基于ADS80制作武汉市1∶10 000数字高程模型

2015-02-06郑凤娇覃雪梅

地理空间信息 2015年3期

关键词：高程精度自动

郑凤娇，王祥，覃雪梅，郑珊

（1.武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022）

基于ADS80制作武汉市1∶10 000数字高程模型

郑凤娇1，王祥1，覃雪梅1，郑珊1

（1.武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022）

介绍了利用ADS80推扫式数码航空影像生产武汉市1∶10 000 DEM的过程，并利用现有的数字线划图数据对其进行精度评定。检查结果表明，其精度均满足规范要求。

数字高程模型；航空影像；立体建模；影像匹配；精度评定

1 测区概况和技术要求

武汉市位于中国腹地中心，享有“九省通衢”之美誉。本次制作的武汉市数字高程模型（DEM）覆盖全市域，总面积达8 494 km2。结合实际需要，我院制作的DEM成图数学基础如下：

1）平面坐标系统：采用1954年北京坐标系，3°带高斯-克吕格投影，中央经线114°，带号为38。

2）高程基准：采用1985国家高程基准，其技术指标为：格网尺寸 5 m×5 m；图幅分幅采用梯形分幅，编号采用行列编号方法；成图比例尺为1∶10 000；数据存储格式为*.img

2 主要作业流程

本文主要使用Microstation V8及MAS系统、Inpho软件、ArcGIS9.3等进行DEM的制作，其主要作业流程包括：立体建模、影像自动匹配、特征数据采集、DTM接边、DEM制作、DEM编辑、DEM镶嵌与分幅等，具体流程如图1所示。

3 DTM数据采集

DTM数据采集是在空三加密成果的基础上进行的三维采集，采集的主要内容是特征点、线。随着现代测绘技术的发展以及影像数据质量的提高，使得DTM的快速自动获取成为可能。本测区地形包括一部分平丘地，大部分区域植被覆盖较低，为自动匹配提供了有利的地形、地貌条件。本测区DTM数据的采集方法有2种：一是由软件自动匹配获取数据，该方法是DTM数据采集的主要方法。经匹配试验，该测区自动匹配效果良好，在精度范围内，绝大部分地形、地貌均能得到较好的匹配。但由于影像自动匹配和滤波的局限性，对于地形较为复杂的地方，还需进行人工干预和修改。另一种方法是采用传统的在立体模型下人工采集必要的特征线，即对自动匹配不能反映地貌特征的地方需要补采特征数据。另外，考虑到测区范围外数据接边的问题，在自动匹配和人工采集DEM基础数据时，范围需外扩50 m。

图1 DEM制作的主要流程图

3.1 立体建模

本文采用直接导入空三成果的方法建立模型。即利用2套坐标系下的转换七参数直接导入摄影测量工作站，恢复立体模型。

3.2 影像自动匹配

本文引进国际上先进的Inpho软件[1,2]。根据本项目的地形特点，在项目开展前期，拟将测区分块进行高效的自动匹配，经过动态滤波生成原始DEM数据。但由于Inpho软件自动匹配的是数字表面模型DSM，包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型[3]，实际作业时，需叠合影像在立体模型下检查，对偏离地面的匹配点进行高程修正，使之切准地面；对于地表建筑物、树木等非地面高程点需进行人工干预，采集特征点、线，对匹配进行滤波。

3.3 特征数据采集

在自动匹配的基础上，在立体模型上进行全面检查，对自动匹配不能反映地貌特征的地方人工采集特征点、线以及水域线面等信息。采集时测标应切准地面进行三维坐标量测。特征点（如山头、洼地、鞍部、路叉、谷底、凹地等）高程采集精度应符合高程注记点的精度要求。特征线（如有一定高差的堤、堑、坎、斜坡及堤坝、沟渠等的上、下沿线）应满足制作DEM的数据需要。所有要素三维采集，特征点、线数据文件最终提交格式为dwg。

1）水域的采集：河流、水渠、池塘、水库等边线一般以坎上沿线绘出。对于面状静止水域，精确量测水位高程并锁定高程采集水涯线。

2）道路及其构筑物的采集：道路、构筑物等地物要素与周围地形高程差异较大时，需采集地形突变处的边界线，如路堤、路堑、陡坎等。各边界线应独立，不同边界线不应相交。

采集原则：比高大于1 m（山地大于1.5 m）且图上长度大于5 mm的需采集坎上沿线和坡底线。反之，图上长度小于5 mm且比高小于1 m或1.5 m的不采集断裂线。进行地物取舍时，要注意接边。路堤和路堑采集时，必须切准上边线和坡脚线，确保道路不扭曲。

