立體像對提取DEM原理和方法

1、 /4立體像對提取DEM原理與方法一、概述數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel),簡稱DEM，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。DEM除了包括地面高程信息外，還可以派生地貌特性，包括坡度、坡向等，還可以計算地形特征參數(shù)，包括山峰、山脊、平原、位面、河道和溝谷等。建立DEM的方法有多種，從數(shù)據(jù)源及采集方式主要有：根據(jù)航空或航天影像，通過攝影測量途徑獲；野外測量或者從現(xiàn)有地形圖上采集高程點(diǎn)或者等高線，后通過內(nèi)插生成DEM等方法，主要方法如下表所示：方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)航空攝影測量成熟的方法，精度咼，可獲取大比例尺DEM成本高，周期長，且受航空管制咼程點(diǎn)或者等咼線

2、差值成本低，操作簡單受數(shù)據(jù)源限制大，很多地區(qū)無高程點(diǎn)或等高線數(shù)據(jù)衛(wèi)星遙感可以大范圍獲取DEM受天氣影響較大，目前可獲取的比例尺較小。干涉雷達(dá)技術(shù)可以大范圍獲取DEM，不受天氣影響目前獲取大比例尺DEM較困難激光雷達(dá)技術(shù)精度咼，可獲取大比例尺DEM起步階段，技術(shù)門檻咼二、流程立體像對獲取DEM的原理簡易闡述是：在天空兩點(diǎn)(P1和P2)拍攝地面同一點(diǎn)A時形成一ZP1AP2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DEM獲取方法有主要兩種:一種是通過GCP和影像上對應(yīng)的像素來計算衛(wèi)星的外方位元素(衛(wèi)星姿態(tài))，通過

3、像對間的匹配點(diǎn)(TP,TiePoint)配準(zhǔn)影像，然后進(jìn)行后方交匯計算每個地面點(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為相對高程。利用立體像對提取DEM的流程圖，總體上分為六步。如下：1、數(shù)據(jù)輸入將立體像對輸入到進(jìn)行實驗處理的軟件中。2、輸入控制點(diǎn)、定義連接點(diǎn)定義地面控制點(diǎn)后得到的DEM是絕對高程，否則是以衛(wèi)星默認(rèn)的地勢面作為基準(zhǔn)面的相對高程，然后將控制點(diǎn)輸入。要生成DEM首先要選擇立體像對上的一些連接點(diǎn)。連接點(diǎn)也是同名點(diǎn)，它是用來建立兩張像片之間關(guān)系的。連接點(diǎn)的提取一般先自動提取，再手工交互編輯。連接點(diǎn)的自動提取采用基于灰

4、度的影像相關(guān)的辦法。自動提取以后再進(jìn)行人工編輯，剔出錯誤的連接點(diǎn)，如果點(diǎn)數(shù)太少，人工地選取一些連接點(diǎn)，保證連接點(diǎn)分布均勻。3、生成核線影像如果直接用影像相關(guān)的算法，求出各個像素的同名點(diǎn)，再計算視差，計算量非常大，一般是先生成核線影像，把二維的相關(guān)問題變成一維的相關(guān)問題。核線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相對水平的像片-平行于基線的像片對，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。利用共線條件方程求出相關(guān)參數(shù)，將影像轉(zhuǎn)換成核線影像，轉(zhuǎn)換后像素灰度值采用雙線性內(nèi)插的辦法重采樣。4、自動提取DEM對于生成的核線影像，它已經(jīng)不存在上下視差

5、，只有左右視差，利用圖像相關(guān)算法對影像進(jìn)行匹配，這時尋找同名點(diǎn)就是一維相關(guān)。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，就可以自動提取出DEM的圖像。5、DEM編輯在DEM提取過程中，一些像素的匹配可能會失敗(由于大量的陰影，對比度較低等原因)，圖像由于傳感器自身或外界一些因素的影響會帶有許多噪聲，圖像不清晰，這時就要對生成的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)插對于初步生成的DEM，圖像本身因為云的遮擋，或是地面的對比度較低，陰影等因素，一些像素的匹配不正

6、確，像素的值不正常，對于這些不正常區(qū)域采用分塊雙三次多項式內(nèi)插的辦法，選擇不正常的區(qū)域，對不正常的像素插值，重復(fù)幾次，直到滿意為止。內(nèi)插只能解決小區(qū)域的異常，對于云層遮擋較大的區(qū)域內(nèi)插不一定符合實際的地形，一般將這部分?jǐn)?shù)據(jù)裁剪，再利用另一個時段生成的DEM進(jìn)行拼接。(2)噪聲的濾波處理(3)DEM的平滑經(jīng)過內(nèi)插和去噪的DEM還會有一些噪聲，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，這時就需要對DEM進(jìn)行平滑。平滑采用的窗口為模板，在DEM圖像上移動，以平均值代替中心像素值，不斷移動窗口，完成對整個DEM的的平滑。6、DEM精度評價三、利用立體像對提取DEM的基本原理立體像對定義：由

7、不同攝影站攝取的、具有一定影像重疊的兩張像片稱為立體像對。利用遙感影像立體像對提取DEM的基本原理，就是基于立體像對上的同名像點(diǎn)si和及s2對應(yīng)地面點(diǎn)A三點(diǎn)之間形成的夾角ZAo當(dāng)立體像對上點(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，地物高程越低。在已知立體像對相對外方位元素和像點(diǎn)空間坐標(biāo)的情況下，即可獲取地面點(diǎn)A的高程坐標(biāo)。將地面所有點(diǎn)的坐標(biāo)高程解算后，就得到了該立體像對覆蓋區(qū)域的數(shù)字高程模型。從上述基本原理可以看出，基于遙感影像立體像對的DEM獲取有兩個關(guān)鍵:一是確定立體像對在拍攝瞬間的外方位元素，即衛(wèi)星的位置和姿態(tài)；二是同名像點(diǎn)的精確匹配。確定立體像對的外方位元素，主要有兩種方法：一種是基于共線條件方程建立地面控制點(diǎn)和影像上對應(yīng)像點(diǎn)的關(guān)系來解算衛(wèi)星的外方位元素；另一種是利用傳感器物理模型和衛(wèi)星星歷中的輔助數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星GPS、星敏、陀螺數(shù)據(jù)等，來解算衛(wèi)星的外方位元素。由于立體像對中的兩影像是由不同的拍攝角度獲取的，影像間必然存在不同程度的拉伸和變形，因此同