朱傳勇，文 琳，沈 瑩，答 星

（1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430024）

基于MapMatrix的武漢市1∶2 000 DEM制作

朱傳勇1，文 琳1，沈 瑩1，答 星1

（1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430024）

DEM是以數(shù)字的形式按一定結(jié)構(gòu)來(lái)表示實(shí)際地形特征的一種空間數(shù)據(jù)模型。以武漢市1∶2 000 DEM生產(chǎn)為例，探討了在MapMatrix平臺(tái)下制作DEM的多種方法及操作技巧，總結(jié)出一套簡(jiǎn)捷有效的DEM快速生成方案。

MapMatrix； ADS80 ；DEM

武漢市1∶2 000 DEM以東西向鋪設(shè)條帶，采用ADS80數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，經(jīng)IPAS軟件對(duì)空中IMU、GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，解算出飛機(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[1]。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，使用量測(cè)得出的特征點(diǎn)、線構(gòu)TIN及影像匹配多種方式，生成區(qū)域DEM。其具體生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 利于ADS80影像在MapMatrix系統(tǒng)下DEM的制作流程

1 基于ADS80影像下的數(shù)據(jù)采集

1.1 ADS80工作原理

ADS80是徠卡公司于2008年在ADS40基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的多線陣CCD成像技術(shù)機(jī)載線陣攝影系統(tǒng)，其集成的POS系統(tǒng)（GPS/IMU）可在少量地面控制點(diǎn)甚至無(wú)控制點(diǎn)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可直接得到影像的外方位元素，大大縮短外業(yè)相控、空三加密解算等人工干預(yù)時(shí)間；并同時(shí)獲取同一地面的前視（27°）、中視（2°）及后視（14°）3個(gè)高分辨率無(wú)縫連續(xù)重疊的地面立體影像條帶，大大減少了相片掃描和拼接環(huán)節(jié)。根據(jù)空間前方交會(huì)得到的高程精度公式MZ=GSD/（k×b/f），提高高程精度的因素有3點(diǎn):提高基高比b/f；提高像點(diǎn)坐標(biāo)的量測(cè)精度（K）；提高GSD地面分辨率。ADS80通過(guò)更小的傳感像元，降低航飛高度，形成0．87的基高比（B/H=tan41°）獲得較高的高程精度，彌補(bǔ)了以往框幅式像對(duì)的立體采集中高程精度不足的缺陷，其整體性能使數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量立體采集工作更為簡(jiǎn)捷精確[2,3]。

1.2 基于MapMatrix的ADS80立體測(cè)圖原理

MapMatrix是基于衛(wèi)星遙感、航空、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)。其涵蓋幾個(gè)重要的模塊：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[4]。利用MapMatrix進(jìn)行ADS80影像的建模過(guò)程相較框幅式相機(jī)而言相對(duì)簡(jiǎn)化,無(wú)需進(jìn)行內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向及核線重采樣等工序。用戶(hù)在該系統(tǒng)中可由原始影像出發(fā)，由相機(jī)參數(shù)文件（*.cam）、影像頭文件（*.sup）、金字塔影像（*.tif）、姿態(tài)定向參數(shù)（*.odf）生成立體模型，經(jīng)過(guò)特征點(diǎn)、線采編及基于影像的自動(dòng)匹配，最終生成處理后的DEM產(chǎn)品。

2 DEM的制作方法及技術(shù)

2.1 DEM多種制作方法及技術(shù)

DEM的數(shù)據(jù)采集方法主要包括3種：地形測(cè)量獲取、航空攝影測(cè)量、利用Lidar點(diǎn)云分類(lèi)提取[5]。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，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(mǎn)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(lèi)提取DEM，其數(shù)據(jù)精度高、生產(chǎn)效率最快，但需要額外配置專(zhuān)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。

利用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方式進(jìn)行DEM制作又可以分為基于TIN直接內(nèi)插DEM和物方相關(guān)原理生成DEM2種。TIN的創(chuàng)建，主要依據(jù)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，即由矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的特征點(diǎn)、線，按照物方DEM間隔規(guī)定內(nèi)插規(guī)則正方形格網(wǎng)DEM, 得到DEM數(shù)據(jù)。利用物方相關(guān)原理生成DEM需進(jìn)行影像相關(guān)處理，進(jìn)行影像匹配后MapMatrix系統(tǒng)自動(dòng)生成DTM, 但對(duì)于大比例尺（特別平坦地區(qū)）, 由于匹配點(diǎn)大量在樹(shù)木和建筑物上, 由此自動(dòng)生成的像方DEM效果很差, 往往需要進(jìn)行大量人工干預(yù),在生成像方DEM后逐塊編輯，最終生成基于物方的DEM[6]。

