基于高分立体影像数字高程模型提取

郭春蕾

（沈阳城市建设学院土木工程系）

基于高分立体影像数字高程模型提取

郭春蕾

（沈阳城市建设学院土木工程系）

数字高程模型（DEM）是研究地表景观三维结构的重要工具。近年来，高分辨率卫星立体像对（VHR-ST）数据不断涌现，这些卫星数据重访率高，全球覆盖，能有效弥补航空数据的不足，但是这些立体数据的成像几何较航空图像更为复杂。本文对基于高分辨率卫星立体像对的数字高程模型提取进行了综述。

数字高程模型；高分辨率卫星立体像对

1 引言

目前获取DEM的主要手段有很多途径，在众多途径中，由于遥感影像获取技术正趋向三多（多平台、多传感器、多角度）和三高（高空间分辨率、高光谱分辨率和高时相分辨率），是空间数据采集最有效的手段，具有效率高、劳动强度低等优点，在提取DEM的途径中具有其他方法所没有的优势。因此如何更有效地利用卫星遥感立体像对，更方便快捷地生成数字高程模型，是目前世界范围内共同关注的一个焦点。

2 国内外研究现状

关于利用立体像对自动提取DEM，目前国内外学者已经有了许多研究成果。例如，英国学者R.G.Ley利用MacDonald Dettwiler开发的Meridian软件进行SPOT高程自动提取实验；N.Al-Rousan和P.Cheng设计开发了EASI/PACE系统进行SPOT影像的正射纠正和高程数据提取，实验证实该系统对干旱区域或半干旱地区可取得良好的实验结果；K.Jacobsen利用Hannover大学的RASCOR软件进行了SPOT HRS提取DEM实验，得到开阔地区最高精度可达5m；Kocak.Guven采用IKONOS立体像对进行了自动提取DEM实验，由于辐射畸变原因，高程精度仅为+/-5.8m；Pakorn APAPHANT和James BETHEL通过采用对象金字塔和特征金字塔集成匹配来提高匹配精度，提出在提取影像边缘、线、高地和尖峰特征的基础上，采用动态规划法进行影像匹配生成DEM的方案；Eckert.Sandra和Hollands.Thomas通过对高分辨率立体卫星影像的DSM的生成，评价了不同的图像处理软件模块，确定了对城市区域自动提取DSM的算法改进；Krau.Thomas采用基于区域的匹配和一个动态线变形两种方法，比较和讨论了IKONOS影像DSM生成的局限性和良好的DSM快速生成的可用性。

我国学者也做出了不懈的努力，杨战辉、戴腾等分别用VirtuoZo进行了生产DEM的试验，并分析讨论了生产中的关键技术问题；黄玉琪利用岭估计法和“锚点法”进行影像匹配分别解决了对SPOT影像进行全数字处理的外方位元素之间存在强相关性和没有严格意义上的核线两个难点[1]；林怡提出基于小波变换的特征提取与影像匹配和用数学形态变换生成DEM方法[2]；巩丹超提出一种基于直方图不变矩、二维图像的不变矩以及灰度加权窗口三级匹配基元的图像快速匹配方案[3]；姜挺采用了一种小波变换支持的基于灰度和基于特征相结合的分层匹配方案，利用MOMS-02前后视影像自动生成的DEM高程精度可达5.27m[4]。李健进行了采用影像的特征点及线的匹配进行DSM自动提取，提取结果在山区或城区都能取得理想的效果，具有很高效率及可靠性。尤红建等对城市DSM快速提取及三维显示进行了研究，并通过实验区飞行数据的处理机三维显示验证了方法的可行性。

3 数字高程模型（DEM）

目前高分辨率遥感影像的数字摄影测量处理已进入了应用阶段，关于SPOT、IKONOS、QuickBird等影像的处理理论和方法已经基本成熟，国内外一些测绘软件都实现了这些影像的数字摄影测量处理功能，例如美国的 ERDAS IMAGE 8.7 的 LPS模块、SOCET SET、PCI Geomatica、ENVI系统和中国武汉大学研制的Virtuzo系统都支持SPOT、IKONOS、QuickBird等影像的数字摄影测量处理。

在DEM的自动提取和影像正射校正过程中首先选择传感器物理模型，这种模型基于共线方程——表现了图像空间和地面空间进行转换的原则，它是结合所有在成像过程中会引起几何形变的平台、传感器、地球和地图投影等因素而创建的。立体影像经传感器物理模型计算后产生一对核线影像，该影像是为了获得图像在同一方向上的高程视差。正射模块根据图像间关系利用自动图像匹配程序从两幅图像上提取同名点，通过对比同名点之间的差异，由计算所得到的传感器物理模型计算出其X、Y和Z坐标。

4 问题归纳

虽然提取DTM或DSM的软件和匹配算法彼此之间可能不同，但是在提取精度和遇到的问题上在大体上还是有些相同的，其中，在DEM/DSM生成中常见的问题有以下几点：

（1）纹理信息缺乏；

（2）地物明显不连续，有断线或空洞；

（3）当地地物斑块不是平坦的二维平面；

（4）地物有重复现象；

（5）地物有被遮挡现象；

（6）物体移位，有阴影；

（7）存在多层和透明的物体；

（8）建筑物有镜面反射或其他辐射发生。

当比较多时相图像数据集时，会出现新的问题：

（1）不同的图像比例；

（2）不同的图像质量；

（3）不同的生长状况；

（4）不同的光照条件和大气状况；

（5）不同的图像定标（视点和旋转角度）。

解决问题的办法在于将所需的信息转化成对象空间并作分析，而减少对比多时相图像的困难也可以通过以下实现：

（1）确保图像获取时相几乎相同；

（2）确保相似的光照条件和大气状况；

（3）较高的太阳高度角；

（4）获取树木未凋零的图像；

（5）使用现代化的精确导航和针点摄影，获取类似的图像采集参数。

5 总结

高分辨率遥感影像是空间数据采集最有效的手段，在提取DEM的途径中具有其他方法所没有的优势。但遥感立体影像提取DEM精度还需要进行改善，比如影像匹配策略参数的设置；获取影像的太阳高度角对DEM的提取有一定影响等。

[1]黄玉琪．SPOT 影像的 DEM 自动生成[J]．测绘通报，1998（9）．

[2]林 怡，陈 鹰．用立体影像匹配和数学形态变换自动生成DEM[J]．中国图象圈形学报，2003，8（4）．

[3]巩丹超．高分辨率卫星遥感立体影像处理模型与算法[D]．中国人民解放军信息工程大学，2003．

[4]姜 挺，江刚武．基于小波变换的分层影像匹配[J]．测绘学报，2004，33（3）．

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1004-7344（2016）06-0152-01

2016-2-10