基于ADS80數碼影像進行DEM數據更新的研究與應用

答星，單靜，朱巧云，楊曉東

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 前言

隨著“十二五”國家發展戰略進程的展開，武漢市以實現國家“中心城市”為戰略使命，將大力推進經濟社會發展、兩型社會建設和全市的信息化構建，因此完善基礎地理信息的覆蓋率，將為武漢市城鄉統一規劃管理提供切實有效的基礎測繪保障。數字高程模型(Digital Elevation Mode，DEM)作為“4D”數字化測繪產品之一，是一系列地面點的坐標和高程值的數據集。它通過數據內插可以描述區域地貌形態的空間分布，廣泛應用于派生等高線、坡度圖等信息以及與DOM、DLG等基礎數據源疊加進行地形展示或相關空間分析［1］。同時，DEM質量的好壞將直接影響DOM的成圖質量和精度，當已知航攝影像的內外方位元素及該區域的DEM，便能根據中心投影的共線方程原理，對航攝影像進行數字微分糾正以獲取DOM。本文以武漢市江夏區約300 km2DEM生產項目為例，利用ADS80三線陣傳感器的數碼相機影像，探討利用MapMatrix系統進行DEM更新生產的方法和操作技巧。

2 DEM的采集方法比較

目前，DEM的數據采集方法主要包括以下三種:地形測量獲取、航空攝影測量、利用LiDAR點云分類提取［2］。地形測量獲取方法如用GPS、全站儀野外測量采集等，該方法外業強度大、效率低、成本高，且對于生產產品級別的DEM數據而言，明顯高程點密度不足，精度質量欠佳。航空攝影測量方法即全數字攝影測量系統獲取DEM，即能利用核線影像自動匹配生成DEM后再人工編輯，又能在立體環境下通過采集特征點線面后構TIN生成DEM，該方法效率較高，成本投入少，且能夠滿足產品級DEM的生產精度要求。利用LiDAR點云進行濾波分類提取DEM方法，其數據精度高、生產效率最快，但需要額外配置專業軟件對海量點云數據進行濾波處理，由于三維點云數據在三維建模等領域應用較廣，如僅從獲取DEM產品角度而言，航攝成本相對較高。本文以航空攝影測量方法這種最常規的DEM數據采集或更新手段，借助MapMatrix數字攝影測量工作站在人工干預的情況下，實現半自動化生產。

3 項目情況簡介及使用軟件說明

本次DEM生產更新項目采用ADS80三陣列推掃數碼航空攝影儀，該傳感器集成了IMU/GPS系統，可以在少量地面控制點甚至無控制點的情況下進行空三解算。相較傳統膠片相機和框幅式數碼相機而言，ADS80采用POS(GPS/IMU)技術，能大大縮短外業相控、空三加密解算等人工干預時間，同時減少了相片掃描和拼接環節。以40 km×100 km計算(1∶2000成圖比例尺)為例，膠片需要2500張，框幅式數碼機約需12000張，而ADS80僅需26條航帶，僅掃描和拼接一項就可節約工期30天左右。同時ADS80相機的12條CCD中，每條CCD為 12000像元，像元大小6.5 μm，通過選用前視(27°)、底視(0°)、后視(14°)的三組全色CCD影像中的任意兩組，最大能形成41°交會角，可以獲取接近 1∶1的基高比，從而有利于提高DEM 的采集精度［3，4］。

DEM立體編輯采用航天遠景公司的MapMatrix系統，該系統是基于航空、衛星遙感、外業等數據進行多源空間信息綜合處理的平臺。它涵蓋幾個重要的模塊，其中包括: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立體測編模塊等。該軟件能支持多種傳感器影像，如:傳統框幅式相機RC10、數碼影像DMC/UCD、線陣傳感器 ADS40/80、衛星傳感器 IKONOS/QUICKBIRD 等［5］。其中DEMMatrix支持DEM數據的立體環境實時編輯，特別是使用量測出的特征點線面數據構TIN，來內插修整DEM格網點高程，通過實時顯示設定間距的等高線，實現對復雜地形區域高效、高精度編輯。

4 DEM數據處理更新流程

根據城市基礎地理信息系統技術規范(CJJ100－2004)，城市DEM數據的基本格網尺寸為5 m×5 m，采用5 km×5 km分幅存儲，存儲單元的起始點為整千米數。本次DEM生產更新項目將利用已有的武漢市江夏地區低精度的DEM，在立體環境下進行更新處理。由于攝影航飛設計為東西向鋪設條帶，因而將DEM原始數據做縱向分塊處理，并設置10個格網間距的重疊區域，以便DEM數據的整體拼接和精度校驗，具體分區結合表如圖1所示。

