畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于ASTER遙感立體像對(duì)的DEM提取

1、基于aster遙感立體像對(duì)的dem提取 摘要文中通過(guò)實(shí)例研究了aster遙感立體像對(duì)在高山峽谷地區(qū)提取dem的精度。首先簡(jiǎn)述aster的立體像對(duì)提取dem的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用，然后介紹了具有同軌立體測(cè)圖能力的aster傳感器觀測(cè)系統(tǒng)，及其立體影像生成dem 的算法和dem 的編輯方法，展示了aster 立體影像生產(chǎn)dem 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并以試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，其精度可以滿足繪制1100 000 1250 000 比例尺地形圖要求。aster 遙感數(shù)據(jù)可以在地球表面自然過(guò)程與全球變化等多個(gè)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文是通過(guò)使用envi4.7對(duì)aster遙感立體像對(duì)影像進(jìn)行數(shù)據(jù)讀入、輸入控制點(diǎn)、提取連接點(diǎn)

2、、指定參數(shù)、dem編輯等處理后得到dem三維立體圖像。關(guān)鍵字： aster，dem，遙感，立體像對(duì)，envibased on the remote sensing image cube aster to dem extractionabstractin this paper, through the case, study the remote sensing image cube aster in alpine canyon area extraction accuracy of the dem. first, this paper expounds the aster stereo ima

3、ge and abroad for the extraction of the dem situation and application, then introduces observation system in the same rail stereo mapping capability, aster sensor and stereo images and the algorithm generated dem editorial method aster stereo images, showing the production of experimental results an

4、d dem to test results show that the accuracy can satisfy drawing 1:100 000 1:250 000 scale topographic map requirements. aster remote sensing data in the earths surface can be natural process and global change research etc widely.through the use of envi4.7 ,load in, input control points, extracting

5、connection, designated parameters, dem editing ,in order to obtain dem.key word: aster，dem, remote sensing，stereo image，envi目錄摘要（中文） 1摘要（外文） 2第一章 前言41.1 aster遙感立體像對(duì)的dem提取的發(fā)展介紹41.2 aster遙感立體像對(duì)的dem提取的在現(xiàn)代的應(yīng)用51.3 論文研究的內(nèi)容及意義 7第二章 基于aster遙感立體像對(duì)的dem提取的原理和方法 72.1 aster遙感立體像對(duì)的dem提取的原理 72.2 aster遙感立體像對(duì)的dem提取方

6、法及過(guò)程8第三章aster遙感立體像對(duì)數(shù)據(jù)的dem提取的處理93.1 對(duì)aster遙感立體像對(duì)數(shù)據(jù)的基本處理原理及方法93.1.1 連接點(diǎn)的提取103.1.2 核線影像的生成103.1.3 dem 的生成103.1.4對(duì)生成dem的處理113.3 aster遙感立體像對(duì)生成dem的流程123.3.1 輸入立體影像對(duì)123.3.2 定義地面控制點(diǎn)123.3.3 定義聯(lián)接點(diǎn)133.3.4 指定參數(shù)153.3.5生成dem和三維立體圖 17第四章實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 18參考文獻(xiàn)20致謝22第一章 前言1.1aster遙感立體像對(duì)的dem提取的發(fā)展介紹數(shù)字地面高程模型(digital elevation

7、models ,簡(jiǎn)稱(chēng)dem)是地表形態(tài)的數(shù)字形式,它由規(guī)則水平間隔處地面點(diǎn)的抽樣高程矩陣組成,在生產(chǎn)中具有很高的利用價(jià)值。dem 數(shù)據(jù)具有廣泛的應(yīng)用潛力。作為國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(ns2di) 的框架數(shù)據(jù)之一,dem 生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟,如等高線地形圖生產(chǎn)dem 技術(shù)、利用航攝像對(duì)生產(chǎn)dem 的數(shù)字化攝影測(cè)量方法等?，F(xiàn)在,隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,利用遙感影像對(duì)提取dem 數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能,如利用spot數(shù)據(jù)生產(chǎn)的dem 精度可達(dá)到10m 以?xún)?nèi)，而利用星載in2sar 生成dem 的高程精度可達(dá)到米級(jí),并且平坦地區(qū)的精度優(yōu)于山區(qū)的精度。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取dem 的技術(shù)已經(jīng)成為遙感現(xiàn)今發(fā)展的一個(gè)研

8、究課題。aster(advanced space borne thermal emission and re2flection radiometer ,高級(jí)星載熱輻射反射輻射計(jì)) 是美國(guó)航空航天局(nasa) 與日本國(guó)際經(jīng)貿(mào)商業(yè)部(meti) 合作發(fā)布的高分辨率衛(wèi)星成像設(shè)備,于1999 年12 月搭載nasa 的eos-am1 ( terra) 平臺(tái)升空。其目標(biāo)是獲取地球表面溫度、輻射、反射和高程數(shù)據(jù),研究生物圈、水圈、巖石圈和大氣層之間的互動(dòng)反應(yīng),解決土地利用與覆蓋、自然災(zāi)害(火山噴發(fā)、水災(zāi)、森林火災(zāi)、地震和風(fēng)暴) 、短期天氣變動(dòng)、水文等方面的問(wèn)題。aster 在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)(vnir)

