利用歷史航空影像獲取高精度DEM 關(guān)鍵技術(shù)研究

□ 浙江省第二測繪院 陳駿明 許一睿 鄧廷起

隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展，利用航空攝影測量技術(shù)獲取數(shù)字高程模型（DEM），并應(yīng)用于電網(wǎng)工程三維數(shù)字化建設(shè)，已成為優(yōu)化變電站站址和輸電線路路徑方案的重要輔助手段，在降低電網(wǎng)工程造價和提高環(huán)境保護(hù)水平方面發(fā)揮了重要的作用。

航空攝影測量技術(shù)以其成本低、機(jī)動靈活、獲取空間信息分辨率高為優(yōu)勢，可以快速獲取數(shù)字表面模型（DSM），但是獲取高覆蓋植被層區(qū)域高精度數(shù)字高程模型（DEM）還存在相應(yīng)的問題，而且基于航空影像建模，再經(jīng)人工采集矢量信息構(gòu)建TIN生成DEM的方式，耗時長、效率低、精度可靠性差，很難滿足山區(qū)植被茂密地區(qū)電網(wǎng)工程建設(shè)的實用性需求。

本文通過對航空攝影測量技術(shù)獲取數(shù)字高程模型過程中誤差產(chǎn)生的來源進(jìn)行分析，研究提高航測法獲取高精度數(shù)字高程模型的關(guān)鍵技術(shù)，即選用植被覆蓋率低、地面構(gòu)筑物稀疏且類型簡單的歷史航片獲取高精度數(shù)字地表高程模型（DSM），再利用濾波分類技術(shù)對其地表高程模型與植被進(jìn)行分離操作，獲取數(shù)字高程模型（DEM）。該技術(shù)解決了高覆蓋植被層區(qū)域DEM獲取難、精度可靠性差、工期長、工作量大等難題，為電網(wǎng)工程變電站站址和輸電線路桿塔的室內(nèi)精準(zhǔn)定位提供了可靠的地理信息數(shù)據(jù)，提高了電網(wǎng)工程設(shè)計的質(zhì)量和效率，顯著提升了電網(wǎng)工程建設(shè)的精細(xì)化和智能化水平。

一、航測法獲取DEM 誤差分析

航測法獲取數(shù)字高程模型主要有兩種方式。一是傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，通過立體采集矢量DLG，再通過矢量構(gòu)三角網(wǎng)生成DEM，這種方式工期較長，誤差積累較大，而且對起伏變化的區(qū)域描述不夠精細(xì)。二是利用航片進(jìn)行密集匹配獲取三維點云，這種方式速度快，DSM精度高，誤差累積少，且逐像素匹配可完整表示地表細(xì)部特征，但對于植被覆蓋率高的山區(qū)，這種方法獲取的DEM精度可靠性將會大大降低。

本文基于以上兩點考慮，給出了利用1979年早期禿山地表的歷史航攝影像獲取高精度數(shù)字高程模型（DEM）生產(chǎn)方法，旨在為獲取植被覆蓋率高區(qū)域的高精度數(shù)字高程模型提供新的思路及有效方法。

歷史航片相對于現(xiàn)有數(shù)碼航片獲取山區(qū)植被覆蓋區(qū)域高精度DEM的優(yōu)勢就是其地表植被覆蓋稀疏、構(gòu)筑物簡單，在密集匹配三維點云的基礎(chǔ)上可以較好地利用濾波分類技術(shù)直接獲取DEM數(shù)據(jù)，且人工編輯量少以及相對可靠性高。

由于其特殊的年代關(guān)系，上世紀(jì)七八十年代的山區(qū)地表植被比較稀疏，山區(qū)植被覆蓋率低，構(gòu)筑物簡單。如圖1所示。

圖1 歷史影像與2016年數(shù)碼影像山區(qū)植被覆蓋對比圖

表1 三維點云自動分類流程

但歷史航片在進(jìn)行航測生產(chǎn)上也有其歷史局限性，如膠片存放時間較長影像會有相應(yīng)的形變誤差、歷史航片空三加密繁瑣，這些會影響利用歷史影像獲取DEM精度及工作量。

二、歷史影像獲取高精度DEM關(guān)鍵

根據(jù)對航測法獲取數(shù)字高程模型的主要誤差分析，利用歷史航片獲取山區(qū)DEM，有必要采用一些關(guān)鍵技術(shù)和方法，充分發(fā)揮歷史航片的優(yōu)勢，避免其不利影響，獲取高精度DEM成果。關(guān)鍵技術(shù)如下：一充分利用現(xiàn)有數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)改進(jìn)歷史膠片航片空三加密方法，提升空三加密效率以及精度；二是利用現(xiàn)有數(shù)字?jǐn)z影測量密集匹配技術(shù)獲取歷史影像三維點云數(shù)據(jù)；三是利用現(xiàn)今高效的三維點云濾波分類技術(shù)對歷史影像密集匹配三維點云進(jìn)行處理，快速獲取其地面三維點云數(shù)據(jù)。

