基于ADS80制作武漢市1∶10 000數字高程模型

鄭鳳嬌，王 祥，覃雪梅，鄭 珊

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

基于ADS80制作武漢市1∶10 000數字高程模型

鄭鳳嬌1，王 祥1，覃雪梅1，鄭 珊1

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

介紹了利用ADS80推掃式數碼航空影像生產武漢市1∶10 000 DEM的過程，并利用現有的數字線劃圖數據對其進行精度評定。檢查結果表明，其精度均滿足規范要求。

數字高程模型；航空影像；立體建模；影像匹配；精度評定

1 測區概況和技術要求

武漢市位于中國腹地中心，享有“九省通衢”之美譽。本次制作的武漢市數字高程模型（DEM）覆蓋全市域，總面積達8 494 km2。結合實際需要，我院制作的DEM成圖數學基礎如下：

1）平面坐標系統：采用1954年北京坐標系，3°帶高斯-克呂格投影，中央經線114°，帶號為38。

2）高程基準：采用1985國家高程基準，其技術指標為：格網尺寸 5 m×5 m；圖幅分幅采用梯形分幅，編號采用行列編號方法；成圖比例尺為1∶10 000；數據存儲格式為*.img

2 主要作業流程

本文主要使用Microstation V8及MAS系統、Inpho軟件、ArcGIS9.3等進行DEM的制作，其主要作業流程包括：立體建模、影像自動匹配、特征數據采集、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數據采集

DTM數據采集是在空三加密成果的基礎上進行的三維采集，采集的主要內容是特征點、線。隨著現代測繪技術的發展以及影像數據質量的提高，使得DTM的快速自動獲取成為可能。本測區地形包括一部分平丘地，大部分區域植被覆蓋較低，為自動匹配提供了有利的地形、地貌條件。本測區DTM數據的采集方法有2種：一是由軟件自動匹配獲取數據，該方法是DTM數據采集的主要方法。經匹配試驗，該測區自動匹配效果良好，在精度范圍內，絕大部分地形、地貌均能得到較好的匹配。但由于影像自動匹配和濾波的局限性，對于地形較為復雜的地方，還需進行人工干預和修改。另一種方法是采用傳統的在立體模型下人工采集必要的特征線，即對自動匹配不能反映地貌特征的地方需要補采特征數據。另外，考慮到測區范圍外數據接邊的問題，在自動匹配和人工采集DEM基礎數據時，范圍需外擴50 m。

圖1 DEM制作的主要流程圖

3.1 立體建模

本文采用直接導入空三成果的方法建立模型。即利用2套坐標系下的轉換七參數直接導入攝影測量工作站，恢復立體模型。

3.2 影像自動匹配

本文引進國際上先進的Inpho軟件[1,2]。根據本項目的地形特點，在項目開展前期，擬將測區分塊進行高效的自動匹配，經過動態濾波生成原始DEM數據。但由于Inpho軟件自動匹配的是數字表面模型DSM，包含了地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地面高程模型[3]，實際作業時，需疊合影像在立體模型下檢查，對偏離地面的匹配點進行高程修正，使之切準地面；對于地表建筑物、樹木等非地面高程點需進行人工干預，采集特征點、線，對匹配進行濾波。

3.3 特征數據采集

在自動匹配的基礎上，在立體模型上進行全面檢查，對自動匹配不能反映地貌特征的地方人工采集特征點、線以及水域線面等信息。采集時測標應切準地面進行三維坐標量測。特征點（如山頭、洼地、鞍部、路叉、谷底、凹地等）高程采集精度應符合高程注記點的精度要求。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）應滿足制作DEM的數據需要。所有要素三維采集，特征點、線數據文件最終提交格式為dwg。

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

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

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

3） 斷裂線的采集：應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的應采集，采集時注意采集坎下線和沖溝底線。

3.4 DTM數據檢查與修改

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；檢查明顯的DTM粗差(建筑物、橋梁、樹木等非地表高程)；進行接邊檢查，看接邊處是否有高程跳變的情況。

2） 從前視圖上，對三維數據中的“飛點”、“飛線”進行檢查修改。

3） 在立體模型下，生成曲線檢查DEM基礎數據的采集情況，務必在立體下消除平三角、高程疊加等不合理情況。同時檢查采集數據的高程精度。

4） 靜止水體范圍內的DEM基礎數據高程值應一致，流動水域的DTM數據高程應自上而下平緩過渡，關系合理。

5） 對于影像的不連續、被遮蓋及陰影等區域，需檢查匹配點是否切準地面。

6） 建筑物、樹林等位置，檢查匹配點是否為地面點，而非物體表面上的點。

7） 對于大范圍平坦地區、溝渠、地形破碎區域，需檢查匹配點和等視差曲線是否真實反映地形。

3.5 DTM數據接邊

相鄰DTM接邊不應出現漏洞，接邊處的高程應符合地形連續的總體特征。如果出現跳變，應在立體下檢查是否符合地貌特征，不能隨意進行平差修改。

4 DEM數據制作

4.1 數據預處理

在Inpho軟件下輸出經檢查、修改后的只保留真實地面高程信息的DTM數據：軟件自動匹配點（經人工干預后）數據輸出為LAS格式，人工采集的特征線輸出為dxf格式。

4.2 數據格式轉換

根據作業要求，本項目需保存過程數據及最終DEM成果數據。其中，過程數據即特征點、線數據，軟件直接輸出為dwg格式的數據；DEM成果數據最終需要ERDAS 的img格式數據，因此需要將整理好的dwg數據制作為5 m間距的ArcGrid數據，該操作在ArcGIS軟件下進行，最后由軟件直接輸出為img格式的DEM數據。具體做法如圖2所示。