9、 有三個(gè)波段,在短波紅外區(qū)(swir) 有六個(gè)波段,在熱紅外區(qū)( tir) 有五個(gè)波段,它們的地面分辨率分別是15m、30m、90m。aster 觀測(cè)系統(tǒng)的vnir 子系統(tǒng)在可見(jiàn)光與近紅外區(qū)有三個(gè)波段, 空間分辨率為15 m。第三波段有兩個(gè)通道3n，3b，其中3b 具有后視(27.6)的能力，可以同軌立體觀測(cè), 其沿徑向的基高比b/h 為0.6，每景大小為60 km 60 km。兩個(gè)成像儀可以對(duì)相同地物以合理的視差和航向重疊近同步（大約相差55 s）成像。對(duì)于這兩幅影像，儀器與地物之間有相同的氣象條件，同時(shí)地面的光照和輻射條件也是幾乎相同的，這就極大地提高了影像匹配的成功率。terra 衛(wèi)星的

10、周期是16 d，vnir 還具有側(cè)視( 24)能力, 這樣最快5 d。aster傳感器發(fā)射的目的在測(cè)圖領(lǐng)域就是獲取南緯82和北緯82 之間全球80%區(qū)域的云層覆蓋率小于20%的影像，生產(chǎn)dem。與其他遙感衛(wèi)星傳感器相比, aster有其獨(dú)特之處在于：較高空間分辨率和立體觀測(cè)能力。vnir的子系統(tǒng)有一個(gè)后視波段(即第三波段,波長(zhǎng)范圍0. 78m0. 86m) ,沿軌跡方向(along track) 進(jìn)行立體觀測(cè),即沿飛行軌道前后掃描立體成像,這樣大大提高了立體像對(duì)的接收成功率,也保證了像對(duì)間的相關(guān)性和相似性。由此產(chǎn)生的立體像對(duì)是提取dem 的基礎(chǔ),它對(duì)于地形解譯具有重要的意義。利用遙感數(shù)據(jù)提取d

11、em 的精度依賴(lài)于基高比率(base to height ratio ,bh) 、空間分辨率和視差測(cè)量的誤差。vnir基高比率是0. 6 ,天底交角為27. 6。如果假定0. 51. 0 像素作為總的視差誤差,則aster 的dem 高度精度應(yīng)該在550m ,從aster 立體數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的地圖比例尺將在150 0001250 000 之間。由于aster 圖像數(shù)據(jù)本身不像spot 等衛(wèi)星數(shù)據(jù)帶有飛行參數(shù)，其內(nèi)部、外部定位要通過(guò)精確的、數(shù)量足夠的和平均分布的地面控制點(diǎn)來(lái)確定。所以,控制點(diǎn)的精度、分布和數(shù)量是決定提取dem 數(shù)據(jù)的質(zhì)量的關(guān)鍵。aster 是極地軌道環(huán)境遙感衛(wèi)星terra ( eos

12、- am1) 上載有的5 種對(duì)地觀測(cè)儀器之一,它提供了可見(jiàn)光近紅外(vnir) 、短波紅外(swir) 和熱紅外( tir) 3 個(gè)通道的遙感數(shù)據(jù)。目前,盡管aster數(shù)據(jù)可以通過(guò)網(wǎng)上免費(fèi)預(yù)訂和下載,但讀取和分析這些數(shù)據(jù),仍然需要依賴(lài)于專(zhuān)業(yè)遙感圖像處理軟件,而購(gòu)買(mǎi)這類(lèi)軟件，一方面需要大量資金,另一方面,利用這些商業(yè)軟件進(jìn)行遙感參數(shù)反演,也存在諸多不便之處, 如eosview 是唯一個(gè)專(zhuān)門(mén)查看aster 數(shù)據(jù)格式(hdf - eos) 的專(zhuān)業(yè)軟件，但它不能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而其它專(zhuān)業(yè)軟件(如envi) 雖然可以查看hdf - eos 格式的遙感數(shù)據(jù)，但遙感反演與處理功能有待進(jìn)一步完善。因此，利用軟件

13、編程實(shí)現(xiàn)aster 數(shù)據(jù)讀取，是aster 數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提，也是開(kāi)發(fā)具有國(guó)產(chǎn)自主版權(quán)的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。為此， 我們課題組對(duì)aster 數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了全面分析與解讀， 并對(duì)aster 數(shù)據(jù)讀取關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論與研究，實(shí)現(xiàn)了aster 數(shù)據(jù)的讀取及其在定量遙感中的應(yīng)用。衛(wèi)星遙感立體像對(duì)提取dem是地貌信息獲取的一個(gè)重要里程碑，aster衛(wèi)星傳感器是可以拍攝立體像對(duì)傳感器中的代表，具有數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定、覆蓋廣泛、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。本文通過(guò)實(shí)例研究了aster立體像對(duì)在高山峽谷地區(qū)提取dem的精度。首先簡(jiǎn)述aster的立體像對(duì)提取dem的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，然后針對(duì)一處高程變化顯著地區(qū)

