基于全球測圖項目的林地區(qū)域DSM 與DEM 數(shù)據(jù)制作流程優(yōu)化

潘進琦，茍衛(wèi)濤，翟 娜

（1.新疆地礦局第一地質(zhì)大隊，新疆昌吉 831100； 2.自然資源部第一航測遙感院，陜西西安 710054）

0 引言

全球測圖項目是基于全球區(qū)域，依托國產(chǎn)資源三號等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)構(gòu)建立體模型，利用專業(yè)的軟件設(shè)備，生產(chǎn)高精度的數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）及核心矢量要素的基礎(chǔ)測繪項目。項目啟動于2018 年，隨著技術(shù)的不斷進步和經(jīng)驗的積累，產(chǎn)品質(zhì)量的檢查要求也隨之細化，對于DSM、DEM 數(shù)據(jù)要求無植被覆蓋地表區(qū)域的高程數(shù)值嚴格保持一致。本文基于全球測圖項目，著重探討林地區(qū)域DSM、DEM 數(shù)據(jù)的制作處理，利用PhotoMap 等軟件進行交互式數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)快速高效地數(shù)據(jù)制作。

1 DSM數(shù)據(jù)制作資料

1.1 影像資料

由自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心統(tǒng)一提供資源三號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)及部分天繪衛(wèi)星立體衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。原始影像坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-84 坐標(biāo)系統(tǒng)。

1.2 SRTM數(shù)據(jù)

由美國航空航天局（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量的間距為30 m 的DEM 數(shù)據(jù)，在本項目應(yīng)用時應(yīng)進行重采樣處理，對云雪覆蓋區(qū)域和影像絕對漏洞區(qū)域的數(shù)據(jù)進行替補。

1.3 備查點

備查點數(shù)據(jù)采用txt 文件格式，以景為單位存儲，一個txt 文件中包括每個備查點的大地坐標(biāo)（經(jīng)度、緯度、大地高）。根據(jù)生產(chǎn)需要，轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)格式的檢測文件，用于DSM 成果質(zhì)量檢測。

1.4 匹配軟件

通常使用的DSM 匹配軟件有Pixel Factory、Pixel Grid、Inpho、Geoway CIPS 等軟件。各種軟件基于加密平差結(jié)算后的衛(wèi)星軌道模型RPC 參數(shù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，建立工程，根據(jù)不同的軟件，設(shè)置影像投影參數(shù)及DSM 間距等選項，由軟件進行DSM 數(shù)據(jù)的自動匹配計算，匹配完成后，轉(zhuǎn)換成通用的DSM 數(shù)據(jù)格式。

2 數(shù)據(jù)規(guī)格與技術(shù)指標(biāo)

2.1 數(shù)學(xué)基準(zhǔn)

平面坐標(biāo)系采用WGS-84 坐標(biāo)系，投影方式采用UTM 投影，6 度分帶，坐標(biāo)單位為m，小數(shù)點后至少保留2 位，不加帶號。高程基準(zhǔn)采用基于WGS-84 橢球面的大地高系統(tǒng)，坐標(biāo)單位為m，小數(shù)點后至少保留2 位。

2.2 數(shù)據(jù)格式

DSM 數(shù)據(jù)及DEM 數(shù)據(jù)以非壓縮的Image（*.img）格式進行數(shù)據(jù)組織與存儲。質(zhì)量檢測報告采用文本（*.txt）格式存儲。元數(shù)據(jù)采用Excel（*.xls）格式存儲。

2.3 格網(wǎng)間距

格網(wǎng)間距采用10 m，其在X、Y軸方向的分辨率保持一致。

3 技術(shù)路線

基于衛(wèi)星影像，利用影像處理系統(tǒng)，建立像對，通過多模型、多基線算法自動匹配獲取DSM，對云、雪及云影覆蓋區(qū)域、水域及其他異常匹配區(qū)域進行人機交互編輯，并完成接邊、鑲嵌、裁切等處理，填寫元數(shù)據(jù)，生產(chǎn)滿足本項目要求的DSM、DEM 產(chǎn)品。

