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 王貴林 楊艷明 劉玉柱 劉海義(大雁礦業(yè)集團(tuán) 內(nèi)蒙古牙克石 022150) 姚 鑫（中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 北京9825信箱 100029 ) 【摘要】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)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

2、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。 【關(guān)鍵詞】ASTER；立體像對(duì)；DEM；地面控制點(diǎn) 1 引 言 截至到20世紀(jì)末，全球仍有20地形起伏在200m以上的地區(qū)沒(méi)有1：5萬(wàn)或更高精度的地形圖。有超過(guò)1/3的可居住區(qū)不具備90m水平分辨率和30m垂直分辨率或更高精度的DEM。其中許多是位于熱帶亞、熱帶和地震、火山活動(dòng)強(qiáng)烈的板

3、塊邊緣。1999年9月搭載有ASTER傳感器的Terra衛(wèi)星發(fā)射和隨后的2000年2月SRTM（Shuttle Radar Topography Mapping Mission）計(jì)劃的成功執(zhí)行，是遙感地貌信息獲取的一個(gè)重要里程碑，它們可以生成覆蓋全球陸地的中等分辨率的DEM（30m），這將非常有利于全球的地學(xué)研究工作的開(kāi)展1。 2 遙感DEM的精度 2.1立體像對(duì)提取DEM的精度 一些學(xué)者在不同的地形地區(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1520m2

4、3, 山區(qū)的精度2030m之間2,4, 有森林覆蓋的坡地可以達(dá)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SPOT5衛(wèi)星HPS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以內(nèi)。采用一個(gè)控制點(diǎn)外推580km時(shí)，平面定位精度仍優(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?？?/p>

5、體上三維控制點(diǎn)一般從幾個(gè)到幾十個(gè)不等，控制點(diǎn)越多生成的DEM精度越高，但一般不應(yīng)少于5個(gè)6,7。 2.2 ASTER立體像對(duì)生成的標(biāo)準(zhǔn)DEM產(chǎn)品 美日聯(lián)合數(shù)據(jù)工作組確定了的ASTER 提取的DEM產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)DEM是參考本景內(nèi)的最低點(diǎn)，不需要GCP，僅通過(guò)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算外方位元素8，提取的DEM精度范圍為1030m，ASTER的科學(xué)數(shù)據(jù)處理中心(SDPS，Science Data Processing Segment)采用Level 1A 數(shù)據(jù)每天生成30景DEM。絕對(duì)DEM的精度根據(jù)GCP的提供情況而定，精度在750m之間9。 Stevens10研究表明從ASTER立體像對(duì)上提取的D

6、EM在水系和地貌分析的應(yīng)用上要明顯優(yōu)于從地形圖上數(shù)字化而來(lái)的DEM。同時(shí)從多時(shí)相ASTER像對(duì)上提取的DEM可以修訂因地貌改變而精度降低的SRTM數(shù)據(jù)，尤其是在侵蝕嚴(yán)重的高山和經(jīng)常泛濫的河谷區(qū)11。 3 提取DEM的意義 ASTER星載衛(wèi)星數(shù)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)只占拍攝總量的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，

7、ASTER的影像分辨率為15m，而DEM標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品只有30m。 （4）定購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)立體像對(duì)提取的DEM需要額外的經(jīng)費(fèi)，并且定購(gòu)周期長(zhǎng)，坐標(biāo)系統(tǒng)固定不便在當(dāng)?shù)厥褂茫?（5）只能整景處理，對(duì)地面控制的點(diǎn)數(shù)量和分布要求高。 （6）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?？晒┨娲牧Ⅲw像對(duì)商業(yè)衛(wèi)星遙感平臺(tái)還有SPOT、IKNONOS、Quickbird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。 4 由ASTER立體像對(duì)提取DEM4.1 ASTER提取DEM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

8、攝地面同一點(diǎn)A時(shí)形成一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。圖1 使用ASTER數(shù)據(jù)提取DEM流程像對(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）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1，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?。?）采用GPS、全站儀等地面測(cè)繪儀器獲??；2）在