14、在1：10萬(wàn)比例尺地形圖采集地面控制點(diǎn)（gcp），用1：5萬(wàn)精度的dem作檢驗(yàn)，獲得gcp范圍內(nèi)高程誤差為20.4m，gcp范圍外高程誤差為48.2m，平均誤差是34.3m。這證明可以在小區(qū)域內(nèi)選取gcp控制點(diǎn)，由aster立體像大范圍外推生成大范圍dem，而且采用常規(guī)的技術(shù)手段和普通的商業(yè)軟件就可實(shí)現(xiàn)。該方法提取dem對(duì)于我國(guó)地形資料缺乏的西部地區(qū)有很強(qiáng)的實(shí)用性。1.2 aster遙感立體像對(duì)的dem提取的在現(xiàn)代的應(yīng)用aster 數(shù)據(jù)已在多個(gè)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。下面結(jié)合tm 數(shù)據(jù)，給出aster 數(shù)據(jù)在幾個(gè)主要研究領(lǐng)域的應(yīng)用。1) 遙感關(guān)鍵參數(shù)反演。與tm 數(shù)據(jù)相比，aster 數(shù)據(jù)在熱紅

15、外有更多的波段，波譜分辨率更高，利用aster 數(shù)據(jù)這一特點(diǎn)，可以計(jì)算全球與區(qū)域尺度上的土壤水分蒸騰與蒸發(fā)量和植被蒸騰與蒸發(fā)量，將aster 數(shù)據(jù)與地面風(fēng)速、空氣溫度和空氣濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，把“地- 氣”作為一個(gè)整體，對(duì)低層大氣溫度、濕度垂直廓線和陸面溫度、比輻射率進(jìn)行參數(shù)同步反演，計(jì)算“地- 氣”的水汽通量與熱通量，這對(duì)于評(píng)價(jià)植被受旱狀況，進(jìn)行作物估產(chǎn)，以及推進(jìn)全球水分平衡和碳循環(huán)研究具有重要意義。2) 建立全球地面高程模型。tm 數(shù)據(jù)只提供底視圖像，而aster 數(shù)據(jù)在可見(jiàn)光波段既提供了底視圖像，也提供了后視圖像。利用同一區(qū)域同一時(shí)間獲取的底視和后視圖像，可以在基于包含偽gcp(地面控制

16、點(diǎn)) 條件下，生成一個(gè)粗略的地面高程模型。由于該模型采用偽gcp ，它們僅僅具有地面x 、y 值， 而沒(méi)有絕對(duì)高程信息， 因此， 生成的是相對(duì)dem。為了獲取該地區(qū)絕對(duì)地面高程，可以結(jié)合偽gcp ，使用世界usgs gtopo30 1km dem ，估計(jì)它們的絕對(duì)高程值。由于精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量等原因，其結(jié)果仍然存在高程誤差，但這比采用相對(duì)高程值要準(zhǔn)確和方便。3) 土地覆蓋調(diào)查與監(jiān)測(cè)。和tm 數(shù)據(jù)相比，aster 數(shù)據(jù)在可見(jiàn)光和近紅外波段有更高的空間分辨率，利用可見(jiàn)光和近紅外波段的aster 數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行區(qū)域性或全球范圍的土地覆蓋調(diào)查，對(duì)不同土地類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)與評(píng)估，利用aster 圖像數(shù)據(jù)編制土地

17、類(lèi)型、森林分布、草地等級(jí)圖等，并利用同一區(qū)域不同時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)了解與監(jiān)測(cè)土地覆蓋變化，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù)。4) 冰川覆蓋調(diào)查與變化監(jiān)測(cè)。冰川主要分布在南極、北極及高海拔的山地，這些地域環(huán)境惡劣，交通不便，利用aster 數(shù)據(jù)具有幾乎覆蓋全球的高分辨率圖像進(jìn)行冰川研究，快捷方便。若把衛(wèi)星定位和衛(wèi)星遙感技術(shù)相結(jié)合，對(duì)比不同時(shí)期冰川的衛(wèi)星影像，可以從宏觀上進(jìn)一步了解現(xiàn)代冰川的近期變化，認(rèn)識(shí)冰川變化與海平面升降關(guān)系，繪制冰川分布圖。目前，國(guó)際上一個(gè)研究組織正在開(kāi)展一項(xiàng)利用aster 數(shù)據(jù)進(jìn)行全球陸地冰川變化監(jiān)測(cè)的研究。5) 火山監(jiān)測(cè)與評(píng)估。在過(guò)去400 多年里，幾乎每年都有火山噴發(fā)，因此，利用