（一）歷史膠片航片空三加密方式改進(jìn)

膠片航片空三加密與數(shù)碼航片空三加密方法最大的區(qū)別且工作量較大的地方就是膠片航片在進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)自動匹配前需要進(jìn)行繁瑣的內(nèi)定向操作。由于歷史膠片影像是通過掃描儀才轉(zhuǎn)換成數(shù)字影像，每張影像幅面大小不一致，必須通過內(nèi)定向方式將掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成像平面坐標(biāo)系才能利用現(xiàn)有空三加密軟件進(jìn)行自動匹配。

參考數(shù)碼影像每張幅面大小長寬一致，內(nèi)定向誤差為零，因此要避免膠片影像繁瑣的內(nèi)定向步驟，需要先對膠片影像進(jìn)行相應(yīng)的處理，主要是利用像片歸一化與仿射變換將膠片掃描影像幅面大小處理成長寬一致的影像。這樣膠片影像的空三加密轉(zhuǎn)變成了簡單的數(shù)碼航片的空三加密，這樣不但去除了內(nèi)定向繁瑣的工作步驟，同時也消除內(nèi)定向誤差對空三加密精度的影響。

同時將歷史航片空三加密工程作為子區(qū)添加到同區(qū)域數(shù)碼航片已有空三加密成果工程中。在加密區(qū)內(nèi)添加兩期影像的同名點作為歷史航片的控制點。

另外在進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差時加入畸變差模型，將歷史影像不可量測的形變誤差歸算到畸變差模型中，通過畸變差模型參與歷史影像空三加密的自檢校平差，利用控制點以及大量的連接點解算影像畸變差模型參數(shù)，改正影像形變。

（二）濾波分類技術(shù)

早期禿山歷史航片由于植被覆蓋率低、地面構(gòu)筑物稀疏且類型簡單，對其地表三維點云進(jìn)行濾波分類也較為容易。首先對自動提取的三維點云數(shù)據(jù)（.las格式）進(jìn)行自動分類。三維點云自動分類流程如表1。

然后進(jìn)行數(shù)字高程模型（DEM）構(gòu)建，將點云中的所有地面點作為特征點進(jìn)行DEM構(gòu)建，得到歷史影像數(shù)字高程模型（DEM）。

三、歷史航片高精度DEM生產(chǎn)流程

（一）航攝資料分析及試驗技術(shù)流程

本文選擇的試驗區(qū)域位于浙江省蘭溪市北部，面積約100平方公里，地形類別為山地。試驗區(qū)所用歷史影像航攝資料為1979年航攝的膠片影像，試驗區(qū)最新航攝資料為2016年0.2米分辨率數(shù)碼影像，根據(jù)歷史影像地表植被覆蓋情況與2016年地表植被覆蓋情況對比分析，如圖1所示。

歷史影像山區(qū)植被覆蓋稀疏（圖1左）， 2016年數(shù)碼影像植被覆蓋茂密（圖2右）。本次試驗區(qū)域選擇對于本文研究目的具有典型性代表意義。

本試驗過程包括歷史影像自動匹配、歷史影像像控點獲取、歷史影像地表高程模型的提取、地表點云數(shù)據(jù)的濾波分類、數(shù)碼影像地表高程模型提取、植被高獲取以及精度評定等步驟，具體試驗技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 歷史影像DEM生成以及植被高獲取技術(shù)流程圖

（二）歷史影像空三加密及DSM獲取

1. 歷史影像空三加密

通過文中所述對膠片歷史影像作預(yù)處理后，膠片歷史影像空三工程建立方法與數(shù)碼航片一致。因此膠片歷史影像空三加密方式由原先繁瑣的精度較低的內(nèi)定向-相對對定-絕對定向空三加密方式轉(zhuǎn)變成自動化程度較高精度較高的區(qū)域網(wǎng)空三加密方法。

由于1979年歷史影像與2016年數(shù)碼影像變化較大，像控點的獲取通過實地測量較為困難。通過2016年數(shù)碼影像獲取歷史影像同名點三維坐標(biāo)，將2016年數(shù)碼影像已有空三加密成果重新平差得到的同名點物方點三維坐標(biāo)即作為歷史影像空三加密區(qū)的像控點坐標(biāo)。

2. 密集匹配及濾波分類獲取歷史影像DEM

密集匹配是航測法獲取數(shù)字表面模型最有效、最快捷、精度可靠的主要技術(shù)方法。通過密集匹配獲取地表三維點云，這種方式速度快，DSM精度高，誤差累積少，密集匹配精度取決于空中三角測量精度，且逐像素匹配可完整表示地表細(xì)部特征。