4.3 DEM制作過程

本文采用規則格網建立DEM模型來描述地面起伏狀況，數據可反映真實地表特征。

首先，對三維采集數據（DGN格式）進行初步整理，檢查飛點飛線，確認沒問題后轉成CAD的dwg格式。另外，因Inpho軟件匹配輸出的是LAS數據，且數據量較大，前期數據檢查、處理和合并均在Global Mapper下進行。然后，在ArcGIS環境下生成Raster，并套合測區范圍線進行自由邊裁切。最后，利用我單位在ArcGIS平臺上自主研發的DEM圖幅裁切程序，進行批量分幅并自動轉化輸出為img格式。具體流程如圖3所示。

圖2 DEM制作數據格式轉換

圖3 DEM制作流程

5 相關技術

5.1 ADS80數字航空攝影技術

本項目使用ADS80新型航空攝影獲取技術，縮短了航空攝影的周期，縮減了后續數據處理的繁瑣程序。ADS80相機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，航向不需要接邊，影像成條帶狀。與傳統膠片相比，航片覆蓋面增加，大大減少了野外工作量，縮短了生產周期[4]；ADS80空三加密在大面積測區平差時效率較高，人工干預較少，只需觀測有限的控制點，提高了工作效率。

5.2 影像自動匹配和人工干預技術

本區地形破碎、植被分散、水系多且雜，如按常規方法進行數據采集，歷經時間長。因此，我們充分利用Inpho軟件在自動匹配效率和濾波算法上的優勢，進行全測區影像的快速自動匹配。

自動匹配生產DEM數據雖然效率高，但也有其局限性，如對植被覆蓋度較高、陰影、溝底、峁坡等復雜地區的地貌，匹配和濾波效果還是不太理想。針對該種情況，我們通過綜合分析濾波原理，反復進行人工采集特征斷裂線輔助濾波實驗，總結出不同地形斷裂線的采集方法，最終以人工干預的方式解決了自動匹配在部分復雜地區濾波的局限性。

5.3 DEM批量分幅技術

目前市場上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，但多數需要大量的人工參與，可能還涉及到數據格式的重新轉換，操作起來比較麻煩。

根據項目要求，本區DEM提交的是*.img格式的分幅數據，如果采用常規方法在現有軟件的基礎上進行半自動分幅，工作量相當大。因此，本項目在ArcGIS軟件平臺基礎上開發了批量分幅DEM及多格式數據自動轉換程序，成功實現了DEM數據的快速分幅和數據格式的無損轉換。

5.4 元數據提取和索引圖制作技術

目前元數據提取的方法和可用軟件較多，但人工參入量較大，可能還涉及到幾個軟件間的互相轉換。本測區元數據的屬性項比較多，如按一般的方法提取，作業步驟較為繁瑣，工作量也較大。因此，基于自身技術和軟件環境上的優勢，在Microstation軟件下開發了metafv8.ma程序，實現了元數據的快速、自動提取；在FME軟件下編制了模板，通過導入測區結合圖、元數據MDB文件，很容易實現索引圖的制作。

6 精度檢測

DEM成果的精度用格網點的高程中誤差表示，根據GB/T 18316-2008《數字測繪成果質量檢查與驗收》中對質量檢查方法的規定，DEM精度的檢測主要有參考數據對比、野外實測、內部檢查等方法[5,6]。基于我院有豐富的地形圖等現勢強的數據資源，本次對DEM精度的檢測采用參考數據對比，充分利用1∶ 2 000數字地形圖上的高程點作為檢查點，對DEM格網點位高程精度作較差檢查。

參照CH/T9009.2-2010《基礎地理信息數字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶ 50 000、1∶100 000數字高程模型》，DEM成果格網點高程中誤差精度要求不大于表1規定。

表1 1∶10 000比例尺DEM精度指標[7]/m

依據GB/T24356-2009《測繪成果質量檢查與驗收》要求，按照不同的地形特征在平地、丘陵地中共抽取66幅DEM進行精度檢測，在每幅DEM上根據具體的地形復雜情況選取20～25個檢查點，且均勻分布在每幅DEM上。根據下式計算中誤差，其中，檢查點的高程為Zk（k=1，2，3，…，n）。在建立DEM后，由DEM內插出的這些點的高程為Rk，則DEM的精度為：

由表2可以看出，DEM成果能夠滿足1∶10 000二級精度要求。

表2 檢測點按地形類別精度統計結果

[1] 章孝燦.快速高精度DEM生成技術研究[M].杭州：浙江大學，2002

[2] 厲芳婷，熊敬平，閔天，等.Inpho軟件在利用ADS80數據制作正射影像中的應用[J].測繪地理信息，2013,38(6):76-78

[3] 史照良，沈泉飛，曹敏.像素工廠中真正射影像的生產及其精度分析[J].測繪科學技術學報， 2007,24(5):332-335

[4] 雷武奎.ADS80數碼影像與RC30框幅式影像在基礎測繪中的應用研究[J].甘肅科技，2014,30(9):30-32

[5] GB/T 18316-2008.數字測繪成果質量檢查與驗收[S].

[6] 陳艷麗. 1∶10 000DLG生產DEM的質量檢查與評定[J].地理空間信息，2011,9(2):29-31

[7] CH/T 9009.2-2010.基礎地理信息數字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000 數字高程模型[S].

P231.5

B

1672-4623（2015）03-0081-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.029

鄭鳳嬌，正高職高級工程師，主要從事測繪管理與基礎地理信息數據建庫研究工作。

2015-01-12。

項目來源：精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（PF2013-13）。