18、aster 提供的熱紅外圖像預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)火山，具有重要意義。例如，利用aster 熱紅外圖像，可以對(duì)火山口及其周?chē)鸁岙惓，F(xiàn)象進(jìn)行研究，如觀測(cè)火山附近的溫泉、熱氣口及火山口湖的溫度在噴發(fā)前的變化; 在火山噴發(fā)時(shí)， 通過(guò)aster 圖像可以發(fā)現(xiàn)火山灰和熔巖流的分布區(qū)域，并繪制熔巖流分布圖。此外，也可以利用aster 熱紅外圖像進(jìn)行熱紅外輻射場(chǎng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解地震前出現(xiàn)的熱異常現(xiàn)象。在強(qiáng)震的孕育和發(fā)生過(guò)程中，沿地震構(gòu)造區(qū)帶產(chǎn)生熱輻射是巖石物理實(shí)驗(yàn)和地震現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查都證實(shí)了的重要物理前兆現(xiàn)象，近年來(lái)，中國(guó)地震局衛(wèi)星遙感熱紅外地震前兆異常監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的部分實(shí)驗(yàn)表明，許多中強(qiáng)地震發(fā)生前，震中區(qū)附近會(huì)出現(xiàn)短期(13月

19、) 的熱紅外遙感長(zhǎng)波輻射場(chǎng)變異，如1997 年發(fā)生在青藏高原北部的瑪尼7. 5 級(jí)地震、1998 年河北張北的6. 2 級(jí)地震等，均出現(xiàn)了空間上可識(shí)別的衛(wèi)星熱紅外區(qū)域增溫現(xiàn)象。上述情況表明， aster熱紅外遙感圖像可作為地震預(yù)報(bào)的重要參考依據(jù)。1.3論文研究的內(nèi)容及意義 此次論文主要內(nèi)容是使用envi軟件對(duì)aster衛(wèi)星遙感立體影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 提取dem是地貌信息利用雷達(dá)信號(hào)的相位信息提取地球表面的高精度三維信息，主要應(yīng)用于測(cè)量地面點(diǎn)的高程及其動(dòng)態(tài)變化，經(jīng)過(guò)對(duì)aster衛(wèi)星遙感立體影像進(jìn)行干高精度配準(zhǔn)、去平地效應(yīng)、相位噪聲濾除、相位解纏的處理過(guò)生成dem三維立體圖。 aster星載衛(wèi)星數(shù)

20、據(jù)中心可以生成全球的dem，這似乎解決了所有dem信息獲取上的問(wèn)題，但在dem的應(yīng)用上仍存在著很大的問(wèn)題： 1）aster的幅寬只有60km和有計(jì)劃的全球信息獲取任務(wù)只是拍攝總量的8，這制約了東西向流域完整的無(wú)云覆蓋的影像（dem）的獲??；2）生產(chǎn)dem數(shù)量有限，產(chǎn)量每天動(dòng)態(tài)變化，一般僅是拍攝影像的數(shù)量的10； 3）生成的dem產(chǎn)品精度有一定損失，aster的影像分辨率為15m，而dem標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品只有30m。 4）只能整景處理，對(duì)地面控制的點(diǎn)數(shù)量和分布要求高。 5）aster已經(jīng)超過(guò)了七年的設(shè)計(jì)壽命，有隨時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的可能。可供替代的立體像對(duì)商業(yè)衛(wèi)星遙感平臺(tái)還有spot、iknonos、quick

21、bird和cartosat等。 所以如果掌握了立體像對(duì)獲取dem技術(shù)可以，可以不變應(yīng)百變，方便、靈活、及時(shí)的獲取dem。 此次論文主要是對(duì)光學(xué)雷達(dá)圖像aster數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到三維地理高程信息，生成三維立體dem圖像，通過(guò)對(duì)aster星載衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理可以生成全球的dem，可以得到三維立體模型圖，可用于獲取高精度的地形高程數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)地殼形變等等。本文的主要內(nèi)容就是基于aster遙感立體像對(duì)提取dem，重點(diǎn)探討提取dem的原理、方法，并評(píng)定dem的提取精度。第二章 基于aster遙感立體像對(duì)的dem提取的原理和方法 2.1 aster遙感立體像對(duì)的dem提取的原理從不同方位對(duì)同一地區(qū)攝取

22、兩幅影像構(gòu)成為立體影像對(duì)，其實(shí)質(zhì)是傳感器模擬人的雙眼，構(gòu)成人體立體視覺(jué)，即將像對(duì)上的視差反應(yīng)為人眼的生理視差后得到的立體視覺(jué)，一般立體像對(duì)的重疊度至少在60%以上。構(gòu)建人造立體視覺(jué)需具備三個(gè)條件：1）由兩個(gè)不同位置（一條基線的兩端）拍攝同一景物的兩張相片稱(chēng)為立體像對(duì)；2）兩只眼睛分別觀察像對(duì)中的一張像片；3）觀察時(shí)像對(duì)上同名像點(diǎn)的連線要同人的眼睛基線大致平行，而且同名點(diǎn)間的距離一般小于眼基線。立體像對(duì)獲取dem的原理簡(jiǎn)易闡述為：在天空兩點(diǎn)（相當(dāng)于人的兩只眼睛）拍攝地面同一點(diǎn)時(shí)形成一個(gè)角，當(dāng)天空兩點(diǎn)的空間位置確定后，該角度越大地物點(diǎn)越高；反之，角度越小地物點(diǎn)越低。以此類(lèi)推，將地面所有的高程解算后