9、部分地形圖上采集控制點(diǎn)；3）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1：10萬(wàn)的地形上獲取GCP的三維坐標(biāo)。 本文數(shù)據(jù)處理采用了由Atlantis公司開(kāi)發(fā)的PCI圖像處理套件的OrthoEngine模塊，該軟件從70版開(kāi)始即支持ASTER立體像對(duì)的DEM提取，后續(xù)版本在該功能方面做了不斷的改善。本文還試用了ASTERDTM軟件，一種基于ENVI的全自動(dòng)ASTER DEM提取軟件，其無(wú)需用戶指定任何參數(shù)即可自動(dòng)運(yùn)行。除此之外，ERDAS軟件公司推出的OrthoBase模塊也可以進(jìn)行DEM提取。以上三種軟件雖操作上存在差異，但

10、是基本的處理步驟是一致的。使用ASTER立體像對(duì)進(jìn)行DEM提取的基本步驟如圖1所示。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。圖2為本文研究核心試驗(yàn)區(qū)的垂視和后視圖像，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。

11、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)12。為了使得到的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)13，14。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（圖3）。 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

12、態(tài)等)轉(zhuǎn)換為相對(duì)的(無(wú)GCP)或絕對(duì)(有GCP)高程信息。 圖2 試驗(yàn)區(qū)局部ASTER垂視(上)和后視(下)圖像(降軌飛行，后視圖像由南向北拍攝，存在水平拉伸效應(yīng)，如河道大拐彎處的山峰和崩塌堆積體)圖3 15個(gè)GCP（紅色）集中在有1：10萬(wàn)地形圖的中部（黑色矩形區(qū)）和25TP（藍(lán)色）均勻分布在影像的四周4.2 提取精度分析 圖4為生成的DEM，由圖可見(jiàn)其質(zhì)量與GCP分布的具有很強(qiáng)的相關(guān)性，GCP所在范圍及其附近的地區(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)

13、，地形平坦生成的DEM質(zhì)量較高。這是因?yàn)榫郍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±20.4m，GCP范圍外高程誤差為±48.2m，平均誤差是±34.3m，超過(guò)4000米以上4個(gè)點(diǎn)的誤差達(dá)到±69m。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AA線段位置沿水平方向做

14、地形剖面與相應(yīng)位置1:5萬(wàn)DEM的剖面進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示, 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。這因?yàn)榈匦螆DDEM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充分表達(dá)，而ASTER立體相對(duì)以15m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。 圖4 由ASTER立體相對(duì)生成的DEM（AA為剖面線） 圖5

15、圖4中AA位置的1：5萬(wàn)DEM剖面圖（左）和ASTER相對(duì)提取的DEM剖面（右）5 結(jié)論與展望 綜上所述，考慮到對(duì)GCP質(zhì)量要求不高（本文在的1：10萬(wàn)地形圖上提?。┛梢栽谛^(qū)域選取GCP控制點(diǎn)，大范圍外推生成DEM，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，而且采用常規(guī)的技術(shù)手段和普通的商業(yè)軟件就可處理。這說(shuō)明從ASTER立體相對(duì)提取DEM是穩(wěn)定可靠的，方法簡(jiǎn)單易行。對(duì)于在地形資料缺乏的地區(qū)地學(xué)研究有很強(qiáng)的實(shí)用性。 對(duì)于工程應(yīng)用要使用高分辨率和高精度的外方位角元素的立體像對(duì)，如Qiukbird、IKNOS，它們?cè)趯?shí)驗(yàn)中已經(jīng)能夠生成1：2000比例尺精度的地形圖，這一精度的DEM是工程建設(shè)中最主要的地形資料，它已經(jīng)能

16、夠滿足大多數(shù)工程建設(shè)的需求。而且新一帶衛(wèi)星的分辨率在0.5m以上，衛(wèi)星軌道參數(shù)也更加的穩(wěn)定和精確，生成DEM的精度預(yù)期會(huì)有大的提高，達(dá)到1：1000比例尺甚至更高也是指日可待。 參考文獻(xiàn) 1Hubbard, B. E. Sheridan,M. F. , Gerardo Carrasco-Nú?ez, Rodolfo Díaz-Castellón, Sergio Raúl Rodríguez 2007 Comparative lahar hazard mapping at Volcan Citlaltépetl, Mexico usin

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