王月如，高林營，周智勇

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

DEM是常用在設(shè)計(jì)工作中的測量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠提供必要的地形起伏信息。但是隨著時(shí)間推移，地表因人類活動(dòng)或地質(zhì)災(zāi)害作用而產(chǎn)生變化，往期測繪得到的DEM成果時(shí)效性變差，不能滿足要求，需要生產(chǎn)新的DEM。大范圍生產(chǎn)全新DEM對于整體變化不大的區(qū)域是一種浪費(fèi)，而在往期DEM的基礎(chǔ)上對變化區(qū)域進(jìn)行更新是比較常用的方案，既能滿足時(shí)效性要求又能兼顧經(jīng)濟(jì)性。以往DEM更新方法主要是對變化區(qū)域重新外業(yè)測繪或通過航空攝影測量方法得到等高線、特征線、特征點(diǎn)后更新到原特征點(diǎn)線中內(nèi)插得到新DEM，但是此傳統(tǒng)方法存在著人工工作量大、地形細(xì)節(jié)有損失的缺點(diǎn)。隨著新型測繪技術(shù)發(fā)展，點(diǎn)云生產(chǎn)DEM的作業(yè)方法逐漸被測繪行業(yè)所采用[1～3]，其成果細(xì)節(jié)豐富、精度高、人工成本較低。但是獲取激光雷達(dá)點(diǎn)云需要激光掃描儀才能夠獲取，對于無點(diǎn)云成果要求的項(xiàng)目來說，采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高了工程成本。對于需求更新DEM的同時(shí)要求采集最新航空影像的項(xiàng)目來說，使用傾斜影像密集匹配點(diǎn)云對DEM進(jìn)行更新[4，5]，是一種降低成本同時(shí)有效保證DEM質(zhì)量的方法。

2 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)選擇在重慶市兩江新區(qū)石船片區(qū)。該片區(qū)目前尚未大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，地形起伏大，丘陵、丘谷交叉分布，丘谷多為池塘、梯田，丘陵緩坡上有零落的居民地聚集點(diǎn)和鄉(xiāng)村道路，陡坡覆蓋有茂密的常綠闊葉喬木，丘陵頂部植被稀疏，多為草本植物和零星小型灌木。

該區(qū)域在2020年使用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云生產(chǎn)了 1∶1 000比例尺的CGCS2000高斯投影3°分帶的DEM成果，為了滿足新的使用需求，需提供該片區(qū)現(xiàn)勢性較強(qiáng)的2021年重慶獨(dú)立系中帶 1∶1 000比例尺DEM成果。因該片區(qū)地形整體變化不大，僅部分區(qū)域因道路建設(shè)有所變化，故整體生產(chǎn)新的DEM勢必造成人力的浪費(fèi)。針對變化區(qū)域進(jìn)行更新是經(jīng)濟(jì)性高、節(jié)省工期的優(yōu)勢方法。

因?yàn)轫?xiàng)目同時(shí)有數(shù)字正射影像產(chǎn)品需求，考慮到成本，故將航飛得到的傾斜影像密集匹配點(diǎn)云作為DEM更新的源數(shù)據(jù)，而不是重新對整個(gè)區(qū)域獲取機(jī)載LiDAR點(diǎn)云。傾斜影像密集匹配點(diǎn)云點(diǎn)密度為 16點(diǎn)/m2，坐標(biāo)系為重慶獨(dú)立系中帶。另外還需要當(dāng)期航飛后處理得到的數(shù)字正射影像和歷史DEM對應(yīng)的往期數(shù)字正射影像用以對比后獲取更新范圍。主要更新操作基于的軟件為西安煤航的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)LiDAR_DP。

3 DEM變化區(qū)域更新

3.1 更新流程

通過對比兩期數(shù)字正射影像中變化的部分，人工目視解譯出需進(jìn)行更新的范圍；對歷史DEM進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至成果要求的坐標(biāo)系并反生成點(diǎn)云；對傾斜影像密集匹配點(diǎn)云中的更新范圍內(nèi)點(diǎn)進(jìn)行濾波，提取出地面點(diǎn)；將歷史DEM轉(zhuǎn)出的點(diǎn)中更新范圍內(nèi)的點(diǎn)去除，并加載新更新范圍內(nèi)的新點(diǎn)；對更新范圍內(nèi)的點(diǎn)和新舊點(diǎn)接邊處進(jìn)行人工處理，對濾波不恰當(dāng)區(qū)域進(jìn)行調(diào)整、處理水面，必要時(shí)繪制特征線；將更新后的點(diǎn)云按照需求生成DEM成果。詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施流程圖

