利用影像匹配點云進行DLG等高線制作

盛志鵬，吳 迪，朱 萍

(浙江省第二測繪院，浙江 杭州 310012)

一、引 言

點云是三維點數據的集合，是一種地表形態的三維直觀表現形式，利用點云濾波分類后得到的地面點就可以提取DEM和DLG中的高程點和等高線要素。目前，采用非接觸的方法獲取高密度地表點云的一種常見方法就是使用激光雷達掃描系統直接獲取，如徠卡的ALS60、天寶的Harrier 68i等都是目前國內較常使用的機載激光雷達設備，該方法的優勢是獲取的點云精度高，且可以部分穿透植被獲取。在傳統的數碼航攝獲取影像并構建立體像對制作DLG的作業體系中，若使用激光雷達獲取的高精度點云來進行高程點和等高線的提取，則可以大大減少內業立體采集的工作量，但同時也會增加額外的激光雷達數據獲取和處理費用。

另外一種方法是采用已獲得準確外方位元素的數碼航片，采取同名點匹配的方法來獲取點云[1-4]。由于影像數據是必須獲取的，所以在這個生產環節中不會產生額外的費用。目前，Inpho、ERDAS等軟件都能實現此功能，但是采用這種方式的缺點是，在植被覆蓋區域匹配的點云全都位于樹冠上，若要采用匹配的點云數據進行等高線的制作，就必須消除植被高的影像。本文基于浙江省湖州市1∶2000比例尺數碼航片數據，研究了在TerraSolid軟件下進行匹配點云的高程校正和植被高改正，以及提取等高線的方法。

二、利用Inpho生成匹配點云

點云匹配所使用的為2012年浙江省湖州市的1∶2000數字地形圖制作項目數碼航攝數據，其使用的設備為UltraCam Lprime，相機焦距為70.4 mm，影幅大小47.520 mm×70.224 mm，飛行平臺為運-5，其他航飛參數如表1所示。匹配點云過程如圖1所示。

表1 航飛參數

圖1 通過數碼航片匹配生成點云

匹配點云所需要的數據包括真彩色原始影像和經過空三解算的影像內外方位元素，選擇的試驗區包含相片13張，覆蓋面積約為6 km2，采用的匹配軟件為Inpho攝影測量工作站的Match-T模塊，匹配格網大小為默認值1.8 m。為了匹配到較多的點云，匹配設置中禁用有關點云平滑的相關設置，并使用了較大的容差值。匹配后輸出的成果為LAS格式的點云，數據量為143 MB。

三、基于Terrasolid的匹配點云處理

該方法為：首先利用立體條件下采集的少量地表特征點線，并結合激光雷達數據處理軟件TerraSolid中的高程擬合功能，對點云植被高進行消除；然后再進行適當的濾波修飾，即可以用于高程點和等高線的提取。利用影像匹配點云進行DLG等高線制作流程如圖2所示。

圖2 利用影像匹配點云進行DLG等高線制作流程圖

1. 三維特征點線采集

在進行三維特征點線采集之前，需要由對點云濾波處理有經驗的人員對原始點云先進行初步的濾波分類，檢查點云所構建的三維模型對地表的特征描述數否正確，并在需要采集的地方做記號；再由立體采集人員在立體像對下進行采集。由于特征線的采集精度直接關系到點云的高程修正精度，因此一般需采集特征點線的位置包括山脊、山谷、植被類型變化區域的特征線和特征點(如圖3所示)。本試驗的特征線采集在JX-4攝影測量工作站中完成。具體采集要求如下：

1) 植被覆蓋地區需采集山脊線、山谷線、山頂點來進行植被高改正。

2) 在無植被覆蓋區域的邊與有植被覆蓋區域相接的地方適當采集特征點，以保證無植被區域高程不變。

3) 植被高度變化劇烈且無法反映地表形態的區域，如竹林覆蓋區域，應采集幾條特征線以描述植被底部地形。

圖3 點云模型與采集好的特征點線的套合

2. 擬合網高程改正

利用特征點線分析植被高情況，構建高程異常修正擬合網，進行點云高程改正。具體方法是將采集的特征線離散成點(本試驗采取的點間隔為2 m)并與采集的特征點一起構成檢查點文件，再利用TerraSolid軟件計算點云模型在每個檢查點處的高程差。檢查高程差文件，將粗差和點云模型異常處的值剔除，再使用誤差文件制作植被高改正文件，構建高程修正擬合網，并對點云的高程進行改正，進而修正植被高。

3. 點云重濾波和點云修飾

經過植被高改正的點云在山脊、山谷和植被高程突變的地方會存在對地表細節描述不完整或高程錯誤的情況，為了突出地形特征，需要將采集的特征點線作為點云添加到改正后的點云中做一次重濾波。由于TerraSolid采用的濾波方式是由下到上的漸進式濾波，因此在點云高程改正不徹底的地方，重濾波可以使特征點線周圍高程錯誤的點云被濾除掉。濾波過后再將特征點線的點云作為地表點添加到重濾波的點云中，以保證特征點線參與最后DEM模型的構TIN。

重濾波后的點云還需進行必要的修飾，才能用來自動生成等高線。點云修飾應盡量保持地形特征完整，并使其較為光滑，避免在非地形變化區域出現模型的劇烈變化。

4. 等高線自動生成和人工修飾

為了保證等高線的平滑和美觀，筆者將修飾好的點云采樣成格網大小為8 m×8 m的DEM，再進行等高線的自動生成。生成后的等高線若平滑程度不夠，可在ArcGIS軟件中采取指數核的多項式近似算法進行進一步的平滑，在1∶2000等高線的制作中平滑參數一般設置為5～10 m。自動生成的等高線如圖4所示。

圖4 自動生成等高線

為了保證等高線的精度和美觀，對自動生成的等高線需要在攝影測量工作站中進行必要的修飾，修飾中應主要注意的是：① 平緩地區等高線的走向；② V字形山脊山谷的朝向是否一致；③ 有無因單顆植被未濾除干凈造成的等高線突變。

四、精度評價和效率統計

1. 自動生成等高線精度評價

按照1∶2000數字地形圖制作的相關標準和本項目的技術設計，等高線的精度要求見表2。

表2 等高線精度指標 m

等高線的高程精度檢查是由經驗豐富的立體測圖人員將自動生成的等高線導入JX-4立體測圖工作站并在立體像對環境下進行檢查的。通過檢查，自動生成的等高線在絕大多數地區都能夠緊貼地表，特別是在裸露和覆蓋植被高度較均勻地區有著較好的效果。

2. 效率統計

在本次試驗中，共處理了4幅1∶2000的DLG數據，總面積為4 km2，所花費的工作量統計見表3。

表3 效率統計 d

若采用傳統方法，對于一幅1∶2000的DLG，在JX-4攝影測量工作站環境下平均需要3天的時間。若采用新方法，一幅圖花費約1天的時間，與傳統方法相比，效率是原來的3倍。

五、結束語

利用影像匹配的點云數據自動生成的等高線在精度上大體能夠滿足相關要求，但是從圖面的美觀程度上比較，與以前作業方法的成果還是有一定區別，主要體現在：一是在大致等傾斜的區域曲線分布不太均勻，二是曲線走向不統一使得山形不美觀，這也導致了后期修測花費了較多的工作量。從效率上分析，該方法具有較為明顯的優勢，在浙江省“十二五”期間全面實施“313”計劃和全省1∶2000地形圖測圖全面鋪開的背景下，也急需一些新的作業方式來提高工作效率。在下一步的試驗中，將考慮使用自動的方式來提取特征線和改進濾波分類方式，以減少人工干預的工作量。

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