1、基于遙感影像生成dem的質(zhì)量檢查摘要：數(shù)字高程模型（dem）是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)螢的環(huán)要產(chǎn)品之一，荇卷非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。dem數(shù)據(jù)質(zhì)螢的好壞，直接 影響dem應(yīng)用分析結(jié)果的可靠性及應(yīng)用門(mén)標(biāo)的ft正實(shí)現(xiàn)，針對(duì)用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)堂手段從遙感影像中提取的dem.詳細(xì)探討多種實(shí)用 的dem質(zhì)螢檢杏/法。實(shí)驗(yàn)證明，川提供的綜合檢杏方法能快逨、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并定位dem屮存在的問(wèn)題。一、引言數(shù)字高程模型簡(jiǎn)稱(chēng)dem，是區(qū)域地形表面簡(jiǎn)單 的、離散的數(shù)字表示模型，它巾規(guī)則水平間隔處地而 點(diǎn)的抽樣高程矩陣組成，一般以柵格數(shù)據(jù)的形式表 示。dem數(shù)據(jù)通過(guò)一定的算法，能轉(zhuǎn)換為等高線(xiàn) 圖、透視圖、3維立體景觀圖、坡度圖、斷面圖、暈渲

2、圖以及與其他數(shù)字產(chǎn)品復(fù)合形成各種專(zhuān)題圖產(chǎn)品。對(duì)dem數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì):k評(píng)估、質(zhì):k檢驗(yàn)和質(zhì):k控制 已成為測(cè)量數(shù)據(jù)處理的一個(gè)十分重要的研究方向和 基礎(chǔ)理論研究問(wèn)題之一。dem數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，直 接影響dem應(yīng)川分析結(jié)果的可靠性及應(yīng)川目標(biāo)的 真正實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)dem數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制是dem 可用性的保障。獲取dem的主要手段有多種：傳統(tǒng)的地面測(cè) 量法，基于數(shù)字線(xiàn)劃地圖的內(nèi)插法，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量 法，激光法，雷達(dá)法等。全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量法具有直觀 性強(qiáng)、可靠性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，因而它是經(jīng)常采用 的方法。本文研宄的就是采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)w:手段從 遙感影像中提取dem的質(zhì)s:檢查問(wèn)題。二、dem質(zhì)量檢查內(nèi)容不同的de

3、m生產(chǎn)工藝流程導(dǎo)致dem質(zhì)量檢查方法有很大差異，但dem的質(zhì)量檢杏均應(yīng)包栝 以下基本內(nèi)容1:1 .檢查dem原始的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；2 .檢查dem數(shù)據(jù)起止點(diǎn)米標(biāo)的正確性；3 .檢查dem原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量；4 .檢查dem高程值有效范圍區(qū)是否正確；5 .檢查生成dem的內(nèi)插模型；6 .檢查生成dem產(chǎn)品的質(zhì)量；7 .檢查dem元數(shù)據(jù)文件是否正確。這些內(nèi)容巾，對(duì)于dem原始的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、dem 數(shù)據(jù)起止點(diǎn)坐的正確性、dem高程值有效范圍區(qū) 的正確性、dem元數(shù)據(jù)文件的正確性等問(wèn)題的檢查 一般比較容易，而對(duì)dem原始數(shù)據(jù)的質(zhì):m:、生成 dem的內(nèi)插模型及生成dem產(chǎn)品的質(zhì)量檢查則 比較困難，也是比較關(guān)鍵。對(duì)

