利用IRS-P5衛(wèi)星影像生成DEM和DOM試驗(yàn)及精度評(píng)價(jià)

何仲太

(1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2.中國地震局地殼應(yīng)力研究所 地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

1 引 言

高分辨率遙感影像的快速發(fā)展極大地促進(jìn)了利用高分辨率立體像對(duì)提取DEM的應(yīng)用。市場(chǎng)上目前有立體測(cè)圖能力的衛(wèi)星主要有SPOT-5、IKONOS、IRS-P5、WorldView-I/Ⅱ、ALOS、QuickBird、GeoEye和國產(chǎn)立體測(cè)圖衛(wèi)星ZY-3、TH-1等。基于高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行DEM提取的研究目前國內(nèi)外已有很多，但基于IRS-P5立體像對(duì)提取DEM的研究應(yīng)用目前還較少。IRS-P5是印度于2005年5月5日發(fā)射的一顆高分辨率制圖衛(wèi)星。衛(wèi)星的軌道高度為618km，搭載有2個(gè)分辨率約為2.5m的全色傳感器，沿軌道方向連續(xù)推掃，形成同軌立體像對(duì)[1]。IRS-P5數(shù)據(jù)具有成本低、覆蓋廣泛、質(zhì)量穩(wěn)定、分辨率適中的特點(diǎn)，基于IRS-P5立體像對(duì)提取DEM的研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和意義[2]。近年來數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)取得了巨大進(jìn)展，目前常用來從IRS-P5立體像對(duì)提取DEM的軟件主要有我國自主研發(fā)的全數(shù)字?jǐn)z影工作站(VirtuoZo)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站(系統(tǒng))(JX-4 DPS)、一體化測(cè)圖系統(tǒng)PixelGrid以及遙感軟件PCI(GeomatieaorthoEngine模塊)、ERDAS(LPS模塊)、ENVI(DEM Extraction模塊)?；跀?shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件從IRS-P5立體像對(duì)提取DEM步驟相對(duì)比較復(fù)雜，但生成的DEM具有更好的質(zhì)量。近年來DEM和DOM數(shù)據(jù)在活斷層定量研究中得到了廣泛應(yīng)用，不同的活斷層定量參數(shù)研究對(duì)DEM和DOM數(shù)據(jù)精度要求不同。為了通過大青山山前斷裂上升盤基巖山區(qū)中沖溝的裂點(diǎn)分布特征來獲取斷裂晚第四紀(jì)古地震序列，因此需要獲得能夠識(shí)別高差約為3m～7m沖溝裂點(diǎn)的DEM數(shù)據(jù)。本文選取內(nèi)蒙古大青山山前斷裂地區(qū)的IRS-P5立體像對(duì)為例，采用在有理函數(shù)模型的幾何定位基礎(chǔ)上，利用PixelGrid軟件生成DEM、DOM數(shù)據(jù)，并進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

大青山山前斷裂位于內(nèi)蒙古境內(nèi)，西起包頭市，東至呼和浩特，全長(zhǎng)約200km，總體走向NEE，傾向S，第四紀(jì)以來活動(dòng)非常強(qiáng)烈[3]。斷裂晚更新世以來的活動(dòng)在空間上的分布是不均勻的，前人根據(jù)古地震時(shí)空分布以及斷裂的幾何特點(diǎn)、活動(dòng)時(shí)間、活動(dòng)速率及構(gòu)造地貌等方面的實(shí)際資料將其劃5段[4-5]。斷裂兩側(cè)地表保留了大量斷裂晚更新世和全新世強(qiáng)烈活動(dòng)的信息，本文選取斷裂及兩側(cè)范圍的IRS-P5像對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，為斷裂微地貌定量研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文所選用的數(shù)據(jù)是覆蓋了整個(gè)研究區(qū)的5個(gè)IRS-P5立體像對(duì)，數(shù)據(jù)均為標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)產(chǎn)品，且均沒有云、雪覆蓋，地物的幾何結(jié)構(gòu)和紋理信息清晰(圖1)?？刂瀑Y料主要選取已有的1∶10000紙質(zhì)地形圖資料。依據(jù)在地形圖中讀取的控制點(diǎn)坐標(biāo)及高程，利用PixelGrid軟件對(duì)P5立體像對(duì)提取5m格網(wǎng)間距的DEM，并生成2.5m分辨率的正射影像，然后對(duì)正射影像進(jìn)行調(diào)色、鑲嵌等，完成DOM的制作。