3.1 DSM生產(chǎn)

3.1.1 DSM匹配

基于區(qū)域網(wǎng)平差優(yōu)化后的衛(wèi)星影像及定向參數(shù)，利用下視、前視、后視影像創(chuàng)建立體像對，開展密集點云匹配，生成單個立體像對的DSM，進行自動鑲嵌、濾波［1］、粗差剔除處理生成規(guī)則格網(wǎng)的DSM數(shù)據(jù)。

為了提高匹配精度，優(yōu)先采用三視匹配，如果三視匹配質(zhì)量不佳時，可以選用質(zhì)量好的兩視影像進行匹配。對于匹配效果不理想的區(qū)域，可通過多種方式和手段進行匹配驗證，尋找最優(yōu)的匹配方法。在地形高差特別大的山區(qū)和高山區(qū)，自動匹配的DSM 容易出現(xiàn)山頭消失、山谷達不到底的情況［2］，通過指定SRTM 等已有地形參考資料作為初始值，提高DSM 在山頭、山谷等地形急劇變化區(qū)域的精度。對于大面積影像紋理較弱的區(qū)域，可以通過影像增強、多軟件匹配、多視角匹配等方法，優(yōu)選效果最佳的匹配策略進行DSM 匹配。

3.1.2 DSM編輯

基于立體衛(wèi)星影像，在立體環(huán)境下消除自動匹配出現(xiàn)的錯誤區(qū)域，保證編輯后的DSM 要與立體模型套合，地貌暈渲狀態(tài)合理，不存在明顯的飛點、跳點等粗差。DSM 編輯采用平面編輯與人工立體編輯相結(jié)合的方式，在平面編輯環(huán)境下，參考DOM，通過高程值內(nèi)插方式生成等高線、動態(tài)暈渲等方法發(fā)現(xiàn)自動匹配造成的錯誤，并通過自動濾波、人工交互編輯等方法進行改正；人工立體編輯采用全數(shù)字立體測圖軟件基于平差優(yōu)化后的RPC 參數(shù)恢復(fù)立體模型，疊加DSM 進行編輯，以改正平面編輯環(huán)境無法改正的錯誤［3］。

3.2 DEM編輯

在DSM 數(shù)據(jù)編輯成果的基礎(chǔ)上，重點對林地及人工建筑物、構(gòu)筑物參考周圍地形特征進行降高處理，使編輯后的DEM 數(shù)據(jù)能真實反映實際的地貌特征。對于無植被覆蓋地表區(qū)域DSM 數(shù)據(jù)，要使其與DEM 數(shù)據(jù)保持高程數(shù)值上的一致。針對破碎地貌的DEM 生產(chǎn)，原則上寬度大于100 m 的山脊和山谷，經(jīng)編輯后DEM 必須保持實際山脊、山谷等地形特征且滿足精度要求；寬度小于100 m 的按破碎微地貌處理，只需體現(xiàn)整體起伏的地形形態(tài)特征。

4 DSM、DEM作業(yè)流程的優(yōu)化

通過實踐發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)流程先制作DSM，再制作DEM 數(shù)據(jù)，其在林地區(qū)域存在以下問題：

1）對于林地和無植被覆蓋地表犬牙交錯的區(qū)域，作業(yè)時需要放大影像倍率采集，才能精確采集林地范圍。若林地邊界采集有誤，則導(dǎo)致無植被覆蓋地表范圍DSM 與DEM 數(shù)據(jù)不能在高程數(shù)值上保持一致，主要工作量集中在精確圈定林地范圍上，導(dǎo)致效率低下。

2）DSM 編輯時，為保證林地區(qū)域的特征，僅對粗差和匹配錯誤的區(qū)域進行處理，對無植被覆蓋區(qū)域，需要精確圈定作業(yè)范圍進行局部濾波處理，因而效率較低。DEM 數(shù)據(jù)編輯時可以根據(jù)生產(chǎn)需要，進行大范圍的整體濾波處理，以消除粗差，效率較高。