4、dem原始數(shù)據(jù)質(zhì)fi進(jìn)行檢查的實(shí)質(zhì)是檢查 數(shù)據(jù)中是否含有誤差（包括系統(tǒng)誤差、偶然誤差和粗 差）。對(duì)生成dem產(chǎn)品的質(zhì)量檢查主要是檢查 dem產(chǎn)品是否含有誤差、整體精度如何、是否準(zhǔn)確 反映地形等。對(duì)dem a插模型的檢查則要復(fù)雜一 些，從數(shù)學(xué)角度而言，可從逼近程度、外推能力、平滑 效果、惟一性、計(jì)算吋間等方面進(jìn)行比較檢查和評(píng) 價(jià)。但在實(shí)際應(yīng)川屮，無(wú)法對(duì)內(nèi)插模型的這些特性 進(jìn)行檢查。更為主要的是，實(shí)踐表明，影響dem精 度的主要因素取決于原始數(shù)據(jù)的質(zhì):k和顧及地形特 征與否，而與內(nèi)插并無(wú)明顯關(guān)系。三、dem質(zhì)量檢查方法dem質(zhì)量檢查一般有3種方法，即目視檢查 法、半自動(dòng)檢查法和自動(dòng)檢查法。1 .目

5、視檢查法主要是巾計(jì)算機(jī)生成dem數(shù)據(jù)的可視化形式，由人工迸行判斷與檢查。比如將dem按髙程 分層設(shè)色，與等高線(xiàn)和掃描影像疊加顯示或繪圖輸 出檢查，或?qū)em生成的3維暈渲圖與等高線(xiàn)疊 加檢杏，或用dem內(nèi)插與原始等高線(xiàn)相同等高距 的等商線(xiàn)進(jìn)行套合檢查，即所謂等商線(xiàn)回放法。也 可將dem生成的等高線(xiàn)與正射影像進(jìn)行疊加，目 視等高線(xiàn)是否有突變情況，或與地形圖比較。當(dāng)?shù)?貌形態(tài)、同名點(diǎn)（近似）高程差異較大時(shí)說(shuō)明可能有 問(wèn)題。（1）基于立體影像的dem檢查法 這是一種最基本的檢測(cè)方法。對(duì)dem的局部 檢查最簡(jiǎn)單有效的方法是恢復(fù)立體像對(duì)，將dem 格網(wǎng)點(diǎn)顯示至立體像對(duì)，通過(guò)立體觀察檢查格網(wǎng)點(diǎn) 和立體模型

6、的套合情況。目前，全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系 統(tǒng)均提供立體目視檢杏dem的功能。基本過(guò)程如 下：1 .依據(jù)像對(duì)的控制點(diǎn)確定顯示范圍；2 .選取落在范圍內(nèi)的格網(wǎng)點(diǎn)；3.將dem反算至立體像對(duì)并進(jìn)行顯示，如圖1。圖1 dem在立體像對(duì)中敁示(2) 分層設(shè)色顯示首先求出dem中高程的最大和最小值，然后 將高程分為10個(gè)等級(jí)，按高程由低到高每組賦予由 淺到深的顏色進(jìn)行顯示，如閣2所示。分色顯示可 從整體上反映地貌的變化趨勢(shì)，配合水平和垂直方 向的斷面圖顯示，對(duì)高程異常變化的地方有一定檢 查效果。(3) 3維方式檢查等高線(xiàn)可以是dem應(yīng)用的產(chǎn)物，利用opengl 3維顯示功能顯示dem數(shù)據(jù)，并將等高線(xiàn)疊加在 de

7、m上，這樣能清晰直觀地看到等高線(xiàn)和dem的 總貌與細(xì)部，便于川戶(hù)發(fā)現(xiàn)m題，如圖3所示。為適應(yīng)用戶(hù)從不同角度動(dòng)態(tài)觀察3維灰度圖和 等高線(xiàn)的需要，用opengl函數(shù)對(duì)生成的dem和 等高線(xiàn)進(jìn)行變挽，以實(shí)現(xiàn)對(duì)等高線(xiàn)進(jìn)行不同方位、不 同遠(yuǎn)近、不同角度和放大縮小的顯示。(4) 等高線(xiàn)檢查法等高線(xiàn)可以是dem應(yīng)用的產(chǎn)物，也可作為生 產(chǎn)dem的原始數(shù)據(jù)。dem和等高線(xiàn)是表示地貌 信息的不同產(chǎn)品，因此可用直觀的等高線(xiàn)來(lái)檢查 dem的質(zhì)量。用dem內(nèi)插的等高線(xiàn)與舊圖上的 等高線(xiàn)進(jìn)行套合檢查，或?qū)⒌雀呔€(xiàn)與立體模型套合 檢杏，也可把等高線(xiàn)與正射影像進(jìn)行疊加，目視檢杏 等高線(xiàn)是否有較大突變。(b)山頭點(diǎn)水平、垂直方向