圖1 研究區(qū)IRS-P5衛(wèi)星立體像對(duì)數(shù)據(jù)示意圖(條帶區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域)

3 生成DEM和DOM

IRS-P5向用戶提供了有理函數(shù)模型(RFM)，一般情況下數(shù)據(jù)供應(yīng)商提供的有理函數(shù)模型參數(shù)沒有地面控制點(diǎn)的參與，所能達(dá)到的精度受制于星歷數(shù)據(jù)與姿態(tài)參數(shù)的精度。大量實(shí)驗(yàn)證明，在無地面控制點(diǎn)的情況下IRS-P5遙感影像數(shù)據(jù)平面和高程的定位精度約為70m[6]，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要使用地面控制點(diǎn)來提高影像數(shù)據(jù)精度。按照?qǐng)D2所示流程進(jìn)行DEM提取，首先將掃描后的地形圖進(jìn)行模型糾正，并在糾正后的地形圖上選取合理有效的控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)應(yīng)立體、均勻地分布在影像區(qū)內(nèi)，尤其應(yīng)加強(qiáng)測(cè)區(qū)邊沿的控制點(diǎn)布設(shè)，并且控制點(diǎn)盡量避免布設(shè)在近似一條直線或近似一個(gè)平面上。將選取的控制點(diǎn)以Excel表格的形式記錄其點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)和點(diǎn)位描述等內(nèi)容，形成一個(gè)PixelGrid規(guī)定的*.gcp格式的文件，對(duì)照刺點(diǎn)片在影像上量測(cè)控制點(diǎn)。

圖2 DEM提取流程圖

量測(cè)控制點(diǎn)后進(jìn)行平差定向，先進(jìn)行“RPC+平移”的粗差剔除，后進(jìn)行“RPC+二維仿射變換”的最終解算。剔除粗差是用“RPC+平移”方法進(jìn)行平差，誤差大于20的點(diǎn)視為粗差，將該點(diǎn)刪除，在刪除點(diǎn)的區(qū)域要重新選擇控制點(diǎn)并進(jìn)行量測(cè)。重復(fù)平差、刪點(diǎn)，直到剔除全部粗差。最終解算使平差結(jié)果滿足誤差要求，即定向誤差小于3個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)的x、y、z誤差均不大于2倍中誤差。平差定向結(jié)果滿足要求后生成近似核線，并進(jìn)行影像匹配與編輯。通過匹配種子點(diǎn)線量測(cè)模塊，檢查模型是否存在視差，如果出現(xiàn)視差需要修改點(diǎn)位、添加連接點(diǎn)并重新定向。初始影像匹配僅匹配出稀疏的點(diǎn)，可在匹配種子點(diǎn)線量測(cè)模塊中進(jìn)行編輯，在山脊、山谷、影像質(zhì)量不好的地方添加特征線能提高“高精度匹配”的精度。根據(jù)初始匹配及編輯的結(jié)果，匹配大量高精度的點(diǎn)，并生成后綴名為dtm的文件。選擇模型及對(duì)應(yīng)的dtm文件進(jìn)行立體編輯，對(duì)匹配不好的地方在立體編輯下進(jìn)行修改。每個(gè)模型的點(diǎn)被分成兩行多列的矩形塊，編輯時(shí)從左到右、從上到下逐塊進(jìn)行。將編輯之后的成果轉(zhuǎn)換為tif格式，加載正確的投影和坐標(biāo)系，按照作業(yè)范圍對(duì)成果進(jìn)行拼接和裁切，形成最終的DEM成果(圖3(a))。利用PixelGrid軟件將P5數(shù)據(jù)的后視tif文件在影像格式轉(zhuǎn)換及預(yù)處理模塊進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，再將原文件包中與文件名對(duì)應(yīng)的.raw.pxy，.raw.rpc，.raw.spt 3個(gè)文件拷貝到新建文件包中。使用拼接一起后的DEM數(shù)據(jù)在正射影像生成模塊最終生成DOM(圖3(b))。