由于歷史影像地表植被稀疏，構(gòu)筑物簡單，對通過密集匹配獲取地表三維點云數(shù)據(jù)利用文中表1所述濾波分類流程進(jìn)行處理，簡單且效果較好，如圖3所示為濾波分類后內(nèi)插成0.5米格網(wǎng)DEM渲染圖。

圖3 濾波分類后歷史影像店云構(gòu)建DEM渲染圖

圖4 歷史影像濾波分類后點云與激光雷達(dá)點云疊加分析圖

（三）數(shù)字高程模型（DEM）精度評價

1. 歷史影像三維點云數(shù)據(jù)精度檢測

濾波分類后三維點云數(shù)據(jù)精度直接決定了數(shù)字高程模型的高程精度，本項目利用高精度三維激光雷達(dá)掃描點云對其進(jìn)行精度檢測，其中三維激光掃描點高程精度約為0.2米。將濾波分類后的歷史影像三維點云與成果激光掃描三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加對比分析，檢測其歷史影像獲取的三維點云數(shù)據(jù)整體精度，如圖4所示。

其中藍(lán)色的點表示歷史影像三維點云濾波分類后地面的點，綠色的表示激光掃描三維點云，從疊加分析剖面圖可以看出，激光掃描三維點云地面上的點與歷史影像三維點云地面點契合度比較好，基本上重合。同時根據(jù)歷史影像的三維點云數(shù)據(jù)與三維激光雷達(dá)掃描點云數(shù)據(jù)對比圖可以看出，地形地貌基本一致，只是地物有較大差別。這進(jìn)一步說明通過歷史地表獲取高精度地面數(shù)字高程模型是有效可行的。

2. 數(shù)字高程模型高程精度檢測

對歷史影像三維點云濾波分類后構(gòu)建數(shù)字高程模型（DEM），格網(wǎng)大小為0.5米，如文中圖3所示。對其高程模型絕對精度檢測方法采用GPS-RTK技術(shù)外業(yè)實地測量法。在研究范圍內(nèi)植被覆蓋率高的區(qū)域，實地獲取了30個高程檢查點三維坐標(biāo)，并計算了相應(yīng)點位的DEM高程精度誤差。根據(jù)檢查點對比統(tǒng)計如表2所示。

從表2中我們可以得出結(jié)論，外業(yè)實地檢測高程檢查點誤差在±0.8范圍內(nèi)。其中大部分檢查點精度優(yōu)于0.8米，根據(jù)中誤差公式計算可得高程檢查點平均中誤差為±0.58米。通過此方法改進(jìn)獲取高精度DEM技術(shù)流程，山區(qū)DEM精度較高且可靠，優(yōu)勢比較大。

表2 檢查點與DEM高程比較統(tǒng)計表 （單位：m）（部分）

四、高精度DEM在電力項目的應(yīng)用

高精度DEM可實現(xiàn)電力工程桿塔室內(nèi)精確定位，減少大量外業(yè)實地測量工作；可有效提高土石方工程量的計算精度，減少工程量及工程成本。

高精度DEM重點解決了電力工程項目中土地平整、道路、溝渠的土石方量計算問題；解決了電力工程土方量優(yōu)化調(diào)配問題；為電力工程項目的規(guī)劃設(shè)計和項目審查工作服務(wù)，以期對電力工程項目的土方量計算以及土方量調(diào)配等相關(guān)工作起到推動作用，促進(jìn)電力工程事業(yè)向著科學(xué)化、信息化的方向發(fā)展。

五、結(jié)束語

在當(dāng)前高度自動化攝影測量系統(tǒng)、密集匹配技術(shù)不斷進(jìn)步的過程中，通過現(xiàn)今先進(jìn)技術(shù)優(yōu)化路線，充分挖掘歷史航攝數(shù)據(jù)的價值，利用歷史地表航攝影像獲取高精度數(shù)字高程模型試驗成功，同時順利實現(xiàn)了高精度數(shù)字高程模型與現(xiàn)狀的三維影像地表植被分離技術(shù)，并在電網(wǎng)工程設(shè)計中得到了實際應(yīng)用，電網(wǎng)工程建設(shè)對高精度DEM與地表構(gòu)筑物高程獲取的需求得以滿足。在實際工程應(yīng)用中，筆者也發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域歷史航攝數(shù)據(jù)地貌與現(xiàn)狀有較大的差別，因此該方法還不能完全代替工程野外調(diào)繪測量，但這并不影響這種方法獲取高精度DEM在實際應(yīng)用中的現(xiàn)實意義。