8、斷而 圖2分色顯示113 dem等高線(xiàn)3維7/式檢杳2 .半自動(dòng)檢查法（交互式檢查）在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量及交互式攝影測(cè)量生產(chǎn)dem的方法中，使用左、右正射影像零立體對(duì)dem的檢測(cè)手段也屬于這類(lèi)方法。一般地，在較成熟的生產(chǎn)dem的軟件屮，這種人工交互法是很 多的。使用左、右正射影像零立體效果檢查數(shù)字正射影像產(chǎn)品的同時(shí)，也能說(shuō)明對(duì)應(yīng)dem的數(shù)據(jù)精度。根據(jù)原始左、右片影像和影像匹配提供的待杏dem,對(duì)由左、右片制作的兩個(gè)正射影像進(jìn)行匹配。若待査dem正確，且地面無(wú)高程障礙物（房屋、樹(shù)木和垂直斷裂），則這兩張正射像片應(yīng)構(gòu)成零立體，即其左右視差應(yīng)該為零。若有視差存在，則可能由于如下兩種原因：定向參數(shù)有錯(cuò)，從

9、而導(dǎo)致左右正射影像不一致，或利用正射影像對(duì)的再匹配過(guò)程本身有錯(cuò)；用以生成正射影像的dem有錯(cuò)。如果排除第-種可能，那么此吋在正射影像對(duì)上出現(xiàn)的視差就是dem錯(cuò)誤的直按反映。因此，采用基于立體正射影像對(duì)的零立體方法可以作為對(duì)僅僅利用正射影像的立體疊加進(jìn)行質(zhì)量控制過(guò)程的補(bǔ)充，以提高原始dem數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。3 .自動(dòng)檢查法（影像分析法）最常川的dem通常是一組用矩陣形式表示的高程數(shù)組，實(shí)際上為柵格數(shù)據(jù)。和其他柵格數(shù)據(jù)一樣，可用影像來(lái)表達(dá)和檢查dem商程誤差。用影像檢查dem的手段主要有兩種，即灰度和彩色影像。兩種方法均采用色彩對(duì)照表建立各高程值和灰度或彩色之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)dem的局部進(jìn)行詳

10、 細(xì)檢測(cè)，進(jìn)而計(jì)算出局部區(qū)域dem的誤差。實(shí)際上將dem作為影像吋，許多對(duì)影像的操作都可用于對(duì)dem的檢測(cè)。本文先用影像分析算法進(jìn)行粗差點(diǎn)初步檢杏，然后再用擬合法或影像相關(guān)法進(jìn)一步檢查。(1) 粗差點(diǎn)初步檢測(cè)格網(wǎng)dem數(shù)據(jù)在形式上類(lèi)似于柵格影像，dem數(shù)據(jù)屮的粗差點(diǎn)破壞了地形表面的連續(xù)性，與其周?chē)c(diǎn)形成較大高差甚至完全違背常識(shí)的高差，而這些秈差點(diǎn)類(lèi)似于影像屮的特征點(diǎn)。因此可采用數(shù)字影像中特征點(diǎn)檢測(cè)法來(lái)探測(cè)dem的粗差點(diǎn)5 o本文提出用各個(gè)方向單獨(dú)判斷的方法進(jìn)行檢測(cè)。1 .如果有相關(guān)的測(cè)區(qū)分析資料(分析資料信息可預(yù)先輸入)，就利用測(cè)區(qū)的相關(guān)分析資料，確定圖幅中火致的高程范圍。假設(shè)通過(guò)分析得出的圖