23、就得到了數(shù)字地面模型，如下圖：s1、s2為兩個(gè)攝影基站，相當(dāng)于人的兩只眼睛，a、b、c分別為三個(gè)物點(diǎn)，a1、b1、c1和a2、b2、c2分別為三個(gè)物點(diǎn)a、b、c經(jīng)s1、s2后形成的像點(diǎn)。2.2 aster遙感立體像對(duì)的dem提取方法及過(guò)程立體像對(duì)獲取dem的原理簡(jiǎn)易闡述是：在天空兩點(diǎn)(p1和p2)拍攝地面同一點(diǎn)a時(shí)形成p1ap2夾角，當(dāng)p1和p2空間位置確定后，該角度越大地物點(diǎn)越高，反之，角度越小地物越低。將地面所有點(diǎn)的高程解算后就得到了數(shù)字地面模型。像對(duì)dem獲取方法有主要兩種：一種是通過(guò)gcp和影像上對(duì)應(yīng)的像素來(lái)計(jì)算衛(wèi)星的外方位元素(衛(wèi)星姿態(tài))，通過(guò)像對(duì)間的匹配點(diǎn)(tp，tie point

24、)配準(zhǔn)影像，然后進(jìn)行后方交匯計(jì)算每個(gè)地面點(diǎn)的高程；另一種是外方位元素的從衛(wèi)星的星歷中解算，其它步驟同l，此方法要求具有精確的衛(wèi)星星歷，而且生成的dem為相對(duì)高程。本文中采用第一種方法。gcp可以通過(guò)三種途經(jīng)獲?。翰捎胓ps、全站僅等地面測(cè)繪儀器獲取；在部分地形圖上采集控制點(diǎn)；在影像上采集x、y平面坐標(biāo)，在與影像坐標(biāo)匹配精度較高的dem上采集相應(yīng)坐標(biāo)的高程z值。第3種方式方便快捷，本文從l：10萬(wàn)的地形上獲取gcp的三維坐標(biāo)。本文數(shù)據(jù)處理采用了一種基于envi的全自動(dòng)aster dem提取軟件，其無(wú)需用戶(hù)指定任何參數(shù)即可自動(dòng)運(yùn)行aster立體像對(duì)的dem提取。以使用aster立體像對(duì)進(jìn)行dem提

25、取。首先從aster hdf文件中提取垂視(3n)和后視(3b)圖像，然后定義輸出dem的投影方式和分辨率、控制點(diǎn)的投影方式。從后視圖像明顯比垂視圖像存在拉伸畸變效應(yīng)。立體像對(duì)的影像必須配準(zhǔn)到相同的地面區(qū)域，這一步是通過(guò)在兩幅圖像中選擇同名點(diǎn)的tp點(diǎn)(僅包含在圖像中的相對(duì)行列值)，tp的選取要求在整個(gè)工作區(qū)中均勻分布。因?yàn)楹笠晥D像成像時(shí)與垂直成像存在很大的畸變，所以點(diǎn)位的選取尤其在圖像的水平方向即與衛(wèi)星飛行路徑垂直的方向要求密集和均勻一些，這樣可以盡可能地糾正圖像的畸變。根據(jù)研究區(qū)域復(fù)雜程度和所取子區(qū)的大小不同，約束點(diǎn)的數(shù)量要求也不同，但是為了后續(xù)的多項(xiàng)式擬合需要，一般最少需要9個(gè)點(diǎn)。為了使得

26、到的dem具有地理參考信息，還要在圖像中選取已知大地坐標(biāo)和高程信息的gcp來(lái)對(duì)衛(wèi)星的外方位元素進(jìn)行結(jié)算，及dem進(jìn)行地學(xué)校正，一般要求至少選擇4個(gè)點(diǎn)。將影像中部偏左地區(qū)的1：10萬(wàn)地形圖作為gcp的數(shù)據(jù)源，共獲取了15個(gè)gcp，此外根據(jù)相對(duì)地物明顯程度匹配了25個(gè)tp。當(dāng)圖像配準(zhǔn)至相同的地面區(qū)域以后，任何沿軌道方向的位置差異就認(rèn)為是由于視差引起的，而視差來(lái)源于地形起伏。這樣，每個(gè)像元的視差可以通過(guò)使用三角關(guān)系和衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)(星歷、軌道位置、高度和姿態(tài)等)轉(zhuǎn)換為相對(duì)的(無(wú)gcp)或絕對(duì)(有g(shù)cp)高程信息。用aster數(shù)據(jù)提取dem流程圖像準(zhǔn)備(導(dǎo)入hdf格式)后視(3b)垂視(3n)投影定義(