3）断裂线的采集：应采集明显的地形特征线（如山脊线、山谷线、山脚线等），需使用静态方式采集以保证成图精度，不得采用Stream Line String命令。

4）冲沟、梯田坎的采集：高度大于1.5 m的应采集，采集时注意采集坎下线和冲沟底线。

3.4 DTM数据检查与修改

1）在立体模型下，检查明显的丢漏；检查采集要素是否合理连续；检查明显的DTM粗差(建筑物、桥梁、树木等非地表高程)；进行接边检查，看接边处是否有高程跳变的情况。

2）从前视图上，对三维数据中的“飞点”、“飞线”进行检查修改。

3）在立体模型下，生成曲线检查DEM基础数据的采集情况，务必在立体下消除平三角、高程叠加等不合理情况。同时检查采集数据的高程精度。

4）静止水体范围内的DEM基础数据高程值应一致，流动水域的DTM数据高程应自上而下平缓过渡，关系合理。

5）对于影像的不连续、被遮盖及阴影等区域，需检查匹配点是否切准地面。

6）建筑物、树林等位置，检查匹配点是否为地面点，而非物体表面上的点。

7）对于大范围平坦地区、沟渠、地形破碎区域，需检查匹配点和等视差曲线是否真实反映地形。

3.5 DTM数据接边

相邻DTM接边不应出现漏洞，接边处的高程应符合地形连续的总体特征。如果出现跳变，应在立体下检查是否符合地貌特征，不能随意进行平差修改。

4 DEM数据制作

4.1 数据预处理

在Inpho软件下输出经检查、修改后的只保留真实地面高程信息的DTM数据：软件自动匹配点（经人工干预后）数据输出为LAS格式，人工采集的特征线输出为dxf格式。

4.2 数据格式转换

根据作业要求，本项目需保存过程数据及最终DEM成果数据。其中，过程数据即特征点、线数据，软件直接输出为dwg格式的数据；DEM成果数据最终需要ERDAS 的img格式数据，因此需要将整理好的dwg数据制作为5 m间距的ArcGrid数据，该操作在ArcGIS软件下进行，最后由软件直接输出为img格式的DEM数据。具体做法如图2所示。

4.3 DEM制作过程

本文采用规则格网建立DEM模型来描述地面起伏状况，数据可反映真实地表特征。

首先，对三维采集数据（DGN格式）进行初步整理，检查飞点飞线，确认没问题后转成CAD的dwg格式。另外，因Inpho软件匹配输出的是LAS数据，且数据量较大，前期数据检查、处理和合并均在Global Mapper下进行。然后，在ArcGIS环境下生成Raster，并套合测区范围线进行自由边裁切。最后，利用我单位在ArcGIS平台上自主研发的DEM图幅裁切程序，进行批量分幅并自动转化输出为img格式。具体流程如图3所示。

图2 DEM制作数据格式转换

图3 DEM制作流程

5 相关技术

5.1 ADS80数字航空摄影技术

本项目使用ADS80新型航空摄影获取技术，缩短了航空摄影的周期，缩减了后续数据处理的繁琐程序。ADS80相机影像是以每条航线为单位，一条航线一幅影像。在一条航线范围内，航向不需要接边，影像成条带状。与传统胶片相比，航片覆盖面增加，大大减少了野外工作量，缩短了生产周期[4]；ADS80空三加密在大面积测区平差时效率较高，人工干预较少，只需观测有限的控制点，提高了工作效率。

5.2 影像自动匹配和人工干预技术

本区地形破碎、植被分散、水系多且杂，如按常规方法进行数据采集，历经时间长。因此，我们充分利用Inpho软件在自动匹配效率和滤波算法上的优势，进行全测区影像的快速自动匹配。

自动匹配生产DEM数据虽然效率高，但也有其局限性，如对植被覆盖度较高、阴影、沟底、峁坡等复杂地区的地貌，匹配和滤波效果还是不太理想。针对该种情况，我们通过综合分析滤波原理，反复进行人工采集特征断裂线辅助滤波实验，总结出不同地形断裂线的采集方法，最终以人工干预的方式解决了自动匹配在部分复杂地区滤波的局限性。

5.3 DEM批量分幅技术

目前市场上DEM分幅软件较多，如Geoway、Erdas、PCI、VirtuoZo、ArcGIS等软件都自带有分幅裁切工具，但多数需要大量的人工参与，可能还涉及到数据格式的重新转换，操作起来比较麻烦。

根据项目要求，本区DEM提交的是*.img格式的分幅数据，如果采用常规方法在现有软件的基础上进行半自动分幅，工作量相当大。因此，本项目在ArcGIS软件平台基础上开发了批量分幅DEM及多格式数据自动转换程序，成功实现了DEM数据的快速分幅和数据格式的无损转换。

5.4 元数据提取和索引图制作技术

目前元数据提取的方法和可用软件较多，但人工参入量较大，可能还涉及到几个软件间的互相转换。本测区元数据的属性项比较多，如按一般的方法提取，作业步骤较为繁琐，工作量也较大。因此，基于自身技术和软件环境上的优势，在Microstation软件下开发了metafv8.ma程序，实现了元数据的快速、自动提取；在FME软件下编制了模板，通过导入测区结合图、元数据MDB文件，很容易实现索引图的制作。

6 精度检测

DEM成果的精度用格网点的高程中误差表示，根据GB/T 18316-2008《数字测绘成果质量检查与验收》中对质量检查方法的规定，DEM精度的检测主要有参考数据对比、野外实测、内部检查等方法[5,6]。基于我院有丰富的地形图等现势强的数据资源，本次对DEM精度的检测采用参考数据对比，充分利用1∶ 2 000数字地形图上的高程点作为检查点，对DEM格网点位高程精度作较差检查。

参照CH/T9009.2-2010《基础地理信息数字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶ 50 000、1∶100 000数字高程模型》，DEM成果格网点高程中误差精度要求不大于表1规定。

表1 1∶10 000比例尺DEM精度指标[7]/m

依据GB/T24356-2009《测绘成果质量检查与验收》要求，按照不同的地形特征在平地、丘陵地中共抽取66幅DEM进行精度检测，在每幅DEM上根据具体的地形复杂情况选取20～25个检查点，且均匀分布在每幅DEM上。根据下式计算中误差，其中，检查点的高程为Zk（k=1，2，3，…，n）。在建立DEM后，由DEM内插出的这些点的高程为Rk，则DEM的精度为：