ASTER立体像对提取的DEM及其精度评价

谢玉娟，刘 轩，贾守军

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

ASTER立体像对提取的DEM及其精度评价

谢玉娟，刘 轩，贾守军

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

以北京怀柔风景区ASTER影像立体像对为实验数据，借助ENVI软件提取了该区域的DEM，并采用抽样检查点法对提取的DEM进行了精度评价。评价结果表明：与1∶50 000实测地形图相比，提取的DEM吻合度高，地表覆盖物、山脉等特征均较为清晰；随着控制点个数的增加，DEM的高程精度虽有波动，但中误差和标准差在总体上呈下降趋势，精度可达到10.45 m；采用ASTER立体像对提取的DEM，虽然与实测DEM相比存在一些差异，但基本能满足中小比例尺地图制图的要求。

立体像对；ASTER影像；DEM；精度评价；怀柔风景区

随着遥感技术、光电技术、传感器技术的发展，卫星遥感影像正朝着高精度、多光谱、高分辨率的方向发展，因其具备稳定、成本低等优点，遥感数据正逐渐得到各行各业的重视。其中，数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)，是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。数字高程模型是地理空间信息基础设施的重要组成部分，在与地形相关的各个领域中均发挥重要的作用[1]。利用卫星影像立体像对进行立体量测得到DEM，大大缩短了DEM生产周期，提高生产效率，因而研究其生成方法及质量控制具有重要的意义。立体数据的获取包括航空遥感和星载遥感两种。基于立体像对提取高程信息精度与立体像对基高比相关，由于早期卫星遥感不具有侧视成像功能，相邻立体像对的基高比小，提取的高程信息不能满足精度需要，近年来发射的高分辨遥感卫星大都具有侧视成像能力，具备与航空立体像对接近的基高比，使星载遥感立体像对获取DEM成为可能[2]。

ASTER传感器覆盖了从可见光到热红外14个波段的波谱范围。其第三波段分辨率为15 m，同时具备朝向星下点和朝向后方传感器，可以同轨拍摄立体像对且基高比值大，非常有利于生成数字高程模型[3]。近年来，国内外学者利用ASTER立体像对建立DEM，对其精度评价及影响因素进行了大量研究。Tesfaye Haimanot Tarekegn 等[4]评价了一个由ASTER生成的洪水动力模型的精度。Daisaku Kawabata 等[5]采用人工神经网络并结合ASTER生成的DEM和地质数据，对Mid Niigata Prefecture 地震区域进行了滑坡敏感性分析。粱福源等[6]利用ASTER影像提取了广西大化地区高峰丛深洼地的喀斯特地貌DEM，并且将提取的DEM数据与该地区1∶50 000的地形图控制点高程进行了对比。王广杰等[7]对利用ASTER立体像对提取的青藏高原玛尔挡坝区的DEM进行了精度评价，在此基础上对误差的来源进行了分析。万雷等[8]比较了利用立体像对和InSAR技术，生成的东南极Grove山地区ASTER DEM和In SAR DEM的差异。

综合相关研究可以发现，ASTER图像数据可满足1∶50 000至1∶250 000之间的中比例尺度制图的需要，同时提取的地势较平坦地区的DEM精度较高。但对于减少影响提取的DEM不利因素及精度控制上，需要进一步的深入研究。本文结合北京怀柔风景区的ASTER遥感立体像对数据，结合ENVI软件提取DEM精度，并采用抽样检查点法对提取的DEM进行了精度评价，为相关研究提供参考与借鉴。

1 研究区域与实验数据

1.1 研究区域

本文选择北京怀柔风景区作为实验区，区域地理坐标为东经116°20′ 39″～116°34′ 6″、北纬40°25′ 31″～40°43′ 11″，区内地形有山区、平原和城区之分，其中山区海拔在800 m至1 000 m之间，地表覆盖类型为森林，城区地处平原地区，海拔在30 m至100 m之间，地表覆盖类型主要为森林和建筑。风景区主要包括神堂峪自然风景区、百泉山自然风景区、蒙三峪自然风景区、九眼楼自然风景区和响水湖自然风景区。收集该区域的WGS-84 椭球 UTM 投影等高线地形图，并利用地形图中高程控制点(精度为0.01 m)作为试验控制点，随机选取40个高程点作为检查点(精度为0.01 m)。