圖3 DEM(a)和DOM(b)成果圖

4 精度評(píng)價(jià)

實(shí)際應(yīng)用中常用的DEM精度評(píng)價(jià)方法主要有：檢查點(diǎn)法、剖面線法及等高線套合法。其中檢查點(diǎn)法最為簡(jiǎn)單易行，是在研究區(qū)范圍內(nèi)選取檢查點(diǎn)并獲得這些點(diǎn)的實(shí)際高程值，同時(shí)在生成的DEM上找到相應(yīng)點(diǎn)的高程值，計(jì)算二者之間的差值，檢查其是否滿足國家關(guān)于DEM精度標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)規(guī)定。目前研究普遍認(rèn)為在良好的地面控制點(diǎn)的支持下，對(duì)于IRS-P5立體像對(duì)提取的DEM的平面和高程精度均可達(dá)到5m，滿足國家1∶50000基本比例尺地形圖測(cè)圖規(guī)范要求。還有一些學(xué)者試驗(yàn)研究認(rèn)為，IRS-P5立體像對(duì)可以完成常規(guī)航空攝影測(cè)量無法進(jìn)行的困難區(qū)域山地1∶10000地形圖立體測(cè)圖，其平面、高程精度能達(dá)到山地和高山地測(cè)圖中誤差要求[1，7-9]。關(guān)于地面控制點(diǎn)選取對(duì)于精度的影響認(rèn)識(shí)有所不同，有的學(xué)者研究認(rèn)為在至少采用4個(gè)地面控制點(diǎn)的情況下，平面和高程方向影像定位精度能夠達(dá)到2m的精度，6～8個(gè)控制點(diǎn)即可達(dá)到最優(yōu)精度，平面和高程精度在1.2m～1.7m之間[10]。還有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)分析得出每個(gè)立體像對(duì)只需要5 個(gè)地面控制點(diǎn)即可達(dá)到最好的平面和高程精度，過多的地面控制點(diǎn)對(duì)于精度的提高沒有實(shí)質(zhì)影響[11]。

4.1 DEM精度評(píng)價(jià)

DEM的精度評(píng)價(jià)在內(nèi)容上可通過兩種不同的方式進(jìn)行，一種是平面精度和高程精度分開評(píng)價(jià)，另一種是兩種精度同時(shí)評(píng)價(jià)。在實(shí)際應(yīng)用中由于平面精度比較容易控制，一般只討論DEM的高程精度評(píng)價(jià)問題并用高程精度表達(dá)DEM精度。本次針對(duì)DEM的精度檢測(cè)，也是只針對(duì)DEM的高程精度的檢測(cè)。

采用攝影測(cè)量方法和野外實(shí)測(cè)方法生成的數(shù)字高程模型，其格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差應(yīng)不大于相應(yīng)比例尺地形圖測(cè)圖規(guī)范或編繪規(guī)范中規(guī)定的等高線高程中誤差。本文對(duì)于DEM的精度檢測(cè)，采用的是實(shí)際生產(chǎn)中最常用的檢查點(diǎn)法，在研究區(qū)均勻選取18個(gè)檢查點(diǎn)，事先將檢查點(diǎn)按格網(wǎng)或任意形式進(jìn)行分布，對(duì)生成的DEM在這些點(diǎn)處進(jìn)行檢查。將這些點(diǎn)處的內(nèi)插高程和實(shí)際高程逐一比較得到的誤差，然后計(jì)算中誤差。設(shè)檢查點(diǎn)的高程為Zk(k=1，2，3，…，n)，在建立DEM之后，由DEM內(nèi)插出的這些點(diǎn)的高程為Rk，則DEM的精度即高程中誤差為：

(1)

表1 DEM精度檢查結(jié)果

結(jié)果(表1)顯示檢查點(diǎn)的高程精度均可達(dá)到5m，滿足國家1∶50000基本比例尺地形圖測(cè)圖規(guī)范要求。中誤差的計(jì)算結(jié)果也顯示IRS-P5立體像對(duì)生成的DEM高程精度能達(dá)到1∶10000地形圖山地和高山地測(cè)圖中誤差要求。

