基于高分立體影像數字高程模型提取

郭春蕾

（沈陽城市建設學院土木工程系）

基于高分立體影像數字高程模型提取

郭春蕾

（沈陽城市建設學院土木工程系）

數字高程模型（DEM）是研究地表景觀三維結構的重要工具。近年來，高分辨率衛星立體像對（VHR-ST）數據不斷涌現，這些衛星數據重訪率高，全球覆蓋，能有效彌補航空數據的不足，但是這些立體數據的成像幾何較航空圖像更為復雜。本文對基于高分辨率衛星立體像對的數字高程模型提取進行了綜述。

數字高程模型；高分辨率衛星立體像對

1 引言

目前獲取DEM的主要手段有很多途徑，在眾多途徑中，由于遙感影像獲取技術正趨向三多（多平臺、多傳感器、多角度）和三高（高空間分辨率、高光譜分辨率和高時相分辨率），是空間數據采集最有效的手段，具有效率高、勞動強度低等優點，在提取DEM的途徑中具有其他方法所沒有的優勢。因此如何更有效地利用衛星遙感立體像對，更方便快捷地生成數字高程模型，是目前世界范圍內共同關注的一個焦點。

2 國內外研究現狀

關于利用立體像對自動提取DEM，目前國內外學者已經有了許多研究成果。例如，英國學者R.G.Ley利用MacDonald Dettwiler開發的Meridian軟件進行SPOT高程自動提取實驗；N.Al-Rousan和P.Cheng設計開發了EASI/PACE系統進行SPOT影像的正射糾正和高程數據提取，實驗證實該系統對干旱區域或半干旱地區可取得良好的實驗結果；K.Jacobsen利用Hannover大學的RASCOR軟件進行了SPOT HRS提取DEM實驗，得到開闊地區最高精度可達5m；Kocak.Guven采用IKONOS立體像對進行了自動提取DEM實驗，由于輻射畸變原因，高程精度僅為+/-5.8m；Pakorn APAPHANT和James BETHEL通過采用對象金字塔和特征金字塔集成匹配來提高匹配精度，提出在提取影像邊緣、線、高地和尖峰特征的基礎上，采用動態規劃法進行影像匹配生成DEM的方案；Eckert.Sandra和Hollands.Thomas通過對高分辨率立體衛星影像的DSM的生成，評價了不同的圖像處理軟件模塊，確定了對城市區域自動提取DSM的算法改進；Krau.Thomas采用基于區域的匹配和一個動態線變形兩種方法，比較和討論了IKONOS影像DSM生成的局限性和良好的DSM快速生成的可用性。

我國學者也做出了不懈的努力，楊戰輝、戴騰等分別用VirtuoZo進行了生產DEM的試驗，并分析討論了生產中的關鍵技術問題；黃玉琪利用嶺估計法和“錨點法”進行影像匹配分別解決了對SPOT影像進行全數字處理的外方位元素之間存在強相關性和沒有嚴格意義上的核線兩個難點[1]；林怡提出基于小波變換的特征提取與影像匹配和用數學形態變換生成DEM方法[2]；鞏丹超提出一種基于直方圖不變矩、二維圖像的不變矩以及灰度加權窗口三級匹配基元的圖像快速匹配方案[3]；姜挺采用了一種小波變換支持的基于灰度和基于特征相結合的分層匹配方案，利用MOMS-02前后視影像自動生成的DEM高程精度可達5.27m[4]。李健進行了采用影像的特征點及線的匹配進行DSM自動提取，提取結果在山區或城區都能取得理想的效果，具有很高效率及可靠性。尤紅建等對城市DSM快速提取及三維顯示進行了研究，并通過實驗區飛行數據的處理機三維顯示驗證了方法的可行性。

3 數字高程模型（DEM）

目前高分辨率遙感影像的數字攝影測量處理已進入了應用階段，關于SPOT、IKONOS、QuickBird等影像的處理理論和方法已經基本成熟，國內外一些測繪軟件都實現了這些影像的數字攝影測量處理功能，例如美國的 ERDAS IMAGE 8.7 的 LPS模塊、SOCET SET、PCI Geomatica、ENVI系統和中國武漢大學研制的Virtuzo系統都支持SPOT、IKONOS、QuickBird等影像的數字攝影測量處理。

在DEM的自動提取和影像正射校正過程中首先選擇傳感器物理模型，這種模型基于共線方程——表現了圖像空間和地面空間進行轉換的原則，它是結合所有在成像過程中會引起幾何形變的平臺、傳感器、地球和地圖投影等因素而創建的。立體影像經傳感器物理模型計算后產生一對核線影像，該影像是為了獲得圖像在同一方向上的高程視差。正射模塊根據圖像間關系利用自動圖像匹配程序從兩幅圖像上提取同名點，通過對比同名點之間的差異，由計算所得到的傳感器物理模型計算出其X、Y和Z坐標。

4 問題歸納

雖然提取DTM或DSM的軟件和匹配算法彼此之間可能不同，但是在提取精度和遇到的問題上在大體上還是有些相同的，其中，在DEM/DSM生成中常見的問題有以下幾點：

（1）紋理信息缺乏；

（2）地物明顯不連續，有斷線或空洞；

（3）當地地物斑塊不是平坦的二維平面；

（4）地物有重復現象；

（5）地物有被遮擋現象；

（6）物體移位，有陰影；

（7）存在多層和透明的物體；

（8）建筑物有鏡面反射或其他輻射發生。

當比較多時相圖像數據集時，會出現新的問題：

（1）不同的圖像比例；

（2）不同的圖像質量；

（3）不同的生長狀況；

（4）不同的光照條件和大氣狀況；

（5）不同的圖像定標（視點和旋轉角度）。

解決問題的辦法在于將所需的信息轉化成對象空間并作分析，而減少對比多時相圖像的困難也可以通過以下實現：

（1）確保圖像獲取時相幾乎相同；

（2）確保相似的光照條件和大氣狀況；

（3）較高的太陽高度角；

（4）獲取樹木未凋零的圖像；

（5）使用現代化的精確導航和針點攝影，獲取類似的圖像采集參數。

5 總結

高分辨率遙感影像是空間數據采集最有效的手段，在提取DEM的途徑中具有其他方法所沒有的優勢。但遙感立體影像提取DEM精度還需要進行改善，比如影像匹配策略參數的設置；獲取影像的太陽高度角對DEM的提取有一定影響等。

[1]黃玉琪．SPOT 影像的 DEM 自動生成[J]．測繪通報，1998（9）．

[2]林 怡，陳 鷹．用立體影像匹配和數學形態變換自動生成DEM[J]．中國圖象圈形學報，2003，8（4）．

[3]鞏丹超．高分辨率衛星遙感立體影像處理模型與算法[D]．中國人民解放軍信息工程大學，2003．

[4]姜 挺，江剛武．基于小波變換的分層影像匹配[J]．測繪學報，2004，33（3）．

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1004-7344（2016）06-0152-01

2016-2-10