經(jīng)過總結(jié)分析，基于影像解譯技術(shù)，利用軟件精確地對影像進行地物分類，精準(zhǔn)提取、獲取林地與無植被覆蓋地表的范圍線，就能減少人工采集林地邊界的工作量，從而達到提高效率的目的。

本項目可以先做DEM 數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行整體濾波消除粗差，重點保證平地區(qū)域高程精度滿足限差要求。然后對林地數(shù)據(jù)進行立體降高處理，制作合格的DEM 數(shù)據(jù)，利用軟件提取的林地范圍線，將原始匹配DSM 數(shù)據(jù)中的林地區(qū)域數(shù)據(jù)和編輯后成果DEM 數(shù)據(jù)中的無植被覆蓋區(qū)域數(shù)據(jù)進行融合處理，就得到成果DSM 數(shù)據(jù)。這樣既保留了原來DSM 匹配數(shù)據(jù)的特征，又在無植被覆蓋地表區(qū)域與DEM 數(shù)據(jù)高程數(shù)值保持完全一致，從而提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率。

4.1 基于Photoshop邊界的提取

經(jīng)過反復(fù)嘗試，使用Ecognition（易康）等影像分類軟件效果均不理想。我們總結(jié)了基于Photoshop 軟件自動對影像分類的方法，簡單易操作，效果比較理想。用Photoshop 打開影像數(shù)據(jù)，林地區(qū)域的影像像素的RGB 值約在（146，167，148），無植被覆蓋地表像素的RGB 值約在（201，200，199）。利用Photoshop 的色彩范圍選擇功能，在影像上選取林地的取樣顏色，程序自動根據(jù)設(shè)置的顏色容差范圍，將相似的圖斑自動選擇就近合并，并生成選擇范圍線，從而達到按像素值對影像進行分類的目的。若影像紋理較模糊，可以通過調(diào)整影像對比度，增加影像反差值的方法對影像進行預(yù)處理，利于軟件按范圍線進行提取。若生成的范圍線太過精細，生成的細小范圍較多，可以將選區(qū)先外擴10 個像素，之后再收縮8 個像素，可以有效地消除一些較短的線及小圈。

Photoshop 軟件根據(jù)不同的取樣顏色生成不同的選擇范圍。然后將底圖模式轉(zhuǎn)換為索引顏色，把植被覆蓋區(qū)域的范圍填充成黑色，然后利用反選功能將其他區(qū)域（無植被覆蓋地表區(qū)域）填充成白色，將分類結(jié)果保存為TIF 格式的數(shù)據(jù)。利用ArcGIS軟件將二值圖轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，如圖1 所示。

圖1 矢量轉(zhuǎn)煥后的提取邊界數(shù)據(jù)

接著將矢量數(shù)據(jù)參考DOM 數(shù)據(jù)進行編輯處理，使其能夠精確地將林地與無植被覆蓋地表區(qū)分出來。

4.2 DEM數(shù)據(jù)及DSM數(shù)據(jù)的處理

1）DEM 數(shù)據(jù)的編輯處理。

首先需要備份好初始匹配的DSM 數(shù)據(jù)，按照設(shè)計書要求，對DEM 數(shù)據(jù)進行編輯處理，包括水域的處理及粗差的消除。

2）DSM 數(shù)據(jù)處理。

基于PhotoMap 軟件，可以利用其基于已有范圍線批量替補的功能，實現(xiàn)DSM 初始匹配數(shù)據(jù)和成果DEM 的融合處理，以便生成DSM 數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)作業(yè)中，若替補范圍比較小，替換速度及結(jié)果尚可，但遇到較大范圍的數(shù)據(jù)替補，會出現(xiàn)死機情況，無法進行替換。經(jīng)過試驗分析，本項目提出制作掩膜數(shù)據(jù)的作業(yè)思路。

