基于航天远景MapMatrix的DEM制作研究

张新雯

摘 要：MapMatrix是基于卫星遥感、航空、外业等数据进行多源空间信息综合处理的平台。该文总结了ADS80数码影像在MapMatrix下进行某市1∶2 000DEM数据生产流程，探讨DEM快速生成的方法，成果通过精度评定与质量检查，确实可靠，具有良好可行的运用前景。

关键词：MapMatrix DEM 航天远景 ADS80

中图分类号：TD672 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（b）-0001-03

某市1∶2 000DEM以东西向铺设条带，采用ADS80数码影像数据，经IPAS软件对空中IMU、GPS数据进行数据预处理，解算出飞机（相机）的位置和姿态数据。结合解得的定位定姿参数和GPRO软件，对原始L0级影像作定向定位纠正，得到WGS84坐标系统下的L1级影像。利用MapMatrix系统完成本地坐标系统转换及恢复立体模型采集等工序，使用量测得出的特征点、线构TIN及影像匹配多种方式，生成区域DEM。

1 基于ADS80影像下的数据采集

1.1 ADS80工作原理

ADS80是徕卡公司于2008年在ADS40基础上开发的多线阵CCD成像技术机载线阵摄影系统，其集成的POS系统（GPS/IMU）可在少量地面控制点甚至无控制点情况下进行空三解算。相较传统胶片相机和框幅式数码相机而言，ADS80可直接得到影像的外方位元素，大大缩短外业相控、空三加密解算等人工干预时间；并同时获取同一地面的前视（27°）、中视（2°）及后视（14°）3个高分辨率无缝连续重叠的地面立体影像条带，大大减少了相片扫描和拼接环节。根据空间前方交会得到的高程精度公式，提高高程精度的因素有3点：提高基高比b/f，提高像点坐标的量测精度（k ），提高GSD地面分辨率。

ADS80通过更小的传感像元，降低航飞高度，形成0.87的基高比（B/H=tan41°）获得较高的高程精度，弥补了以往框幅式像对的立体采集中高程精度不足的缺陷，其整体性能使数字摄影测量立体采集工作更为简捷精确。

1.2 基于MapMatrix的ADS80立体测图原理

MapMatrix是基于卫星遥感、航空、外业等数据进行多源空间信息综合处理的平台。其涵盖几个重要的模块：ATMatrix空三加密模块、DEMMatrix高程模型处理模块、DOMMatrix正射影像处理模块、FeatureMatrix立体测编模块。利用MapMatrix进行ADS80影像的建模过程相较框幅式相机而言相对简化，无需进行内定向、相对定向、绝对定向及核线重采样等工序。用户在该系统中可由原始影像出发，由相机参数文件（*.cam）、影像头文件（*.sup）、金字塔影像（*.tif）、姿态定向参数（*.odf）生成立体模型，经过特征点、线采编及基于影像的自动匹配，最终生成处理后的DEM产品。

2 DEM的制作方法及技术

2.1 DEM多种制作方法及技术

DEM的数据采集方法主要包括3种：地形测量获取、航空摄影测量、利用LiDAR点云分类提取。地形测量获取方法如用GPS、全站仪野外测量采集等，该方法外业强度大、效率低、成本高，且对于生产产品级别的DEM数据而言，明显高程点密度不足，精度质量欠佳。航空摄影测量方法即全数字摄影测量系统获取DEM，能利用核线影像自动匹配生成DEM后再人工编辑，又能在立体环境下通过采集特征点线面后构TIN生成DEM。该方法效率较高，成本投入少，且能够满足产品级DEM的生产精度要求。利用LiDAR点云进行滤波分类提取DEM，其数据精度高、生产效率最快，但需要额外配置专业软件对海量点云数据进行滤波处理。由于三维点云数据在三维建模等领域应用较广，如仅从获取DEM产品角度而言，航摄成本相对较高。

利用全数字摄影测量方式进行DEM制作又可以分为基于TIN直接内插DEM和物方相关原理生成DEM两种。TIN的创建，主要依据于基础数据的采集，即由矢量数据转换成的特征点、线，按照物方DEM间隔规定内插规则正方形格网DEM，得到DEM数据。利用物方相关原理生成DEM需进行影像相关处理，进行影像匹配后MapMatrix系统自动生成DTM，但对于大比例尺（特别平坦地区），由于匹配点大量在树木和建筑物上，由此自动生成的像方DEM效果很差，往往需要进行大量人工干预，在生成像方DEM后逐块编辑，最终生成基于物方的DEM。

2.2 基于MapMatrix的DEM具体制作方法

数据采集是DEM生成的关键问题。数据点太稀会降低DEM的精度；数据点过密，又会增大数据量、处理的工作量和存储量。因而在DEM数据采集之前，需要按照成果的精度要求确定合理的取样密度，并在DEM数据采集过程中根据地形复杂程度动态调整采样点密度。