1.2 实验数据

本文所采用的ASTER影像数据时间为2014年6月8日，空间分辨率为15 m。后视点卫星影像太阳高度角为63.86°，太阳方位角为147.21°；星下点卫星影像太阳高度角为61.02°，太阳方位角为145.77°。同时收集了研究区1∶50 000地形图与DEM数据，其大地基准均为WGS-1984坐标系。

2 DEM提取

2.1 ASTER立体像对生成DEM原理

ASTER传感器通过推扫式成像，借助有理函数模型，在影像坐标与空间坐标之间建立直接关系。有理函数模型(Rational Function Model，RFM)，指将像点坐标(r，c)表示为以相应地面点空间(P，L，H)为自变量的多项式的比值。针对线阵影像特点，建立有理多项式模型为：

(1)

式中，NumL(P，L，H)，DenL(P，L，H)，NumS(P，L，H)，DenS(P，L，H)都是如下形式的多项式表示[9]：

X=a0+a1L+a2P+a3H+a4LP+a5LH+a6PH+a7L2+a8P2+a9H2+a10PLH+ a11L3+a12LP2+a13LH2+a14L2P+a15P3+a16PH2+a17L2H+a18P2H+a19H3

(2)

如果选取的立体像对中，不包含有理多项式系数信息，可以采用卫星星历进行计算。在已知立体像对左片和右片的RPC参数情况下，利用已知同名像对左右片的像平面坐标，依据前方交会原理，运用式(1)分别建立像对左右片像平面坐标和物方空间坐标列方程，求解3个未知数。根据上述方法，计算出对应点的物方空间坐标。

2.2 DEM数据处理流程

为得到地物点的位置，基于立体像对的测图包括立体像对的像对定向和绝对定向。相比传统航片测图，不需要进行内定向。获取 DEM 数据的一般处理流程见图1。

图1 DEM 数据的处理流程

由图1可知，DEM制作步骤主要包括以下6个步骤：

(1) 输入立体像对。一般左影像加载前视影。右影像加载后视影像(BWD影像为后视影像文件夹)。

(2) 定义地面控制点。主要有三种方式：不定义、交互式定义和读取控制点文件。本文选择不定义控制点，提取得到像对DEM的相对高程值，水平一般以WGS84基准面为基准。

(3) 定义连接点。

(4) 设定DEM提取参数。

(5) 输出DEM并检查结果。

(6) 编辑DEM。

2.3 提取结果

根据上述DEM数据处理流程，研究区域ASTER立体像对提取DEM与1∶50 000参考DEM，分别见图2。

图2 研究区域提取DEM与1∶50 000参考DEM

3 精度评价与分析

DEM提取精度受到自然条件因素、影像获取方式以及DEM提取方法等多方面因素影响，甚至在高山地区高程提取的误差来源于坡度、坡向、地形起伏度和剖面[10]。DEM提取的精度评价主要是对高程内插所产生的误差进行分析。将航空摄影生成的1∶50 000比例尺的DEM数据作为参考标准，采用检查点法对本文DEM提取实验的结果进行精度评价与分析。为了更加准确地评价DEM提取精度，将两份数据进行预处理，对其研究区域范围、数据储存格式以及DEM数据的分辨率进行统一。

使用抽样检查点法分析DEM提取精度研究中，关键是检查点的个数与采样方式。在实验DEM数据和参考DEM数据上，随机均匀采样40个同名特征点作为DEM提取实验结果的检查点。将检查点的相对高程转化为绝对高程并与参考DEM数据高程值进行对比，利用统计学的知识得出不同高程差范围内的检查点数，结果如图3所示。

图3 不同高程差范围内的检查点数 图4 检查点个数对DEM提取误差分析的影响

为验证提取DEM误差精度水平，选取中误差(RMSE)和标准误差(SD)两项指标对实验结果进行精度评价。依次选取实验结果5、10、15、20、25、30、35、40个检查点，分别计算不同检查点的中误差(RMSE)和标准误差(SD)，结果见图4。

随着检查点数的增加，DEM提取的精度明显提高。当检查点数增加为40时，DEM提取实验的精度仍在11 m以上，反映出提取DEM精度较高。

为了准确找出影响DEM提取实验精度的主要因素，将40个检查点按照参考DEM高程值从小到大依次排序，分别选取5、10、15、20、25、30、35、40个检查点，见表1。

