是LAS數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量較大，前期數(shù)據(jù)檢查、處理和合并均在Global Mapper下進(jìn)行。然后，在ArcGIS環(huán)境下生成Raster，并套合測(cè)區(qū)范圍線進(jìn)行自由邊裁切。最后，利用我單位在ArcGIS平臺(tái)上自主研發(fā)的DEM圖幅裁切程序，進(jìn)行批量分幅并自動(dòng)轉(zhuǎn)化輸出為img格式。具體流程如圖3所示。

圖2 DEM制作數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

圖3 DEM制作流程

5 相關(guān)技術(shù)

5.1 ADS80數(shù)字航空攝影技術(shù)

本項(xiàng)目使用ADS80新型航空攝影獲取技術(shù)，縮短了航空攝影的周期，縮減了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的繁瑣程序。ADS80相機(jī)影像是以每條航線為單位，一條航線一幅影像。在一條航線范圍內(nèi)，航向不需要接邊，影像成條帶狀。與傳統(tǒng)膠片相比，航片覆蓋面增加，大大減少了野外工作量，縮短了生產(chǎn)周期[4]；ADS80空三加密在大面積測(cè)區(qū)平差時(shí)效率較高，人工干預(yù)較少，只需觀測(cè)有限的控制點(diǎn)，提高了工作效率。

5.2 影像自動(dòng)匹配和人工干預(yù)技術(shù)

本區(qū)地形破碎、植被分散、水系多且雜，如按常規(guī)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，歷經(jīng)時(shí)間長(zhǎng)。因此，我們充分利用Inpho軟件在自動(dòng)匹配效率和濾波算法上的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行全測(cè)區(qū)影像的快速自動(dòng)匹配。

自動(dòng)匹配生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)雖然效率高，但也有其局限性，如對(duì)植被覆蓋度較高、陰影、溝底、峁坡等復(fù)雜地區(qū)的地貌，匹配和濾波效果還是不太理想。針對(duì)該種情況，我們通過(guò)綜合分析濾波原理，反復(fù)進(jìn)行人工采集特征斷裂線輔助濾波實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出不同地形斷裂線的采集方法，最終以人工干預(yù)的方式解決了自動(dòng)匹配在部分復(fù)雜地區(qū)濾波的局限性。

5.3 DEM批量分幅技術(shù)

目前市場(chǎng)上DEM分幅軟件較多，如Geoway、Erdas、PCI、VirtuoZo、ArcGIS等軟件都自帶有分幅裁切工具，但多數(shù)需要大量的人工參與，可能還涉及到數(shù)據(jù)格式的重新轉(zhuǎn)換，操作起來(lái)比較麻煩。

根據(jù)項(xiàng)目要求，本區(qū)DEM提交的是*.img格式的分幅數(shù)據(jù)，如果采用常規(guī)方法在現(xiàn)有軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行半自動(dòng)分幅，工作量相當(dāng)大。因此，本項(xiàng)目在ArcGIS軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了批量分幅DEM及多格式數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序，成功實(shí)現(xiàn)了DEM數(shù)據(jù)的快速分幅和數(shù)據(jù)格式的無(wú)損轉(zhuǎn)換。

5.4 元數(shù)據(jù)提取和索引圖制作技術(shù)

目前元數(shù)據(jù)提取的方法和可用軟件較多，但人工參入量較大，可能還涉及到幾個(gè)軟件間的互相轉(zhuǎn)換。本測(cè)區(qū)元數(shù)據(jù)的屬性項(xiàng)比較多，如按一般的方法提取，作業(yè)步驟較為繁瑣，工作量也較大。因此，基于自身技術(shù)和軟件環(huán)境上的優(yōu)勢(shì)，在Microstation軟件下開(kāi)發(fā)了metafv8.ma程序，實(shí)現(xiàn)了元數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)提??；在FME軟件下編制了模板，通過(guò)導(dǎo)入測(cè)區(qū)結(jié)合圖、元數(shù)據(jù)MDB文件，很容易實(shí)現(xiàn)索引圖的制作。

6 精度檢測(cè)

DEM成果的精度用格網(wǎng)點(diǎn)的高程中誤差表示，根據(jù)GB/T 18316-2008《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》中對(duì)質(zhì)量檢查方法的規(guī)定，DEM精度的檢測(cè)主要有參考數(shù)據(jù)對(duì)比、野外實(shí)測(cè)、內(nèi)部檢查等方法[5,6]?；谖以河胸S富的地形圖等現(xiàn)勢(shì)強(qiáng)的數(shù)據(jù)資源，本次對(duì)DEM精度的檢測(cè)采用參考數(shù)據(jù)對(duì)比，充分利用1∶ 2 000數(shù)字地形圖上的高程點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，對(duì)DEM格網(wǎng)點(diǎn)位高程精度作較差檢查。

參照CH/T9009.2-2010《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶ 50 000、1∶100 000數(shù)字高程模型》，DEM成果格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差精度要求不大于表1規(guī)定。

表1 1∶10 000比例尺DEM精度指標(biāo)[7]/m

依據(jù)GB/T24356-2009《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》要求，按照不同的地形特征在平地、丘陵地中共抽取66幅DEM進(jìn)行精度檢測(cè)，在每幅DEM上根據(jù)具體的地形復(fù)雜情況選取20～25個(gè)檢查點(diǎn)，且均勻分布在每幅DEM上。根據(jù)下式計(jì)算中誤差，其中，檢查點(diǎn)的高程為Zk（k=1，2，3，…，n）。在建立DEM后，由DEM內(nèi)插出的這些點(diǎn)的高程為Rk，則DEM的精度為：

由表2可以看出，DEM成果能夠滿足1∶10 000二級(jí)精度要求。

表2 檢測(cè)點(diǎn)按地形類別精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

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P231.5

B

1672-4623（2015）03-0081-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.029

鄭鳳嬌，正高職高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪管理與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)建庫(kù)研究工作。

2015-01-12。

項(xiàng)目來(lái)源：精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（PF2013-13）。