基于ADS80数码影像进行DEM数据更新的研究与应用

答星，单静，朱巧云，杨晓东

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

1 前言

随着“十二五”国家发展战略进程的展开，武汉市以实现国家“中心城市”为战略使命，将大力推进经济社会发展、两型社会建设和全市的信息化构建，因此完善基础地理信息的覆盖率，将为武汉市城乡统一规划管理提供切实有效的基础测绘保障。数字高程模型(Digital Elevation Mode，DEM)作为“4D”数字化测绘产品之一，是一系列地面点的坐标和高程值的数据集。它通过数据内插可以描述区域地貌形态的空间分布，广泛应用于派生等高线、坡度图等信息以及与DOM、DLG等基础数据源叠加进行地形展示或相关空间分析［1］。同时，DEM质量的好坏将直接影响DOM的成图质量和精度，当已知航摄影像的内外方位元素及该区域的DEM，便能根据中心投影的共线方程原理，对航摄影像进行数字微分纠正以获取DOM。本文以武汉市江夏区约300 km2DEM生产项目为例，利用ADS80三线阵传感器的数码相机影像，探讨利用MapMatrix系统进行DEM更新生产的方法和操作技巧。

2 DEM的采集方法比较

目前，DEM的数据采集方法主要包括以下三种:地形测量获取、航空摄影测量、利用LiDAR点云分类提取［2］。地形测量获取方法如用GPS、全站仪野外测量采集等，该方法外业强度大、效率低、成本高，且对于生产产品级别的DEM数据而言，明显高程点密度不足，精度质量欠佳。航空摄影测量方法即全数字摄影测量系统获取DEM，即能利用核线影像自动匹配生成DEM后再人工编辑，又能在立体环境下通过采集特征点线面后构TIN生成DEM，该方法效率较高，成本投入少，且能够满足产品级DEM的生产精度要求。利用LiDAR点云进行滤波分类提取DEM方法，其数据精度高、生产效率最快，但需要额外配置专业软件对海量点云数据进行滤波处理，由于三维点云数据在三维建模等领域应用较广，如仅从获取DEM产品角度而言，航摄成本相对较高。本文以航空摄影测量方法这种最常规的DEM数据采集或更新手段，借助MapMatrix数字摄影测量工作站在人工干预的情况下，实现半自动化生产。

3 项目情况简介及使用软件说明

本次DEM生产更新项目采用ADS80三阵列推扫数码航空摄影仪，该传感器集成了IMU/GPS系统，可以在少量地面控制点甚至无控制点的情况下进行空三解算。相较传统胶片相机和框幅式数码相机而言，ADS80采用POS(GPS/IMU)技术，能大大缩短外业相控、空三加密解算等人工干预时间，同时减少了相片扫描和拼接环节。以40 km×100 km计算(1∶2000成图比例尺)为例，胶片需要2500张，框幅式数码机约需12000张，而ADS80仅需26条航带，仅扫描和拼接一项就可节约工期30天左右。同时ADS80相机的12条CCD中，每条CCD为 12000像元，像元大小6.5 μm，通过选用前视(27°)、底视(0°)、后视(14°)的三组全色CCD影像中的任意两组，最大能形成41°交会角，可以获取接近 1∶1的基高比，从而有利于提高DEM 的采集精度［3，4］。

DEM立体编辑采用航天远景公司的MapMatrix系统，该系统是基于航空、卫星遥感、外业等数据进行多源空间信息综合处理的平台。它涵盖几个重要的模块，其中包括:ATMatrix空三加密模块，DEMMatrix高程模型处理模块、DOMMatrix正射影像处理模块、FeatureMatrix立体测编模块等。该软件能支持多种传感器影像，如:传统框幅式相机RC10、数码影像DMC/UCD、线阵传感器 ADS40/80、卫星传感器 IKONOS/QUICKBIRD 等［5］。其中DEMMatrix支持DEM数据的立体环境实时编辑，特别是使用量测出的特征点线面数据构TIN，来内插修整DEM格网点高程，通过实时显示设定间距的等高线，实现对复杂地形区域高效、高精度编辑。

4 DEM数据处理更新流程

根据城市基础地理信息系统技术规范(CJJ100－2004)，城市DEM数据的基本格网尺寸为5 m×5 m，采用5 km×5 km分幅存储，存储单元的起始点为整千米数。本次DEM生产更新项目将利用已有的武汉市江夏地区低精度的DEM，在立体环境下进行更新处理。由于摄影航飞设计为东西向铺设条带，因而将DEM原始数据做纵向分块处理，并设置10个格网间距的重叠区域，以便DEM数据的整体拼接和精度校验，具体分区结合表如图1所示。

图1 分区结合图

本项目所用的ADS80数码影像数据需先通过IPAS软件对空中IMU、GPS数据进行数据预处理，并解算得到飞机(相机)的位置和姿态数据。结合解得的定位定姿参数和GPRO软件，对原始L0级影像作定向定位纠正，得到WGS84坐标系统下的L1级影像［6］，然后利用MapMatrix系统完成本地坐标系统转换及恢复立体模型采集等工序。由于DEM可由多种数据格式存储，在对原始 DEM进行分块裁切后，需利用MapMatrix系统提供的DEM数据格式转换模块进行格式转换。本文将IMG格式存储的原始DEM数据转换到NSDTF－DEM国家标准空间数据格式，有利于编辑成果的二次转换。对有特征点线面数据的区域，可在立体编辑前，在DEMMatrix模块中局部构TIN后内插生成标准格网的DEM，通过与原始DEM进行叠加处理，提高DEM的更新效率。在切换到立体编辑环境后，可借助DEMMatrix模块提供的编辑工具，逐点检查DEM数据中格网点的高程精度，完成采集和更新工作。最后，对分区成果进行拼接处理，并利用检核点进行精度核查［3］。其具体技术流程如图2所示。