3）掩膜數(shù)據(jù)的制作。

利用編輯好的矢量邊界數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 軟件將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，將林地數(shù)據(jù)的高程值設(shè)為5000（根據(jù)經(jīng)驗及作業(yè)區(qū)域的高程情況設(shè)置為一個不會出現(xiàn)的高程數(shù)字），無植被覆蓋地表高程設(shè)置為-99 999（無效高程值區(qū)域）。需要對掩膜柵格數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)取整，使其起始點坐標(biāo)數(shù)值為DEM格網(wǎng)間距的整數(shù)倍，后期進行拼接處理時才不會出錯，掩膜數(shù)據(jù)的范圍要大于作業(yè)范圍才能保證圖幅邊沿數(shù)據(jù)的正確。

4）過程DSM 數(shù)據(jù)處理。

基于PhotoMap 軟件，將DEM 數(shù)據(jù)和掩膜數(shù)據(jù)進行拼接，拼接時重疊區(qū)域選擇取極大值的方法，這樣就得到新的DSM 過程數(shù)據(jù)。在無植被覆蓋地表區(qū)域和DEM 保持一致，林地區(qū)域統(tǒng)一高程值為5000，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為文本格式的數(shù)據(jù)，用文本編輯器將5000 替換為-99 999，這樣處理后的過程DSM 數(shù)據(jù)就是剔除林地區(qū)域數(shù)據(jù)僅保留無植被覆蓋地表區(qū)域的DEM 數(shù)據(jù)。

5）成果DSM 數(shù)據(jù)處理。

將過程DSM 數(shù)據(jù)和初始DSM 數(shù)據(jù)進行拼接，作業(yè)中先選擇過程DSM 數(shù)據(jù)，然后選擇初始DSM數(shù)據(jù)，利用PhotoMap 軟件的填補空隙功能，將初始DSM 數(shù)據(jù)的林地區(qū)域數(shù)據(jù)替換到過程DSM 數(shù)據(jù)的林地區(qū)域，即實現(xiàn)成果DSM 的制作，如圖2、圖3 所示。圖2、圖3 所展示的區(qū)域為1∶50 000 比例尺成果數(shù)據(jù)的局部截圖。

圖2 DEM 成果數(shù)據(jù)

圖3 DSM 成果數(shù)據(jù)

通過DOM 疊加DSM 和DEM 生成的曲線，清楚地發(fā)現(xiàn)同名地物無植被覆蓋區(qū)域等高線的形態(tài)及趨勢完全一致，從而說明其高程值完全一致，實現(xiàn)了無植被覆蓋區(qū)域高程值相同的目的。

6）成果質(zhì)量檢查。

利用前期轉(zhuǎn)換好的備查點對DSM 數(shù)據(jù)精度進行檢查，備查點數(shù)據(jù)來源于衛(wèi)星影像空三加密時自動匹配的特征點，經(jīng)過空三加密后，獲得其三維坐標(biāo)，用于檢測DSM 數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)精度。

對同名影像區(qū)域利用DSM、DEM 數(shù)據(jù)做高程數(shù)據(jù)差值，人工重點核查無植被覆蓋區(qū)域高程數(shù)值是否一致，對高程差值大于40 m 的數(shù)據(jù)區(qū)域，在立體上進行確認修改。立體無誤后，利用暈渲圖的方式進行圖面檢查，不應(yīng)出現(xiàn)硬折等暈渲異常情況。利用程序進行裁切坐標(biāo)、接邊差、投影方式、水域置平等檢查項，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

5 結(jié)語

在全球測圖項目的DSM 和DEM 產(chǎn)品制作中，基于生產(chǎn)實踐，總結(jié)出的技巧應(yīng)用于測繪項目的生產(chǎn)中，提高了作業(yè)效率，縮短了工期，為以后的類似項目提供了寶貴的參考依據(jù)。隨著科技的進步，以后會有更高效的方法進行DSM 與DEM 數(shù)據(jù)的生產(chǎn)處理。