容芳芳

(新疆維吾爾自治區(qū)第二測(cè)繪院, 新疆 烏魯木齊 830001)

0 引言

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM),是通過有限的高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬,它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型[1]。建立DEM的方法有很多,從數(shù)據(jù)源及采集方式講有:直接從地面測(cè)量,所涉及的儀器有水平導(dǎo)軌,測(cè)針,測(cè)針架和相對(duì)高程測(cè)量板等構(gòu)件,也可以用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、全站儀、野外測(cè)量等高端儀器;根據(jù)航空或航天影像,通過攝影測(cè)量途徑獲取,如立體坐標(biāo)儀觀測(cè)及空三加密法,解析測(cè)圖,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等;也可從現(xiàn)有地形圖上采集[2]。

生產(chǎn)過程中,往往會(huì)搜集到已有DEM數(shù)據(jù),但是其現(xiàn)勢(shì)性較差,對(duì)于正射影像糾正的精度影像較大,且在地物變化區(qū)域出現(xiàn)大批量變形拉花等情況,將大大增加后期的正射影像編輯工作[3]。傳統(tǒng)DEM編輯工作是將DEM導(dǎo)入立體模型進(jìn)行交互式編輯,去除粗差,去除地表建筑物、樹木、橋梁等非地形的地表信息,編輯后的DEM與立體模型套合,地貌暈渲狀態(tài)正常[4-5]。此方法直觀,編輯后的效果可根據(jù)立體模型直接查看,但是由于DEM要在立體模型上編輯,若DEM格網(wǎng)較小,數(shù)據(jù)量一旦增大,數(shù)據(jù)導(dǎo)入立體模型時(shí)會(huì)非常耗時(shí),且對(duì)同一類型地物進(jìn)行大面積編輯時(shí),計(jì)算時(shí)間也會(huì)大大增加,對(duì)編輯人員也有較高的要求,必須要有立體視覺,因此會(huì)降低DEM編輯的效率。本文利用GXL 2018 SP3 Aerial空三加密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度數(shù)字地表模型匹配,獲取數(shù)字地面模型(Digital Terrain Models，DTM)數(shù)據(jù),將DTM導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行編輯后可快速生成區(qū)域內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)。使用軟件的數(shù)字高程模型編輯(DEM Editing)功能,該方法針對(duì)不同地形、地物提供多種濾波算法,操作簡單,大大提高生產(chǎn)效率。

1 實(shí)驗(yàn)情況

1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況

實(shí)驗(yàn)區(qū)使用航空影像600張,航空攝影資料參數(shù)如表1所示。

表1 航空攝影資料參數(shù)

1.2 DEM匹配

利用GXL 2018 SP3 Aerial自動(dòng)化處理系統(tǒng),根據(jù)影像初始定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)參數(shù)進(jìn)行像片初始解算,全自動(dòng)匹配連接點(diǎn),進(jìn)行自由網(wǎng)平差,粗差剔除后轉(zhuǎn)刺外業(yè)控制點(diǎn),進(jìn)行約束平差,空三精度合格后利用重疊的立體影像創(chuàng)建DEM[6]。

1.3 DEM編輯

將匹配好的DEM導(dǎo)入軟件中,利用數(shù)字高程模型編輯(DEM Editing )功能進(jìn)行編輯。該功能提供了多種濾波算法?？舍槍?duì)不同地物不同地形來選擇使用。常用的有均值濾波、中值濾波、地形濾波、消除凸起等算法[7]。