表1 高程检查点分组

计算不同高程检查点分组的中误差(RMSE)和标准误差(SD)，结果见图5。

图5 高程对DEM提取实验精度影响

从图5可以看出，在高程较小的情况下，DEM提取的中误差为2 m，标准误差为1.5 m，DEM提取的精度很高。随着检查点数增加，平均高程的不断增加，地形起伏比较明显，DEM提取实验的精度显著降低，结合检查点个数对DEM提取精度评价的影响，分析表明在不同地形条件下，地形相对平坦的地区DEM提取的精度较高，地形相对陡峭的地区DEM提取的精度较低，总体上，DEM提取的精度可以达到10.45 m。

4 结论与讨论

利用ASTER影像立体像对是一种快速提取DEM的新途径。本文提取的北京怀柔风景区DEM效果良好，与1∶50 000实测地形图吻合度高，地表覆盖物、山脉等特征均较为清晰。采用抽样检查点法，对ASTER图像提取的研究区DEM精度评价的结果表明：随着控制点个数的增加，DEM的高程精度虽有波动，但中误差和标准差在总体上呈下降趋势，精度可达到10.45 m，且平原地区高程的精度明显高于山区。采用ASTER立体像对提取的DEM，虽然与实测DEM相比存在一些差异，但基本可以满足中小比例尺(1∶50 000)地图制图的要求。参考文献

[1] 李志林, 朱庆. 数字高程模型[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2003.

[2] 林征, 陈健飞. 基于ASTER立体像对提取广州地区数字高程模型[J]. 广州大学学报(自然科学版), 2008, 7(4):73-78.

[3] 沈强, 鄂栋臣, 周春霞. 利用ASTER立体像对提取Grove山地区相对DEM及精度分析[J]. 测绘通报, 2008(1): 22-25.

[4] Tesfaye H, Alemseged T, Tom R, etc. Assessment of an ASTER-generated DEM for 2D hydrodynamic flood modeling[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2010, 12(6)：457-465.

[5] Daisaku Kawabata , Joel Bandibas. Landslide susceptibility mapping using geological data, a DEM from ASTER imagesand an Artificial Neural Network[J]. Geomorphology, 2009, 113(1-2): 97-109.

[6] LIANG FU-Yuan，SHI Yu-ruo Z，George A.Brook. Mapping cockpit karst in from ASTER stereo images: Southern China DEM validation and accuracy assessment[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2011, 30 (2):233-239.

[7] 王广杰, 何政伟, 仇文侠, 等. ASTER立体像对提取玛尔挡坝区DEM及精度评价[J]. 测绘科学, 2009, 34(3):94-96.

[8] 万雷, 周春霞, 鄂栋臣. 基于光学立体和InSAR的Grove山地区DEM建立和分析[J]. 极地研究, 2015, 27(1):83-90.

[9] 魏晓红, 张路, 贺雪艳. 基于有理函数模型的星载SAR影像几何校正[J]. 遥感学报， 2012，12(6)：1089-1099.

[10] 顾留碗, 王春, 李鹏, 等. 利用DEM提取山顶点精度研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2016, 41(1): 131-135.

DEM extraction and accuracy evaluation based on aster stereo images

XIE Yu-juan, LIU Xuan, JIA Shou-jun

(SchoolofSurveyingandMappingandLandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454000，China)

Taking ASTER image stereo pairs of Huairou scenic spot in Beijing as experimental data, the DEM of the region was extracted with ENVI software, and the precision of the extracted DEM was evaluated by sampling checkpoint method. The evaluation results show that compared with the measured topographic maps of 1:50 000, the extracted DEM has high degree of coherence, and the characteristics of surface cover and mountain range are clear. With the increase of the number of control points, the elevation accuracy of DEM is fluctuating, but the mid error and standard deviation on the whole show a downward trend, and the accuracy can reach 10.45 M. Although the DEM extracted by ASTER stereo image has some differences compared with the measured DEM, it can basically meet the requirements of small scale cartography

stereo images; ASTER image; DEM; accuracy evaluation; Huairou Scenic Spot

2016-11-21

国家自然科学基金项目(41501363)

谢玉娟(1985—)，女，河南焦作人，硕士，助教。

1674-7046(2017)01-0088-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.016

P237

A