图2 技术流程图

5 更新过程中的经验总结

5.1 坐标投影转换

由于ADS80的L1级影像是在WGS84大地坐标系统下获取，因而在更新DEM数据前需要通过坐标系统转换得到1954年北京坐标系或地方独立坐标系的平面坐标，并利用大地水准面精化模型换算至1985国家高程［7］。笔者根据测区具体概况，利用武汉市测绘研究院已有的江夏区坐标转换七参数和武汉市城市似大地水准面精化(bin)文件，将坐标投影转换至所需坐标系下，通过测区内已有的像控点检核，模型定向精度满足测图要求。但当无七参数转换参数时，可以在MapMatrix系统输入控制点分别在WGS84和1954年北京坐标系统下同一组控制点数据，然后采用十二参数仿射拟合，计算出转换七参数。对于高程精度而言，笔者通过实验，当采用似大地水准面精化文件改正后，比单纯使用七参数转换后高程差约14 m，可见区域似大地水准面对DEM更新精度至关重要。

5.2 外部特征点线引入更新

由于ADS80采用“线中心投影”的推扫式成像原理，本身不是严格意义上的中心投影，因此整个影像不符合中心投影的规律，也就不存在核线，因此不能像普通框幅式核线影像匹配或基于物方匹配的方式生成DEM。虽然MapMatrix系统支持将ADS影像裁切成分段，使其近似中心投影成像方式，然后匹配生成分块的DEM，但其精度和质量难以保障。本文通过利用已有的特征点线文件(如测图数据、高程散点等)进行DEM更新，无疑能较大程度地提高更新效率。DEMMatrix软件支持导入三维DXF文件格式或在编辑界面里记录采集特征数据两种方式添加三维特征要素，通过框选一定区域，进行局部构TIN，再以量测点内插的方式修改DEM。但经笔者测试，该方法虽可以较好地控制内插高程点的精度，但处理区域不宜过大，如不超过0.5 km2。因而，笔者采用在FeatureMatrix模块中导入16 km2外部测图数据(三维DXF)进行大面积构TIN，然后再内插生成该区域的DEM，通过回写叠加到原始DEM中，最后在DEMMatrix软件中进行叠加区域的检查编辑，从而较好地解决了大量外部特征文件的利用问题。

5.3 特殊工具的使用

在数据更新过程中，因自然力或人为原因产生的地形激变，可利用特征点、线、面三种编辑模式配合，采用区域匹配或量测内插的局部函数内插方法修测地形变化区域。笔者通过生产经验总结，当激变地形复杂时，可以配合使用线和点编辑模式实时构TIN。当新增节点对已构三角网拟合地形有误时，可及时删除，然后利用“量测点内插”处理。如有部分粗差点存在，还可以通过“局部平滑”处理。利用“道路推平”工具只需采集中心线，并给出相应宽度，可高效处理铁路、等宽公路等地形修测。此外，利用“高程均值”或“指定高程”等工具能处理大面积水域中的误匹配现象。

6 成果精度

本项目利用武汉市测绘研究院多年积累的航摄像控点库以及外业RTK采集的高程检查散点，对DEM成果高程坐标值进行检核，保证每幅成图检查点不少于30个。利用求得高程坐标中误差［8］，经测算DEM成果精度优于5 m格网城市基础地理信息系统规范要求的平地0.7 m、丘陵1.7 m的中误差要求。

7 结语

本项目作业过程中结合ADS80数码影像的成像优势，利用了MapMatrix系统强大的多源空间信息处理能力，设计了一套DEM更新的具体生产流程，且成果通过了精度评定与质量检查。在加强中间环节的质量控制和提高生产效率方面，笔者总结了生产流程中的若干技术方法，旨在探索一条更加科学有效地利用ADS80数据进行DEM更新之路。

［1］许存玲，王伟丽，李菊绘.DEM和DOM生产的基本环节及质量控制［J］.测绘标准化，2010，26(1):34～36.

［2］赵红梅，王伟丽，许存玲.基于MapMatrix系统的西部1∶50000DEM的制作［J］.测绘标准化，2011，27(1):27～28.

［3］张剑华.ADS40数码航摄影像在DTM立体测图中的应用［J］.测绘与空间地理信息，2008(5):166～167.

［4］周军元，高凌，陈春华.ADS40数据处理方法［J］.地理空间信息，2011，9(5):39 ～40.

［5］航天远景公司.MapMatrix多源空间信息综合处理平台用户手册［Z］.2007.

［6］胡文元.基于ADS40的数字摄影测量生产体系研究与应用［J］.测绘通报，2009(1):37～39.

［7］王海涛，武吉军，冯聪军.徕卡ADS40/ADS80数字航空摄影测量系统［J］.测绘通报，2009(10):73～74.

［8］陈弘奕.ADS40数字航空摄影测量技术中坐标系统转换和大地水准面精化成果的应用研究［J］.测绘通报，2007(12):66～67.

［9］郭建东，屈明生，薛娟.DEM、DOM的生产和质量控制［J］.地矿测绘，2006，22(2):7 ～1.