Average filter(均值濾波)對(duì)掩膜下的像素應(yīng)用平滑濾波,該濾波可用于平整區(qū)域,并同時(shí)保留整體地形。Median filter(中值濾波)對(duì)掩膜下的像素應(yīng)用中值平滑濾波,該算法可以將道路從一側(cè)到另一側(cè)變平整,并能完全過濾掉小凸起,如汽車。Terrain filter(flat)地形濾波(平地)用于優(yōu)化平地地形。該濾波可以刪除建筑物和屋檐對(duì)應(yīng)的高程值,并用裸地估算值替換掩模下的像素。Terrain filter地形濾波用于優(yōu)化丘陵地形,該濾波可以刪除建筑物和屋檐對(duì)應(yīng)的高程值,并用裸地估算值替換掩模下的像素。Remove bumps(消除凸起),與地形濾波相似,但該濾波意在去除掩模下區(qū)域內(nèi)的凸起。Remove bumps(keep linear)消除凸起(保留線性),與Remove bumps相似,但該濾波意在去除掩模下區(qū)域內(nèi)的凸起的同時(shí),保留狹長型的線性特征[8]。除此之外,還有從邊緣填充(Fill from edges)、多邊形填充(Fill from polygon)等,可以根據(jù)邊緣填充或者根據(jù)多邊形填充。

編輯過程中,遇到凸起地物,如耕地中的行樹,如圖1(a)所示,可使用Remove bumps消除凸起,通過在size文本框中輸入值,來定義濾波器的尺寸,在梯度(gradient)框內(nèi)輸入的值是要剔除的凸起所具有的最小斜率。該值越小刪除的凸起越多,也有可能會(huì)刪除需保留的真實(shí)地形特征。結(jié)果如圖1(b)所示。

圖1 消除凸起

對(duì)于建筑物區(qū)域,可以使用地形濾波(平地)Terrain filter(flat)工具,在size文本框中定義濾波器的尺寸,gradient框內(nèi)輸入相對(duì)于自然特征(比如,山)定義的最大斜率,以度為單位,濾波效果見圖2。

圖2 建筑物區(qū)域?yàn)V波

編輯時(shí),也可以將多種算法聯(lián)合使用,消除凸起對(duì)于消除建筑區(qū)也有較好的效果,地形濾波也可將植被消除。

除此之外,針對(duì)DEM引起的橋梁道路變形,也可實(shí)時(shí)編輯并查看編輯后的效果。在以往的作業(yè)中,正射校正后出現(xiàn)變形數(shù)據(jù),會(huì)將DEM重采樣低精度格網(wǎng)數(shù)據(jù)后重新糾正影像來貼補(bǔ)變形數(shù)據(jù)。

利用Geomatic Focus DEM Editing 功能的實(shí)時(shí)糾正顯示(Live ortho preview)可以針對(duì)變形區(qū)域編輯DEM數(shù)據(jù),例如橋梁變形如圖3(a)～(b)所示,將DEM編輯后可查看根據(jù)編輯后的DEM所糾正出來的正射影像的效果,如圖3(c)～(d)所示。

圖3 DEM、DOM

2 DEM精度分析

利用已有的1∶1萬基礎(chǔ)測(cè)繪地形圖成果,均勻選取50個(gè)檢查點(diǎn),比對(duì)已有DEM成果與編輯后的DEM成果,高程差值如表2所示。

表2 DEM檢查點(diǎn)高程差值

高程差值最大點(diǎn)為3.01 m,最小點(diǎn)為0.06 m,高程差值中誤差為0.95 m。差值小于1 m的點(diǎn)占60%,說明DEM成果在大部分區(qū)域具有較高的可靠性,然而,DEM成果同時(shí)存在一定數(shù)量的粗差,經(jīng)分析,由于已有DEM數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性原因,局部區(qū)域地貌已經(jīng)發(fā)生了變化,故而出現(xiàn)高程差值較大的現(xiàn)象[9-10]。

3 結(jié)束語

本文通過數(shù)字航空攝影儀(SWDC)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn),總結(jié)了利用影像處理軟件航空影像處理模塊(PCI GXL-A)進(jìn)行快速生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)的技術(shù),使用軟件中數(shù)字高程模型編輯(DEM Editing)提供的各種地形濾波工具,針對(duì)不同地形數(shù)據(jù)進(jìn)行快速濾波,完成DEM的編輯工作。經(jīng)過項(xiàng)目生產(chǎn)的實(shí)踐,該方法有效提高工作效率,降低了作業(yè)員的勞動(dòng)強(qiáng)度,縮短了生產(chǎn)周期,為今后大批量DEM生產(chǎn)工作提供借鑒。