2.2 基于MapMatrix的DEM具體制作方法

數(shù)據(jù)采集是DEM生成的關(guān)鍵問(wèn)題。數(shù)據(jù)點(diǎn)太稀會(huì)降低DEM的精度；數(shù)據(jù)點(diǎn)過(guò)密,又會(huì)增大數(shù)據(jù)量、處理的工作量和存儲(chǔ)量。因而在DEM數(shù)據(jù)采集之前,需要按照成果的精度要求確定合理的取樣密度, 并在DEM 數(shù)據(jù)采集過(guò)程中根據(jù)地形復(fù)雜程度動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣點(diǎn)密度。

武漢是我國(guó)中部地區(qū)最大城市，地勢(shì)平坦，現(xiàn)代化程度高，區(qū)域房屋密集，高架及橋梁交通設(shè)施發(fā)達(dá)，如采用影像匹配自動(dòng)生成DTM，由于房屋、樹(shù)木，高架眾多,自動(dòng)匹配結(jié)果將混亂, 因此在本次DEM生產(chǎn)中采用特征點(diǎn)、線, 直接創(chuàng)建物方DEM,可大大減少編輯工作量。對(duì)于地貌交待清晰、易于表現(xiàn)區(qū)域，可采用線編輯模式，選擇缺省線屬性對(duì)能表達(dá)地形變化區(qū)域進(jìn)行立體采集。特征線具有單一立體效果, 不遮蓋影像,能對(duì)地形細(xì)膩表示，檢查出各種小粗差。對(duì)于地貌凌亂、無(wú)法清晰表達(dá)區(qū)域，可采用點(diǎn)編輯模式。根據(jù)CJJ100-2004的規(guī)定，城市DEM數(shù)據(jù)的基本格網(wǎng)尺寸應(yīng)為5 m×5 m，利用MapMatrix中FeatureOne立體采集模塊設(shè)置自動(dòng)采集高程點(diǎn)選項(xiàng)，以水平方向?yàn)樾?，順序從上至下，以垂直方向?yàn)榱?，順序從左至右，每? m自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至下個(gè)格網(wǎng)，量測(cè)高程點(diǎn)。該方法操作簡(jiǎn)單易行，但工作量較大, 一般作為雜亂區(qū)域描述較好,步距及斷面線上點(diǎn)的間隔都可根據(jù)地形的復(fù)雜程度而改變。具體要素采集遵循如下原則。

1）水域：對(duì)于靜止水面，測(cè)量水位高程并按此高程采集水岸線，整個(gè)水域范圍據(jù)此高程構(gòu)建平三角形，并按此高程對(duì)DEM格網(wǎng)賦值。雙線河流水岸線的高程應(yīng)依據(jù)上下游水位進(jìn)行分段內(nèi)插賦值，DEM高程值應(yīng)自上而下平緩過(guò)渡，并且與周?chē)匦胃叱讨g的關(guān)系正確、合理。

2）森林區(qū)域：在林區(qū)，DEM測(cè)量的是樹(shù)頂表面，在生成DEM格網(wǎng)時(shí)應(yīng)減去平均樹(shù)高獲取地面高程。

3）特殊區(qū)域：山頭、凹地或埡口等處應(yīng)內(nèi)插高程特征點(diǎn)，狹長(zhǎng)而緩坡的溝谷或山脊應(yīng)內(nèi)插特征線，避免出現(xiàn)不合理的平三角形；陡巖、斜坡、雙線沖溝等地貌應(yīng)合理反映地形特征。

4）空白區(qū)域：空白區(qū)域是指數(shù)據(jù)源出現(xiàn)局部中斷等原因無(wú)法獲取高程的區(qū)域，位于空白區(qū)域的格網(wǎng)高程值賦予-9999。

2.3 基于MapMatrix的DEM編輯

DEM 點(diǎn)應(yīng)切準(zhǔn)地面, 等高線真實(shí)地反映地貌形態(tài)。為提高效率, 在MapMatrix中一般采用面編輯的方式, 使用系統(tǒng)提供的平滑、內(nèi)插、擬合、定值及平均高程賦值等算法，逐塊編輯；對(duì)于道路等線狀要素也可以采用線編輯方式進(jìn)行操作。