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

歷史DEM首先要經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，由原始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為成果要求的坐標(biāo)系。DEM為柵格格式文件，為使其能被點(diǎn)云處理軟件讀取，需要將其在ArcGIS中轉(zhuǎn)化為以點(diǎn)為單條記錄的由X、Y、Z坐標(biāo)信息構(gòu)成的文本文件。在點(diǎn)云處理軟件中讀取文本文件后，使用類別轉(zhuǎn)換工具，將所有點(diǎn)轉(zhuǎn)換成地面點(diǎn)類別，得到歷史DEM反生成點(diǎn)云。

傾斜影像密集匹配點(diǎn)云是利用航飛影像，經(jīng)過空三加密后計(jì)算生成[6]。為了給點(diǎn)云濾波時(shí)提供更多信息以提高濾波效果，適當(dāng)提高了點(diǎn)云密度。生成的傾斜影像密集匹配點(diǎn)云坐標(biāo)系為重慶獨(dú)立系中帶，經(jīng)過精度檢驗(yàn)后滿足生產(chǎn) 1∶1 000比例尺的精度條件。

3.3 更新范圍數(shù)據(jù)處理

疊加前后兩期影像，目視判斷更新范圍，并且用面矢量畫出更新范圍。繪制更新范圍時(shí)，需要將變化的部分全部囊括，但是不建議擴(kuò)展太多，特別是未變化區(qū)域涉及植被茂密、有房屋的情況。因?yàn)閿U(kuò)大更新范圍意味著后期處理工作量的增大，并且茂密的植被和房屋處傾斜影像密集匹配點(diǎn)云濾波效果一般，反而通過機(jī)載LiDAR點(diǎn)云生產(chǎn)的歷史DEM在精度上較能保證。

在點(diǎn)云處理軟件中讀取傾斜影像密集匹配點(diǎn)云，按照更新范圍矢量面批量提取出更新范圍內(nèi)的點(diǎn)。密集點(diǎn)云經(jīng)過濾波可以減少后期人工處理的工作量[7]，使用濾波工具對更新范圍內(nèi)的傾斜影像密集匹配點(diǎn)云進(jìn)行噪聲剔除和地面濾波。經(jīng)試驗(yàn)，LiDAR_DP對傾斜影像密集匹配點(diǎn)云中人工裸露地表和植被稀疏區(qū)域?yàn)V波效果尚可，對植被茂密區(qū)域?yàn)V波效果較差，如圖2所示。

圖2 傾斜影像密集匹配點(diǎn)云濾波前(左)后(右)對比圖

在點(diǎn)云處理軟件中讀取歷史DEM反生成點(diǎn)云，按照更新范圍矢量面批量將更新范圍內(nèi)的歷史點(diǎn)云剔出地面點(diǎn)類別，并將濾波后的更新范圍內(nèi)傾斜影像密集匹配點(diǎn)云加載進(jìn)來。歷史DEM反生成點(diǎn)云與模型點(diǎn)云中的地面點(diǎn)類別共同參與構(gòu)建三角網(wǎng)，即為新舊點(diǎn)云結(jié)合后進(jìn)行更新處理的底板。

3.4 DEM更新細(xì)節(jié)處理

在得到的更新底板上進(jìn)行進(jìn)一步的人工細(xì)節(jié)處理[8]，主要目的是對傾斜影像密集匹配點(diǎn)云里濾波效果不好的區(qū)域進(jìn)行植被處理、水面及人工建(構(gòu))筑物繪制特征線約束，以及新舊點(diǎn)云接邊處理[9]。

(1)茂密植被覆蓋處理

傾斜影像密集匹配點(diǎn)云受制于無穿透性的條件限制，在植被茂密處無法提供真實(shí)的地面點(diǎn)以供參考。對于植被茂密處的處理主要參考周圍地形模擬表現(xiàn)植被下方地形。然而在實(shí)際更新時(shí)，變化區(qū)域?yàn)槿斯さ乇磔^多，基本無大面積的植被遮擋或植被未生長得很茂密，故該項(xiàng)傾斜影像密集匹配點(diǎn)云生產(chǎn)DEM的固有缺陷在僅進(jìn)行變化區(qū)域更新時(shí)已被弱化，如圖3所示。

