基于高分7號衛星立體像對的DEM提取及其精度評定

鄒 馨, 劉 健, 張 杰, 陳曉勇

(1.東華理工大學測繪工程學院，330013，南昌；2.中國科學院空天信息創新研究院，100094，北京)

0 引言

數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)作為測繪科學的數字化產品，廣泛應用于各個領域。DEM實現了區域地形表面的數字化表達，是對二維地理空間上具有連續變化特征地理現象通過有限的地形高程數據實現對地形曲面的數字化模擬[1-2]。建立DEM的方法有很多種，除了傳統的航空攝影測量外，生成DEM的途徑還有通過野外測量或者從現有地形圖上采集高程點或者等高線內插生成DEM；通過雷達技術獲取DEM等方法。

近年來隨著立體衛星的發展，通過衛星影像立體像對可以快速地獲取大范圍的DEM數據。牛云璞等基于IRS-P5立體影像數據來提取DEM，證明了基于IRS-P5衛星影像提取DEM可以滿足一些水利工程規劃和設計階段的需要[3]。丁輝等利用IKONOS立體像對提取翠華山地區的DEM，采用高精度GPS儀野外采集控制點，對RPC模型進行修正，結果表明DEM精度明顯提高，DEM和正射影像均滿足1:5 000比例尺地形圖和遙感平面制圖要求[4]。王秋玲等利用ZY-3立體像對，在無地面控制點情況下DEM精度在20 m以內，在有控情況下滿足山區地形1:50 000 DEM測繪的精度要求[5]。陶蘭花等分別采用PCI GXL軟件和INPHO軟件對GF-7立體像對進行數字表面模型生產實驗，結果表明這2款軟件生產的產品精度均達到了平地1:10 000數字表面模型精度要求，但是并未討論在有控制點和無控制點情況下DEM的提取精度[6]。胡柳茹等采用高分7號衛星獲取的多源遙感數據進行平面和高程精度優化，結果表明利用激光測高數據經過中值模型和線性模型明顯提升DSM高程精度，利用足印影像可改善DOM的平面精度[7]。

高分衛星作為遙感衛星的代表，影像含有豐富大量有效的信息，其中高分7號衛星是我國首顆民用亞米級高分辨率的立體測繪衛星，搭載了前、后視2臺高分辨率遙感相機分別從前、后2個方向對地面同一景物進行不同角度的觀測[8]。本文以龍巖市為研究區域，基于高分7號立體像對進行DEM的提取。

1 高分7號影像概況

高分7號衛星(簡稱GF-7)，是高分專項工程中的重要衛星之一，是推動空間地理信息化的主要力量，正在對中國測繪產業的發展產生深遠影響[9]。高分7號影像，數據質量不僅穩定且可靠，且其立體測繪有利于減小大高差地區的遮擋，后視影像可以制作良好的正射影像。全色相機的前視分辨率優于0.8 m，后視分辨率優于0.65 m。多光譜相機有藍、綠、紅、近紅外4個波段，分辨率優于為2.6 m[10]。該衛星為自然資源的管理提供了良好服務，在高精度立體測繪、調查資源等方面提供了自然資源現狀數據、立體影像數據和輔助數據。并且在各個領域發揮著重要的作用，服務于1:10 000比例尺全國基礎地理信息測繪產品，進一步提高了自主高分衛星對自然資源主體業務的支撐服務能力。表1為高分7號衛星的主要參數。

表1 高分7號衛星參數

龍巖市地勢東高西低，北高南低，全市山區居多，同時有丘陵和平原，全市平均海拔652 m，具有一定的代表性。因此本文所使用的影像是福建省龍巖市的2021年2月高分7號立體像對，為1對2景GF-7立體全色影像，經度范圍為116.916°～117.189°，緯度范圍為24.990°～25.259°，產品級別為1A級影像(經過預處理的輻射校正產品)，云量為5%，太陽高度角為46°。2幅影像的覆蓋范圍如圖1所示，從圖1中可見立體像對的重疊度較高，前后視重疊度約為96%，大部分為山區，其中影像的左上部分由于有云存在遮擋，總體來說，影像質量良好，特征點明顯可以進行DEM提取實驗。

圖1 GF-7衛星立體像對

2 基于立體像對的DEM提取的原理與方法

立體像對是指按照人造立體效應的原理，從攝影基線兩端攝取的具有重疊影像的一對像片，一般像片的重疊度大于60%，其目的是為了增強解譯。在攝影測量中，要構成立體模型則必須從不同方位拍攝同一地物的2張像片[11]。

立體像對的DEM提取方法及過程：利用處于不同位置的兩個傳感器對地面上同一個點拍攝，形成一個夾角，當確定了天空中傳感器的位置之后，夾角越小說明拍攝的地物點越低，反之，夾角越大地物就越高[12]。當地面所有點的高程值解算出后，就得到了數字地面模型。其原理如圖2所示。

3 DEM提取流程

立體像對提取DEM技術路線如圖3所示，主要包括讀取前視和后視影像，選擇是否定義控制點以及定義控制點的個數，在立體像對中選擇同名點的連接點，生成核線影像，提取DEM等步驟。

圖2 基于立體像對提取DEM原理示意圖

圖3 基于立體像對提取DEM技術路線

3.1 輸入立體像對

在ENVI軟件主界面下，讀取高分七號衛星影像信息，如圖4所示。

圖4 前視影像(左)和后視影像(右)

3.2 定義地面控制點

本文的地面控制點均為實地野外測量，基于JSCORS網絡RTK技術施測，控制點的布設方式采取區域網布點法進行布設，控制點的選擇和布設不僅和布設方案有關，還要考慮誤差改正等對控制點的具體點位要求，所以控制點點位選取應遵循分布均勻、特征明顯、易于判別、交通便利、便于測量等原則。由于部分地方難以測量，所以控制點布設在平地以及交通便利的山上。

