基于立體衛星影像的等高線自動提取方案

袁紅選++左志奇++胡裕軍

摘 要 對一種基于立體衛星影像數據的等高線自動提取方案進行介紹，該算法能自動獲取目標區域的等高線數據，且精度、可靠性以及美觀程度都較優。

【關鍵詞】等高線 提取方案

受衛星影像分辨率、DSM提取方案、等高線提取算法等因素影響，等高線的自動提取在作業生產中一直難以實用化。本文提出一種全新的等高線自動提取方案，該方案采用先進的半全局密集匹配算法，針對密集匹配提取的DSM點云，采用基于不規則三角網的平滑算法得到平滑的DEM。最后采用Global Mapper軟件將DEM內插為等高線。

1 立體衛星影像DSM自動提取

采用基于半全局優化的密集匹配算法，該算法采用局部逐點匹配的思想，在待匹配像素多個方向上做動態規劃，用多個一維的平滑約束來近似該像素二維的平滑約束，減少因遮擋、噪聲產生的錯誤匹配，該算法既保留了動態規劃高效的特點，同時也提高了計算結果的精度，算法中引入互信息作為相似測度，互信息較以往的相似性測度（如相關系數、灰度絕對差等）具有對亮度變化、視差初值誤差不敏感、可以直接進行像素間的相關計算等優點。該算法包括匹配代價計算、代價矩陣累加、視差解算三個步驟，可得到子像素級匹配結果。

2 點云平滑算法

由立體衛星影像直接提取得到的DSM表面比較粗糙，必須進行平滑處理去掉噪聲、孤立突出地物等，以便于后續的等高線提取?？紤]到獲取的DSM點云相對于航空影像數據較為稀疏，為了更好的保留地形特征，對獲取的DSM沒有采用點云濾波技術，僅僅做一次中值濾波或平滑處理。過程如下：首先，對區域的DSM點云數據構建不規則三角網，并根據三角網建立點與點之間的鄰接關系，即在同一個三角形內的點屬于鄰接點。然后，依次遍歷DSM中的每一個點，根據其周圍的鄰接點對其高程值進行中值濾波或高斯平滑處理。得到更新的點云數據。

3 等高線自動生成

目前公認的效果比較好的是Global Mapper軟件，它可以在生成等高線的同時顧及山脊、山谷的走向，得到的等高線數據更加美觀、更加合理。因此，本文采用Global Mapper軟件生成等高線，輸入第二節中生成的平滑后的點云數據，采用三角網內插DEM算法得到規則格網DEM，之后再經過等高線自動提取步驟得到最終的等高線數據。

4 實驗結果與分析

采用以上流程進行了實驗，實驗數據為經過VirtuoZoSat軟件空三平差和模型裁切后得到的衛星立體影像數據，半全局密集匹配算法和點云平滑算法為本文作者根據上述原理自己編寫的程序，環境為Visual C++ 6.0。等高線自動提取試驗流程如下圖所示，經VirtuoZoSat軟件近似核線裁切得到的左右核線影像經過密集匹配技術生成匹配點云，匹配點云經過平滑后內插成DEM數據，再由Global Mapper軟件進行等高線自動提取。

對點云數據平滑前后內插的DEM和提取的等高線數據進行了對比，如下圖1所示，從結果可以看出點云平滑前內插的DEM比較粗糙，平滑后內插的DEM表面光滑度得到了明顯提高，由點云平滑前內插的粗糙DEM提取的等高線比較亂，很多毛刺、不夠光滑，點云平滑后內插的DEM提取的等高線毛刺大大減少，在平滑性和美觀性方面大大提高。

5 結論

從實驗結果可以看出，基于半全局優化的密集匹配算法都能提取出質量較高的DSM點云數據，經過平滑、內插生成規則格網DEM后內插的等高線，整體簡潔、美觀，立體情況下檢查并少量編輯修改后可以滿足生產要求。因此，本文的等高線自動提取方案可以大大提高當前等高線采集作業的效率。

作者簡介

袁紅選（1975-），男，湖北省武漢市人?，F為61175部隊工程師，從事攝影測量與遙感工作。研究方向為地理信息系統。

作者單位

61175部隊 湖北省武漢市 430070