立体像对提取DEM原理和方法

立体像对提取 DEM 原理与方法一、概述数字高程模型(Digi tal Eleva tion Model),简称DEM，它是用 一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。DEM除了 包括地面高程信息外，还可以派生地貌特性，包括坡度、坡向等，还 可以计算地形特征参数，包括山峰、山脊、平原、位面、河道和沟谷 等。建立 DEM 的方法有多种，从数据源及采集方式主要有：根据航 空或航天影像，通过摄影测量途径获；野外测量或者从现有地形图上 采集高程点或者等高线，后通过内插生成 DEM 等方法，主要方法如 下表所示：方法优点缺点航空摄影测量成熟的方法，精度咼， 可获取大比例尺DEM成本高，周期长，且受航 空管制咼程点或者等 咼线差值成本低，操作简单受数据源限制大，很多地 区无高程点或等高线数据卫星遥感可以大范围获取DEM受天气影响较大，目前可 获取的比例尺较小。干涉雷达技术可以大范围获取DEM， 不受天气影响目前获取大比例尺DEM较困难激光雷达技术精度咼，可获取大比例 尺DEM起步阶段，技术门槛咼二、流程立体像对获取DEM的原理简易阐述是：在天空两点(P1和P2) 拍摄地面同一点A时形成一 ZP1AP2夹角，当P1和P2空间位置 确定后，该角度越大地物点越高，反之，角度越小地物越低。将地面 所有点的高程解算后就得到了数字地面模型。像对DEM获取方法有主要两种:一种是通过GCP和影像上对应的 像素来计算卫星的外方位元素(卫星姿态)，通过像对间的匹配点(TP, Tie Poin t)配准影像，然后进行后方交汇计算每个地面点的高程；另 一种是外方位元素的从卫星的星历中解算, 其它步骤同1, 此方法要求 具有精确的卫星星历,而且生成的DEM为相对高程。利用立体像对提取 DEM 的流程图，总体上分为六步。如下：1、数据输入将立体像对输入到进行实验处理的软件中。2、输入控制点、定义连接点定义地面控制点后得到的 DEM 是绝对高程，否则是以卫星默认 的地势面作为基准面的相对高程，然后将控制点输入。要生成 DEM 首先要选择立体像对上的一些连接点。连接点也是 同名点，它是用来建立两张像片之间关系的。连接点的提取一般先自 动提取，再手工交互编辑。连接点的自动提取采用基于灰度的影像相 关的办法。自动提取以后再进行人工编辑，剔出错误的连接点，如果 点数太少，人工地选取一些连接点，保证连接点分布均匀。3、生成核线影像如果直接用影像相关的算法，求出各个像素的同名点，再计算视 差，计算量非常大，一般是先生成核线影像，把二维的相关问题变成 一维的相关问题。核线在像片上是互不平行的，他们交于核点，如果 将像片上的核线投影到一对相对水平的像片-平行于基线的像片对， 则核线互相平行。根据这一原理，在水平像片上建立规则格网，它的 行就是核线。利用共线条件方程求出相关参数，将影像转换成核线影像，转换 后像素灰度值采用双线性内插的办法重采样。4、自动提取 DEM对于生成的核线影像，它已经不存在上下视差，只有左右视差， 利用图像相关算法对影像进行匹配，这时寻找同名点就是一维相关。 找到两张像片的重叠区域的同名点后就可以利用输入的控制点坐标 进行整体平差，解求出地面点的坐标，根据各点高程的不同赋予相应 的灰度值，就可以自动提取出 DEM 的图像。5、DEM 编辑在 DEM 提取过程中，一些像素的匹配可能会失败(由于大量的 阴影，对比度较低等原因)，图像由于传感器自身或外界一些因素的 影响会带有许多噪声，图像不清晰，这时就要对生成的 DEM 进行编 辑。DEM的编辑包括DEM的内插，DEM的滤波，DEM的平滑。(1) DEM的内插对于初步生成的DEM，图像本身因为云的遮挡，或是地面的对比 度较低，阴影等因素，一些像素的匹配不正确，像素的值不正常，对 于这些不正常区域采用分块双三次多项式内插的办法，选择不正常的 区域，对不正常的像素插值，重复几次，直到满意为止。内插只能解决小区域的异常，对于云层遮挡较大的区域内插不一 定符合实际的地形，一般将这部分数据裁剪，再利用另一个时段生成 的 DEM 进行拼接。( 2)噪声的滤波处理(3) DEM 的平滑经过内插和去噪的 DEM 还会有一些噪声，有的地方仍存在不正 常的点，但是地面的起伏一般是连续的，这时就需要对 DEM 进行平 滑。平滑采用 的窗口为模板，在 DEM 图像上移动，以平均值代替中 心像素值，不断移动窗口，完成对整个 DEM 的的平滑。6、DEM精度评价三、利用立体像对提取 DEM 的基本原理立体像对定义：由不同摄影站摄取的、具有一定影像重叠的两张 像片称为立体像对。利用遥感影像立体像对提取DEM的基本原理，就是基于立体像对 上的同名像点si和及s2对应地面点A三点之间形成的夹角ZAo当 立体像对上点的空间位置确定后，该角度越大，地物点越高，反之，角度越小，地物高程越低。在已知立体像对相对外方位元素和像点空间坐标的情况下，即可 获取地面点A的高程坐标。将地面所有点的坐标高程解算后，就得到 了该立体像对覆盖区域的数字高程模型。从上述基本原理可以看出，基于遥感影像立体像对的 DEM 获取有 两个关键: 一是确定立体像对在拍摄瞬间的外方位元素，即卫星的位 置和姿态；二是同名像点的精确匹配。确定立体像对的外方位元素，主要有两种方法：一种是基于共线 条件方程建立地面控制点和影像上对应像点的关系来解算卫星的外 方位元素；另一种是利用传感器物理模型和卫星星历中的辅助数据， 如卫星GPS、星敏、陀螺数据等，来解算卫星的外方位元素。由于立体像对中的两影像是由不同的拍摄角度获取的，影像间必 然存在不同程度的拉伸和变形，因此同名点的精确匹配就是另一个关 键问题。解决这个问题主要有两个方法: 一是人工选择足够数量的连 接点，进行相对定向，确定左右影像之间的关系；二是改进自动匹配 算法，利用同名像点位于同名核线上的原理，将同名像点的二维搜索 变为一维搜索，以提高匹配精度。