27、圖像與控制點(diǎn))約束點(diǎn)、控制點(diǎn)選取擬合、空間關(guān)系解算dem提取第三章 aster遙感立體像對(duì)數(shù)據(jù)的dem提取的處理3.1 aster遙感立體像對(duì)數(shù)據(jù)的基本處理立體像對(duì)生成dem 的主要包括連接點(diǎn)的提取，控制點(diǎn)的輸入，核線影像的生成和dem 的生成。3.1.1 連接點(diǎn)的提取要生成dem 首先要選擇立體像對(duì)上的一些連接點(diǎn)。連接點(diǎn)也是同名點(diǎn)，它是用來(lái)建立兩張像片之間關(guān)系的。連接點(diǎn)的提取一般先自動(dòng)提取，再手工交互編輯。連接點(diǎn)的自動(dòng)提取采用基于灰度的影像相關(guān)的辦法。本文采用的是相關(guān)系數(shù)法。在3n 影像上取一個(gè)的邊長(zhǎng)為奇數(shù)的窗口，取一個(gè)同樣大小的窗口作模板在3b 影像上以一定的步長(zhǎng)移動(dòng)窗口，求取兩個(gè)窗口的相

28、關(guān)系數(shù)，取相關(guān)系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的窗口的中心像素為3n 影像上窗口中心像素的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，以一定的步長(zhǎng)在3n 影像上移動(dòng)窗口求取各中心點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，以相關(guān)系數(shù)最大的前若干個(gè)點(diǎn)作為對(duì)應(yīng)的同名點(diǎn)。同名點(diǎn)的數(shù)目不能少于9 個(gè)，25 個(gè)以上最好。因?yàn)椴恍枰页雒恳粋€(gè)像素的同名點(diǎn)，窗口可以取得大一些，移動(dòng)的步長(zhǎng)也可以是若干個(gè)像素。自動(dòng)提取以后再進(jìn)行人工編輯，剔出錯(cuò)誤的連接點(diǎn)，如果點(diǎn)數(shù)太少，人工的選取一些連接點(diǎn)，保證連接點(diǎn)分布均勻。提取完連接點(diǎn)，再讀入控制點(diǎn)3.1.2 核線影像的生成如果直接用影像相關(guān)的算法，求出各個(gè)像素的同名點(diǎn)，再計(jì)算視差，計(jì)算量非常大，一般是先生成核線影像，把二維的相關(guān)問(wèn)題變成一維的相關(guān)問(wèn)題。核線

29、在像片上是互不平行的，他們交于核點(diǎn)，如果將像片上的核線投影到一對(duì)相對(duì)水平的像片-平行于基線的像片對(duì)，則核線互相平行。根據(jù)這一原理，在水平像片上建立規(guī)則格網(wǎng)，它的行就是核線。把前面提取的同名點(diǎn)和輸入的控制點(diǎn)代入共線投影方程式： 求出相關(guān)參數(shù)，式中(xt， yt， zt) 為物方，(x， y) 為像方坐標(biāo)，對(duì)于水平相片yt 為常數(shù)，利用求出的參數(shù)將3n，3b 影像轉(zhuǎn)換成核線影像，轉(zhuǎn)換后像素灰度值采用雙線性?xún)?nèi)插的辦法重采樣。3.1.3 dem 的生成對(duì)于生成的核線影像，它已經(jīng)不存在上下視差，只有左右視差，利用圖像相關(guān)算法對(duì)3n 和3b 影像進(jìn)行匹配，這時(shí)尋找同名點(diǎn)就是一維相關(guān)。根據(jù)所對(duì)應(yīng)地區(qū)的最大高

30、程值，計(jì)算一個(gè)最大視差，在3b 影像上的搜索范圍是3n 影像上像素坐標(biāo)加減這個(gè)視差值，這樣可以縮小搜索范圍，減小了計(jì)算量。找到兩張像片的重疊區(qū)域的同名點(diǎn)后就可以利用輸入的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行整體平差，解求出地面點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)各點(diǎn)高程的不同賦予相應(yīng)的灰度值，就生成dem 的圖像。3.1.4對(duì)生成dem的處理在dem 提取過(guò)程中，一些像素的匹配可能會(huì)失?。ㄓ捎诖罅康年幱?，對(duì)比度較低等原因），圖像由于傳感器自身或外界一些因素的影響會(huì)帶有許多噪聲，圖像不清晰，這時(shí)就要對(duì)生成的dem 進(jìn)行編輯。dem的編輯包括dem 的內(nèi)插，dem 的濾波，dem 的平滑。1）dem 的內(nèi)插。對(duì)于初步生成的dem，圖像本身因