高分7號影像提供了RPC參數文件來解算傳感器模型，本文在不定義控制點、1個地面控制點、5個地面控制點這3種情況下提取DEM。在無控的情況下得到的DEM是相對高程，即以衛星地勢面為基準。在有控的情況下得到的DEM是絕對高程。本文選擇的1個控制點和5個控制點在影像上的分布如圖5所示。

圖5 1個控制點分布(左)和5個控制點分布(右)

3.3 連接點提取與匹配

通過連接點建立立體像對之間的關系，先進行連接點的自動提取，對連接點進行編輯，再進行連接點的匹配。本文中連接點的自動提取采用基于區域灰度匹配法自動尋找重疊區的連接點，連接點數目初始設置為100個。在立體像對(帶有粗略地理坐標)2個圖像上找到一個同名點，尋找地形特征匹配的小區域。通過手工交互編輯保證每個連接點匹配的準確性，只有當最大Y方向視差的值小于10時，才可以利用連接點計算生成核線圖。編輯完成后Y方向視差如圖6所示，連接點分布如圖7所示。

圖6 Y方向視差改正前后值

圖7 連接點選擇結果

3.4 核線影像的生成

生成核線影像，將二維的相關問題變成一維的相關問題。在水平像片上建立規則格網，它的行就是核線。把提取的同名點和輸入的控制點代入共線投影方程式：

(1)

求出相關參數，式中(xt，yt，zt)為物方，(x，y)為像方坐標，對于水平相片yt為常數，利用求出的參數將影像轉換成核線影像，轉換后像素灰度值采用雙線性內插的辦法重采樣。ENVI得到的前后視核線影像如圖8所示。

圖8 前視(左)和后視(右)核線影像

4 DEM提取結果及精度評價

4.1 DEM提取結果

設置提取DEM的相關參數，得到了在無控制點、1個控制點、5個控制點情況下生成的DEM，如圖9所示。

(a)無控 (b)1控 (c)5控

4.2 DEM精度評定

高程信息作為DEM中主要的價值體現，DEM精度非常重要，在DEM精度評價中，高程誤差的評價是最重要的方面。DEM的精度與地形因素、控制點的數量、精度、同名點的個數等因素有著很大的關系。因此，在DEM提取完成后，要對提取的DEM的精度進行評價，即DEM精度評定。DEM精度評定主要有2種方式，分別為對DEM的平面精度和高程精度一起評定、對DEM的平面精度和高程精度分開評定。本文對DEM提取的高程精度進行評價分析。

目前，評定DEM精度評定的主要方法有檢查點法、等高線法、剖面法以及影像分析法對DEM進行精度評價[13]。由于實地測量了影像部分區域內的高程值，故本文采用檢查點法進行DEM精度評定。

檢查點法指將檢查點隨機分布在影像上，對生成的DEM在檢查點上取值進行DEM提取值與DEM真值進行比較，得到各個檢查點的提取高程值與實際高程值的誤差表。本文基于實地測量的控制點，抽取部分控制點進行DEM高程精度評定。導入實地測量的控制點到提取的DEM中，通過ENVI中的Geographic Link得到控制點處的高程值，提取的DEM對應的高程值、高程值與真實值之間的差值見表2。

表2 檢查點與DEM提取高程對比/m

根據表2中可見提取的DEM高程與真實高程，及在無控制點和有控制點的情況下提取高程值與真實值之間的差值。在無控制點情況下，GF-7立體像對生成的高程最大誤差為21.4 m，最小誤差為7.2 m；在1個控制點情況下，GF-7立體像對生成的高程最大誤差為5.2 m，最小誤差為0.018 m近似為0；在5個控制點情況下，GF-7立體像對生成的高程最大誤差為6.9 m，最小誤差為0.2 m。根據表2得到不同控制點個數下，檢查點真實高程與提取高程值圖(圖10)、檢查點高程誤差圖(圖11)。

圖10 GF-7 DEM檢查點真實高程與提取高程值

圖11 檢查點高程誤差

根據公式計算表中的中誤差。

(2)

式中：Hi為實地測量的DEM真值，Zi為基于高分7號影像提取DEM的高程值，n為控制點的個數。

從表2中可知一共有18個檢查點，根據均方誤差公式，分別計算無控制點、1個控制點、5個控制點情況下的高程中誤差。RMSE分別為14.6 m、2.4 m、2.6 m。在有控制點情況下，立體像對提取DEM的誤差滿足地形1:10 000 DEM的精度[14]。

5 結束語

本文利用GF-7立體像對福建龍巖地區提取DEM，在無控制點和有控制點的情況下，基于同一立體像對、相同的連接點進行DEM的提取，并對其進行精度評定。通過DEM精度評定發現，在無控制點的情況下，DEM的中誤差為14.6 m；在有控的情況下DEM高程精度比無控情況下精度明顯高，中誤差降到2.4 m；隨著控制點個數增加，高程精度變化不大。在有控的情況下DEM精度比無控情況下精度高。在有控制點的情況下，DEM高程精度可達到山地地區1:10 000的精度要求。

產生DEM誤差的原因可能有以下幾點：1)檢查點的選取與分布對DEM評定有一定的影響。在山體等高程起伏較大的地方，連接點布設應該按照山體的起伏情況進行相應的改變；2)選擇一個控制點進行DEM提取時，部分檢查點的高程值不減反增，這是因為起伏較大，該控制點在平地，導致提取的DEM值與真實值相差較大；當在高山處和平地處增加控制點后，DEM提取效果比1個控制點時提取效果好，誤差基本上在4 m以內。