圖1 分區結合圖

本項目所用的ADS80數碼影像數據需先通過IPAS軟件對空中IMU、GPS數據進行數據預處理，并解算得到飛機(相機)的位置和姿態數據。結合解得的定位定姿參數和GPRO軟件，對原始L0級影像作定向定位糾正，得到WGS84坐標系統下的L1級影像［6］，然后利用MapMatrix系統完成本地坐標系統轉換及恢復立體模型采集等工序。由于DEM可由多種數據格式存儲，在對原始 DEM進行分塊裁切后，需利用MapMatrix系統提供的DEM數據格式轉換模塊進行格式轉換。本文將IMG格式存儲的原始DEM數據轉換到NSDTF－DEM國家標準空間數據格式，有利于編輯成果的二次轉換。對有特征點線面數據的區域，可在立體編輯前，在DEMMatrix模塊中局部構TIN后內插生成標準格網的DEM，通過與原始DEM進行疊加處理，提高DEM的更新效率。在切換到立體編輯環境后，可借助DEMMatrix模塊提供的編輯工具，逐點檢查DEM數據中格網點的高程精度，完成采集和更新工作。最后，對分區成果進行拼接處理，并利用檢核點進行精度核查［3］。其具體技術流程如圖2所示。

圖2 技術流程圖

5 更新過程中的經驗總結

5.1 坐標投影轉換

由于ADS80的L1級影像是在WGS84大地坐標系統下獲取，因而在更新DEM數據前需要通過坐標系統轉換得到1954年北京坐標系或地方獨立坐標系的平面坐標，并利用大地水準面精化模型換算至1985國家高程［7］。筆者根據測區具體概況，利用武漢市測繪研究院已有的江夏區坐標轉換七參數和武漢市城市似大地水準面精化(bin)文件，將坐標投影轉換至所需坐標系下，通過測區內已有的像控點檢核，模型定向精度滿足測圖要求。但當無七參數轉換參數時，可以在MapMatrix系統輸入控制點分別在WGS84和1954年北京坐標系統下同一組控制點數據，然后采用十二參數仿射擬合，計算出轉換七參數。對于高程精度而言，筆者通過實驗，當采用似大地水準面精化文件改正后，比單純使用七參數轉換后高程差約14 m，可見區域似大地水準面對DEM更新精度至關重要。

5.2 外部特征點線引入更新

由于ADS80采用“線中心投影”的推掃式成像原理，本身不是嚴格意義上的中心投影，因此整個影像不符合中心投影的規律，也就不存在核線，因此不能像普通框幅式核線影像匹配或基于物方匹配的方式生成DEM。雖然MapMatrix系統支持將ADS影像裁切成分段，使其近似中心投影成像方式，然后匹配生成分塊的DEM，但其精度和質量難以保障。本文通過利用已有的特征點線文件(如測圖數據、高程散點等)進行DEM更新，無疑能較大程度地提高更新效率。DEMMatrix軟件支持導入三維DXF文件格式或在編輯界面里記錄采集特征數據兩種方式添加三維特征要素，通過框選一定區域，進行局部構TIN，再以量測點內插的方式修改DEM。但經筆者測試，該方法雖可以較好地控制內插高程點的精度，但處理區域不宜過大，如不超過0.5 km2。因而，筆者采用在FeatureMatrix模塊中導入16 km2外部測圖數據(三維DXF)進行大面積構TIN，然后再內插生成該區域的DEM，通過回寫疊加到原始DEM中，最后在DEMMatrix軟件中進行疊加區域的檢查編輯，從而較好地解決了大量外部特征文件的利用問題。

5.3 特殊工具的使用

在數據更新過程中，因自然力或人為原因產生的地形激變，可利用特征點、線、面三種編輯模式配合，采用區域匹配或量測內插的局部函數內插方法修測地形變化區域。筆者通過生產經驗總結，當激變地形復雜時，可以配合使用線和點編輯模式實時構TIN。當新增節點對已構三角網擬合地形有誤時，可及時刪除，然后利用“量測點內插”處理。如有部分粗差點存在，還可以通過“局部平滑”處理。利用“道路推平”工具只需采集中心線，并給出相應寬度，可高效處理鐵路、等寬公路等地形修測。此外，利用“高程均值”或“指定高程”等工具能處理大面積水域中的誤匹配現象。

6 成果精度

本項目利用武漢市測繪研究院多年積累的航攝像控點庫以及外業RTK采集的高程檢查散點，對DEM成果高程坐標值進行檢核，保證每幅成圖檢查點不少于30個。利用求得高程坐標中誤差［8］，經測算DEM成果精度優于5 m格網城市基礎地理信息系統規范要求的平地0.7 m、丘陵1.7 m的中誤差要求。

7 結語

本項目作業過程中結合ADS80數碼影像的成像優勢，利用了MapMatrix系統強大的多源空間信息處理能力，設計了一套DEM更新的具體生產流程，且成果通過了精度評定與質量檢查。在加強中間環節的質量控制和提高生產效率方面，筆者總結了生產流程中的若干技術方法，旨在探索一條更加科學有效地利用ADS80數據進行DEM更新之路。

［1］許存玲，王偉麗，李菊繪.DEM和DOM生產的基本環節及質量控制［J］.測繪標準化，2010，26(1):34～36.

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