31、為云的遮擋，或是地面的對(duì)比度較低，陰影等因素，一些像素的匹配不正確，像素的值不正常，對(duì)于這些不正常區(qū)域采用分塊雙三次多項(xiàng)式（2 式）內(nèi)插的辦法，選擇不正常的區(qū)域，對(duì)不正常的像素插值，重復(fù)幾次，直到滿意為止。上式有16 個(gè)未知參數(shù)，除了已知四個(gè)格網(wǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)外，還必須知道每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)沿方向的斜率，和該點(diǎn)曲面扭曲。內(nèi)插只能解決小區(qū)域的異常，對(duì)于云層遮擋較大的區(qū)域內(nèi)插不一定符合實(shí)際的地形，一般將這部分?jǐn)?shù)據(jù)裁剪，再利用另一個(gè)時(shí)段生成的dem 進(jìn)行拼接。2）噪聲的濾波。在aster影像生成的dem中噪聲主要包括兩類(lèi)：斑點(diǎn)噪聲和隨機(jī)噪聲。對(duì)于這兩類(lèi)不同的噪聲，如果分別用不同的方法進(jìn)行兩次濾波，容易造成信息的損失

32、，本文采用改進(jìn)的中值濾波算法去噪。這種算法就是先進(jìn)行噪聲的判斷，再進(jìn)行噪聲的去除。具體的算法就是選取或的窗口作模板，在dem 圖像上移動(dòng)模板，求取窗口中像素值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如果窗口中心的像素值與平均值的差值的絕對(duì)值超過(guò)2倍的標(biāo)準(zhǔn)差，就認(rèn)為這是噪聲，就用窗口中像素的中值代替窗口中心的像素值，不斷移動(dòng)窗口，完成對(duì)整個(gè)dem的濾波。這種方法可以有效地消除兩種噪聲。3）dem 的平滑。經(jīng)過(guò)內(nèi)插和去噪的dem 還會(huì)有一些噪聲，有的地方仍存在不正常的點(diǎn)，但是地面的起伏一般是連續(xù)的，這時(shí)就需要對(duì)dem 進(jìn)行平滑。平滑采用的窗口為模板，在dem 圖像上移動(dòng)，以平均值代替中心像素值，不斷移動(dòng)窗口，完成對(duì)整個(gè)

33、dem 的平滑。3.2 aster遙感立體像對(duì)生成dem的流程這次使用envi4.7軟件對(duì)aster遙感立體像對(duì)數(shù)據(jù)生成dem的流程，其過(guò)程如下：3.2.1輸入立體影像對(duì)從envi的主菜單欄，選擇file open external file eos aster然后從envi的主菜單欄，選擇topographic dem extraction dem extraction wizard new.選擇立體影像對(duì)： 3.2.2定義地面控制點(diǎn) 第二步的步驟，為你提供選項(xiàng)，以定義或使用現(xiàn)有的gcps。當(dāng)定義gcps，你可以選擇任何下列選項(xiàng): 3.2.3定義聯(lián)接點(diǎn) 立體影像之間的關(guān)系必須定義通過(guò)選擇或產(chǎn)

34、生節(jié)點(diǎn)。這節(jié)點(diǎn)是用于定義的點(diǎn)，創(chuàng)造極線幾何的圖像，并經(jīng)常使用dem提取。當(dāng)定義聯(lián)接點(diǎn)，可以選擇任何下列選項(xiàng):點(diǎn)擊下一步生成的垂視(3n)和后視(3b)圖像： 3.2.4指定參數(shù):1)投影dem的參數(shù)指定輸出:2) dem提取參數(shù)指定:3.2.5生成dem和三維立體圖 1）生成dem2)立體三維dem效果圖：第四章 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 不同的地形地區(qū)，采用不同的控制點(diǎn)數(shù)量，使用多種的立體像對(duì)，考慮不同處理方法和軟件的差異，來(lái)進(jìn)行dem提取和的精度評(píng)定的研究。如aster數(shù)據(jù)在的平坦農(nóng)業(yè)區(qū)和地表裸露地區(qū)垂直精度10m，丘陵地帶為1520m23， 山區(qū)的精度2030m之間2，4， 有森林覆蓋的坡地可以達(dá)

35、到3050m2。在理想條件下spot5立體像對(duì)生成的dem精度可以達(dá)到平面1516m，高程67m5。地面控制點(diǎn)（gcp，ground control point）在立體像對(duì)提取dem的過(guò)程中起到關(guān)鍵的作用，對(duì)于eos衛(wèi)星aster立體像對(duì)的直接對(duì)地定位模型，利用國(guó)內(nèi)外3個(gè)地區(qū)的立體像對(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)控制對(duì)地絕對(duì)定位的結(jié)果具有明顯的系統(tǒng)誤差。只需加入一個(gè)控制點(diǎn)，則平面和高程精度迅速提高到1om以?xún)?nèi)。采用一個(gè)控制點(diǎn)外推580km時(shí)，平面定位精度仍?xún)?yōu)于2om，高程定位精度約10m，增加控制點(diǎn)的數(shù)量對(duì)改善定位精度的效果并不明顯?？傮w上三維控制點(diǎn)一般從幾個(gè)到幾十個(gè)不等，控制點(diǎn)越多生成的dem精度