该市地势平坦，现代化程度高，区域房屋密集，高架及桥梁交通设施发达，如采用影像匹配自动生成DTM，由于房屋、树木，高架众多，自动匹配结果将混乱，因此在此次DEM生产中采用特征点、线，直接创建物方DEM，可大大减少编辑工作量。对于地貌交待清晰、易于表现的区域，可采用线编辑模式，选择缺省线属性对能表达地形变化区域进行立体采集。特征线具有单一立体效果，不遮盖影像，能对地形细腻表示，检查出各种小粗差。对于地貌凌乱、无法清晰表达的区域，可采用点编辑模式。根据CJJ100-2004的規定，城市DEM数据的基本格网尺寸应为5 m×5 m，利用MapMatrix中FeatureOne立体采集模块设置自动采集高程点选项，以水平方向为行，顺序从上至下，以垂直方向为列，顺序从左至右，每隔5 m自动跳转至下个格网，量测高程点。该方法操作简单易行，但工作量较大，一般作为杂乱区域描述较好，步距及断面线上点的间隔都可根据地形的复杂程度而改变。具体要素采集遵循如下原则。

（1）水域：对于静止水面，测量水位高程并按此高程采集水岸线，整个水域范围据此高程构建平三角形，并按此高程对DEM格网赋值。双线河流水岸线的高程应依据上下游水位进行分段内插赋值，DEM高程值应自上而下平缓过渡，并且与周围地形高程之间的关系正确、合理。（2）森林区域：在林区，DEM测量的是树顶表面，在生成DEM格网时应减去平均树高获取地面高程。（3）特殊区域：山頭、凹地或垭口等处应内插高程特征点，狭长而缓坡的沟谷或山脊应内插特征线，避免出现不合理的平三角形；陡岩、斜坡、双线冲沟等地貌应合理反映地形特征。（4）空白区域：空白区域是指数据源出现局部中断等原因无法获取高程的区域，位于空白区域的格网高程值赋予-9999。

2.3 基于MapMatrix的DEM编辑

DEM点应切准地面，等高线真实地反映地貌形态。为提高效率，在MapMatrix中一般采用面编辑的方式，使用系统提供的平滑、内插、拟合、定值及平均高程赋值等算法，逐块编辑；对于道路等线状要素也可以采用线编辑方式进行操作。

2.4 DEM接边

像对间DEM设置10个格网间距的重叠区域用于接边。系统自动对重叠区域内的格网点进行高程较差的统计分析，在2～3倍高程接边误差的点位应控制在4%以内，不得出现3倍以上中误差的点。一旦发现需进行修测，符合限差要求后应进行像对DEM接边，取平均数作为重叠区域内的数据值。

3 DEM的质量控制

DEM质量的最终检查是根据野外高程点的平面坐标。在已建立的DEM中内插出检测点位置的高程，利用航摄像控点库以及外业RTK采集的高程检查散点；在ArcGIS软件中，检查内插等高程点与原始高程点之间的偏离量是否在规定范围内；相邻存储单元的DEM数据应平滑衔接；对于水域需检查静止水域内的DEM格网点高程是否保持一致，流动水域上下游DEM格网点高程是否呈梯度下降；并对高程较差进行统计分析。对较差较大部分需返回到立体模型上进行上机检查，实时观察生成的DEM点位是否切准地面。如果DEM与地面模型的高程差在2倍中误差以上，则需进行重测。

DEM成果精度用格网点的高程中误差Mz表示：

式中，v为高程较差；n为检测点个数。根据城市基础地理信息系统技术规范要求（CJJ100-2004），城市DEM数据的基本格网尺寸为5 m×5 m，采用5 km×5 km分幅存储，精度等级为二级。据此规定，平地、丘陵、山地、高山地格网点高程中误差分别为：0.7 m、1.7 m、3.3 m、6.7 m。高大林木覆盖区、高层建筑阴影遮盖区等困难区域的平面和高程中误差可放宽50%。DEM高程值应取位至0.1 m。

DEM的质量检查还需进行数据文件及数据完备性检查。数据文件检查包括DEM数据文件命名、数据格式、数据分幅、数据格网尺寸是否符合要求；数据完备性检查包括检查DEM数据覆盖范围有无不满幅、数据有无遗漏等问题，相邻存储单元之间数据完整，不得出现漏洞，DEM数据应覆盖整个区域范围，接边范围数据应有一定的重叠。

4 实验数据

该项目利用其他项目单位同源DLG数据外业高程检查散点，对DEM成果高程坐标值进行检核。该次核查初次抽查10幅图，共核查点2 269个，符合精度的点为98.5%。利用公式求得高程坐标中误差，经测算DEM成果精度优于5 m格网城市基础地理信息系统规范要求的平地0.7 m，高大林木覆盖区、高层建筑阴影遮盖区等困难地区最大不超过1 m，丘陵1.7 m的中误差要求。DEM较差及各图幅中误差分布情况如图2所示。

5 结语

该文总结了ADS80数码影像在MapMatrix下进行某市 1∶2 000DEM数据生产流程，探讨DEM快速生成的方法，成果通过精度评定与质量检查，确实可靠，具有良好可行的运用前景。

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