(2)水面置平或漸變處理

傾斜影像密集匹配點(diǎn)云因水面連接點(diǎn)相似性太高不好匹配，所以得出的點(diǎn)云并不是一個(gè)平面，而會(huì)有錯(cuò)誤的凹陷，需要綜合航飛影像繪制水涯線，并對池塘、湖泊置平，對河流按照上下游河岸高程差梯度漸變，如圖4所示。

(3)人工建(構(gòu))筑物處理

房屋處因?yàn)V波失去了墻面和屋頂點(diǎn)，地基處地形無法正確表示，需要參考正射影像在房前屋后恰當(dāng)處繪制斷裂線進(jìn)行局部置平，還原房屋底真實(shí)地形；架空橋梁處自動(dòng)濾波后，會(huì)有架空部分未完全剝離或剝離架空點(diǎn)后基底地形還原不真實(shí)的問題，需要手工還原基底；邊坡陡坎自動(dòng)濾波后如果坎沿未正確表達(dá)，需要人工添加特征線還原坡坎邊緣形狀，如圖5所示。

圖3 茂密植被覆蓋影像(左)及處理前(中)后(右)效果對比圖

圖4 池塘水面影像(左)及處理前(中)后(右)效果對比圖

(4)新舊處接邊

新舊點(diǎn)云接邊處，因?yàn)橹脖徽趽?、點(diǎn)云厚度等影響，會(huì)出現(xiàn)過渡生硬的問題，影響DEM成果的美觀，需要對接邊過渡生硬明顯處進(jìn)行平滑處理，使新舊點(diǎn)云結(jié)合更緊密，如圖6所示。

圖6 接邊處理前(左)后(右)效果對比圖

3.5 檢查與成果生產(chǎn)

更新處理完成后需要對地面點(diǎn)構(gòu)成三角網(wǎng)模型進(jìn)行檢查，主要檢查更新區(qū)域內(nèi)部需要人工處理的問題是否處理完善和新舊接邊處是否處理得當(dāng)。檢查無誤后，輸出構(gòu)建的DEM成果。

4 DEM更新成果

4.1 效果驗(yàn)證

更新后的DEM成果，能夠合理表達(dá)變化區(qū)域的地形現(xiàn)狀，且新舊過渡合理，達(dá)到了預(yù)期的效果，如圖7所示。

圖7 更新前(左)后(右)效果對比圖

4.2 精度評(píng)價(jià)

使用外業(yè)檢查點(diǎn)法對更新后的DEM進(jìn)行精度檢查，評(píng)定更新后的DEM精度。該片區(qū)屬于山地，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)技術(shù)指標(biāo)，格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差 1.0 m，精度檢查表如表1所示。高程誤差統(tǒng)計(jì)后得出中誤差為 0.29 m，最大誤差 0.83 m。符合 1∶1 000比例尺精度要求。

DEM高程精度檢查表(部分) 表1

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于傾斜影像密集匹配點(diǎn)云更新DEM的方法，該方法比傳統(tǒng)采集等高線、特征線更新DEM的方法細(xì)節(jié)更豐富，精度滿足要求，且不需要單獨(dú)獲取激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，降低了生產(chǎn)成本。本方法適用的場景為變化區(qū)域主要為人工地表和植被稀疏區(qū)域且項(xiàng)目本身需求航空攝影的大比例尺DEM更新情況，如此既能保證更新成果的質(zhì)量也不會(huì)額外增加生產(chǎn)成本。

本方法也具有局限性，例如待更新區(qū)域如果被茂密的植被覆蓋或者需要額外增加生產(chǎn)成本投入以獲取傾斜影像時(shí)，本方法優(yōu)勢便不明顯。本方法中主要的工作量在于傾斜影像密集匹配點(diǎn)云濾波后的人工處理環(huán)節(jié)，所以傾斜影像密集匹配點(diǎn)云的濾波效果對工作量的影響較大，如何提高傾斜影像密集匹配點(diǎn)云的濾波效果是下一步的研究方向。