36、越高，但一般不應(yīng)少于5個(gè)。由上面生成的dem圖（3.2.5）可見(jiàn)其質(zhì)量與gcp分布的具有很強(qiáng)的相關(guān)性，gcp所在范同及其附近的地區(qū)生成的dem完整光滑，距gcp越遠(yuǎn)dem質(zhì)量越差，并且出現(xiàn)無(wú)值的“孔洞”，同時(shí)受高差變化的影響，高差變化顯著的東北地區(qū)未能生成有效高程的面積較大，而距gcp區(qū)距離相同的東南部地區(qū)，地形平坦生成的dem質(zhì)量較高。這是因?yàn)榫鄃cp遠(yuǎn)，兩幅影像不能精確配準(zhǔn)，高差大后視成像存在著較大的疊掩和陰影效應(yīng)。在生成的有效dem地區(qū)，隨機(jī)選取20個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)，其中10個(gè)在gcp范圍內(nèi)，10個(gè)均勻分布在gcp范圍外。采用1：5萬(wàn)比例尺地形圖生成的dem相應(yīng)點(diǎn)作參考。在gcp范圍內(nèi)高程誤差為

37、204 m，gcp范圍外高程誤差為482 m，平均誤差是343 m，超過(guò)4000 m以上4個(gè)點(diǎn)的誤差達(dá)到69 m。這從定量上也說(shuō)明，在一定的gcp數(shù)量下，gcp的分布和研究區(qū)的地形是影響的dem質(zhì)量的主要因素。為進(jìn)一步比較，在dem的線段位置沿水平方向做地形剖面與相應(yīng)位置1：5萬(wàn)dem的剖面進(jìn)行比較。兩種地形剖面的總體形態(tài)非常一致，但地形圖dem過(guò)渡更平滑，asterdem地面細(xì)節(jié)信息更豐富而且明顯，如，江河谷所在位置，地形圖dem剖面上是平底“u”型，而asterdem是尖底的“v”型。這岡為地形圖dem是通過(guò)等高線生成而來(lái)，受等高線高程間距的限制，因此過(guò)渡平滑，細(xì)小且變化劇烈的地貌信息不能

38、充分表達(dá)，而aster立體相對(duì)以15 m的平面分辨率來(lái)構(gòu)建dem，自然能更充分細(xì)致的描述地貌的變化。另外，增加tp的數(shù)量可以在有限范圍內(nèi)改善dem的質(zhì)量，但改善效果并不明顯。本文選取某一山地的aster l1a數(shù)據(jù)進(jìn)行dem的測(cè)圖試驗(yàn)。試驗(yàn)中，利用3n和3b 波段的數(shù)據(jù)構(gòu)成的立體像對(duì)生成dem，以生成的dem 糾正aster 1，3n，2 波段構(gòu)成的假彩色影像得到正射影像。精度的檢驗(yàn)采用檢查點(diǎn)的辦法，以一部分已知坐標(biāo)的點(diǎn)為檢查點(diǎn)，與所得dem 對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)。對(duì)于相對(duì)dem 坐標(biāo)中誤差為10 30m，對(duì)于絕對(duì)dem，當(dāng)控制點(diǎn)精度在15 30 m 時(shí)，坐標(biāo)的中誤差為7 50m，絕對(duì)dem

39、的坐標(biāo)中誤差取決于地面控制點(diǎn)的質(zhì)量，兩種dem 的坐標(biāo)中誤差同時(shí)又取決于連接點(diǎn)的提取精度和影像自動(dòng)相關(guān)的結(jié)果。通過(guò)研究證實(shí)aster傳感器的數(shù)據(jù)在地面控制點(diǎn)分布均勻，精度較高的情況下可以較高精度的成圖，它可以用于全球無(wú)圖區(qū)的測(cè)圖，也可以用于一些低分辨率傳感器數(shù)據(jù)（如modis 數(shù)據(jù)）的正射糾正。與異軌立體成像的傳感器相比，aster 是同軌立體成像，受地面變化，云的遮擋等因素的影響較小?；趀nvi軟件，利用aster立體像對(duì)提取dem，并對(duì)其進(jìn)行精度評(píng)價(jià)和誤差來(lái)源分析.結(jié)果表明，利用envi軟件提取aster-dem方法可行，提取的dem效果較好，高程精度高.利用生成的dem來(lái)對(duì)影像進(jìn)行正射糾正，方法簡(jiǎn)單、可靠、易行，較好的糾正了地形對(duì)影像的影響。參考文獻(xiàn) 1 沈強(qiáng)，鄂棟臣.aster衛(wèi)星影像自動(dòng)生成南極格羅夫山地區(qū)相對(duì)dem，測(cè)繪信息與工程，2005年3月.2 楊貴軍，柳欽火.高分辨率星載遙感立體像對(duì)3d測(cè)量模型，地理與地理信息科學(xué)-2006年6月.3 hiran