2.4 DEM接邊

像對(duì)間DEM設(shè)置10個(gè)格網(wǎng)間距的重疊區(qū)域用于接邊。系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)重疊區(qū)域內(nèi)的格網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行高程較差的統(tǒng)計(jì)分析，在2～3倍高程接邊誤差的點(diǎn)位應(yīng)控制在4%以?xún)?nèi), 不得出現(xiàn)3倍以上中誤差的點(diǎn)[7]。一旦發(fā)現(xiàn)需進(jìn)行修測(cè), 符合限差要求后應(yīng)進(jìn)行像對(duì)DEM 接邊, 取平均數(shù)作為重疊區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)值。

3 DEM的質(zhì)量控制

DEM質(zhì)量的最終檢查是根據(jù)野外高程點(diǎn)的平面坐標(biāo)。在已建立的DEM中內(nèi)插出檢測(cè)點(diǎn)位置的高程，利用航攝像控點(diǎn)庫(kù)以及外業(yè)RTK采集的高程檢查散點(diǎn)，在ArcGIS軟件中，檢查內(nèi)插等高程點(diǎn)與原始高程點(diǎn)之間的偏離量是否在規(guī)定范圍內(nèi)；相鄰存儲(chǔ)單元的DEM數(shù)據(jù)應(yīng)平滑銜接；對(duì)于水域需檢查靜止水域內(nèi)的DEM格網(wǎng)點(diǎn)高程是否保持一致，流動(dòng)水域上下游DEM格網(wǎng)點(diǎn)高程是否呈梯度下降；并對(duì)高程較差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)較差較大部分需返回到立體模型上進(jìn)行上機(jī)檢查, 實(shí)時(shí)觀察生成的DEM點(diǎn)位是否切準(zhǔn)地面。如果DEM與地面模型的高程差在2倍中誤差以上, 則需進(jìn)行重測(cè)。DEM成果精度用格網(wǎng)點(diǎn)的高程中誤差MZ表示:式中，v為高程較差；n為檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。根據(jù)城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求（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)，精度等級(jí)為二級(jí)。據(jù)此規(guī)定，平地、丘陵、山地、高山地格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差分別為：0．7 m、1．7 m、3．3 m、6．7 m。高大林木覆蓋區(qū)、高層建筑陰影遮蓋區(qū)等困難區(qū)域的平面和高程中誤差可放寬50%。DEM高程值應(yīng)取位至0．1 m。

DEM的質(zhì)量檢查還需進(jìn)行數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)完備性檢查。數(shù)據(jù)文件檢查包括DEM數(shù)據(jù)文件命名、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)分幅、數(shù)據(jù)格網(wǎng)尺寸是否符合要求；數(shù)據(jù)完備性檢查包括檢查DEM數(shù)據(jù)覆蓋范圍有無(wú)不滿(mǎn)幅、數(shù)據(jù)有無(wú)遺漏等問(wèn)題，相鄰存儲(chǔ)單元之間數(shù)據(jù)完整，不得出現(xiàn)漏洞，DEM數(shù)據(jù)應(yīng)覆蓋整個(gè)區(qū)域范圍，接邊范圍數(shù)據(jù)應(yīng)有一定的重疊。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本項(xiàng)目利用武漢市測(cè)繪研究院同源DLG數(shù)據(jù)外業(yè)高程檢查散點(diǎn)，對(duì)DEM成果高程坐標(biāo)值進(jìn)行檢核。本次核查初次抽查10幅圖，共核查點(diǎn)2 269個(gè)，符合精度的點(diǎn)為98．5%。利用公式求得高程坐標(biāo)中誤差，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，高大林木覆蓋區(qū)、高層建筑陰影遮蓋區(qū)等困難地區(qū)最大不超過(guò)1 m，丘陵1．7 m的中誤差要求。DEM較差及各圖幅中誤差分布情況如圖2所示。

圖2 DEM較差及各圖幅中誤差分布情況

5 結(jié) 語(yǔ)

本文總結(jié)了ADS80數(shù)碼影像在MapMatrix下進(jìn)行武漢市1∶2 000 DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程，探討DEM快速生成的方法，成果通過(guò)精度評(píng)定與質(zhì)量檢查，確實(shí)可靠，具有良好可行的運(yùn)用前景。

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P231.5

B

1672-4623（2015）02-0101-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.037

朱傳勇，注冊(cè)測(cè)繪師，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。

2014-03-31。

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（PF2011-6）。