本文在DEM生成過程中誤差主要可歸結(jié)為像點(diǎn)誤差與定向誤差。像點(diǎn)誤差主要表現(xiàn)在進(jìn)行絕對(duì)定向前各種系統(tǒng)誤差與偶然誤差的綜合誤差，受制于衛(wèi)星影像本身質(zhì)量。定向誤差包括相對(duì)定向和絕對(duì)定向的誤差，相對(duì)定向誤差主要取決于同名像點(diǎn)量測(cè)的誤差，其定向精度可根據(jù)平差結(jié)果進(jìn)行估計(jì)。絕對(duì)定向誤差主要與采用的模型、控制點(diǎn)的誤差、分布等有關(guān)。其中控制點(diǎn)應(yīng)立體、均勻分布，避免在近似一條直線的似一個(gè)平面布設(shè)。另外，在建立DEM的過程中，由于需要經(jīng)過內(nèi)插計(jì)算和建模處理，內(nèi)插點(diǎn)的計(jì)算高程總是與實(shí)際量測(cè)高程之間存在差異，這種誤差一方面與內(nèi)插算法有關(guān)，另一方面也與原始數(shù)據(jù)的分布和密度有關(guān)。

4.2 DOM精度評(píng)價(jià)

將控制資料上的控制點(diǎn)的坐標(biāo)值與在生成的DOM上量取的坐標(biāo)值相比較，按下式統(tǒng)計(jì)中誤差。結(jié)果(表2)顯示18個(gè)檢查點(diǎn)的水平向中誤差均小于理論中誤差限差7.5m，說明DOM平面精度符合1∶10000地形圖精度要求。利用DEM實(shí)現(xiàn)影像的微分糾正是生產(chǎn)DOM的關(guān)鍵技術(shù)，因此DOM的成圖精度與所用DEM的精度具有很大的關(guān)系。另外本試驗(yàn)中DOM的精度還與控制點(diǎn)精度密切相關(guān)，因此應(yīng)盡量避免前期地形圖掃描和模型糾正過程誤差的產(chǎn)生，并合理有效地選取控制點(diǎn)。

(2)

(3)

(4)

其中，Xi、Yi為GPS控制點(diǎn)坐標(biāo)值；xi、yi為糾正后DOM上量取的坐標(biāo)值；Mx、My分別為檢查點(diǎn)在X、Y方向的點(diǎn)位中誤差；n為檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；M為檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位中誤差。

表2 DOM精度檢查結(jié)果

5 結(jié)束語

本文以內(nèi)蒙古大青山地區(qū)的IRS-P5全色立體像對(duì)為例，在1∶10000地形圖上選取控制點(diǎn)，在PixelGrid軟件平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示試驗(yàn)區(qū)IRS-P5全色立體像對(duì)可以生成5m格網(wǎng)間距的DEM和2.5m分辨率的DOM。以1∶10000地形圖為參照，用檢查點(diǎn)法對(duì)DEM、DOM的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示IRS-P5立體像對(duì)生成的DEM滿足國家1∶50000基本比例尺地形圖測(cè)圖規(guī)范要求，高程精度能達(dá)到1∶10000地形圖山地和高山地測(cè)圖中誤差要求，DOM平面精度符合1∶10000地形圖精度要求。本文研究顯示，利用IRS-P5立體像對(duì)生成的DEM數(shù)據(jù)滿足活斷層定量研究中對(duì)于微地貌沖溝裂點(diǎn)的識(shí)別和提取，可應(yīng)用于活斷層定量研究中的古地震研究。另外，IRS-P5全色立體像對(duì)生成高分辨率DEM和DOM相對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)源具有覆蓋廣泛、成本低、時(shí)效高、更新快速的優(yōu)勢(shì)，在地形圖的數(shù)據(jù)獲取和更新、災(zāi)后快速評(píng)估以及其他定量地貌研究中具有廣泛的應(yīng)用前景。

致謝：感謝北京東方道邇信息技術(shù)股份有限公司。

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