11、幅屮最大局程為zmax、最小局程為zmin,檢查時(shí)可將高程值在zmin - 5d z , zmax + 5d z 之外的格網(wǎng)點(diǎn)高程都作為粗差值(d z為基本等高距)。2 .由于地形起伏變化有一定的連續(xù)性，大部分情況下即使在陡崖、沖溝等斷裂地貌處，在某一方向上的變化仍是連續(xù)的。利用這一地形特 征，可分別求取待查點(diǎn)島程與周闈鄰近8個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)商程的較差 zi,i=1,2,8,邊界點(diǎn)只利用與其相鄰的點(diǎn)。當(dāng)較差在所有方向上都滿(mǎn)足azi > 2d z , i = 1, 2,，8時(shí)，將格網(wǎng)點(diǎn)定為粗差點(diǎn)。其他點(diǎn)利用下面的擬合法繼續(xù)檢測(cè)。(2) 擬合法檢查本文利用待檢査點(diǎn)周?chē)母駇點(diǎn)高程內(nèi)插出該點(diǎn)的擬合高程

12、，將待查格網(wǎng)點(diǎn)的高程和擬合高程相互進(jìn)行比較，當(dāng)較差大于一定值時(shí)，該點(diǎn)被定為懷疑點(diǎn)位。檢查所選擇內(nèi)插范圍為7 x 7,如圖4所示。對(duì)每一待查點(diǎn)先用距離加權(quán)法進(jìn)行初步判定，如有懷疑則進(jìn)一步用移動(dòng)曲面內(nèi)插法進(jìn)行檢查。圖4判別方向1 .距離加權(quán)法。考慮到方向因素對(duì)內(nèi)插點(diǎn)的 影響，分別在相對(duì)閃插點(diǎn)的8個(gè)方向域（圖4箭頭方 向）選取參考點(diǎn)，每個(gè)方向單獨(dú)p、j插求得擬合高程。 各方向高程內(nèi)插值由下式求出z i =wkziki 3wk式中，zik為鄰近格m點(diǎn)高程，wk 為權(quán)函數(shù)，wk 采用較有普遍性的計(jì)算方法wk = 1 . 0 / d2k設(shè)格網(wǎng)間距為1,則wk 的值在水平、垂直方向 巾近至遠(yuǎn)依次為：1, 1

13、4 ,19,而在對(duì)角方向依次為1218，118。當(dāng)內(nèi)插值、與檢查點(diǎn)高程較差在4個(gè)以上的方叫超過(guò)等尚距時(shí)作為待查點(diǎn)，進(jìn)行一步用移動(dòng) 曲面法來(lái)檢查。2 .移動(dòng)曲面法。以待查點(diǎn)周?chē)噜彽?4個(gè)格 網(wǎng)點(diǎn)，采川完整的二次曲面方程進(jìn)行擬合。相應(yīng)的 誤差方程為vi = ax2i+ bxiyi + cy2i+ dxi + eyi + f - zi格網(wǎng)點(diǎn)的權(quán)為pi = 1d2i如果內(nèi)插值與待查點(diǎn)高程值大于基本等高距，該點(diǎn)則定為懷疑點(diǎn)。保留p、j插值作為編輯或影像相 關(guān)檢查的基礎(chǔ)。（3）影像相關(guān)檢查利川垂直線(xiàn)軌跡法（vll）進(jìn)行影像相關(guān)檢查。按照立體像對(duì)同名像點(diǎn)的投影線(xiàn)相交的原理，在地 而格網(wǎng)點(diǎn)平而坐標(biāo)己給定的條

14、件下，與此地而點(diǎn)相 對(duì)應(yīng)的左右閣像的投影線(xiàn)一定相交于（x, 丫）點(diǎn)的 鉛垂線(xiàn)上。由于立體像對(duì)的內(nèi)外方位元素已知，利 川已知的格網(wǎng)點(diǎn)高程，可按共線(xiàn)條件方程式求左右 圖像上的像點(diǎn)（x，y），（ x1，y1）。如果z帶有一定誤差，所求像點(diǎn)并不是真正的同名點(diǎn)。z誤差越大 則像點(diǎn)相關(guān)性越差。通過(guò)求解相關(guān)系數(shù)，檢査格m 點(diǎn)高程是否正確。具體做法是采用相關(guān)測(cè)度為相關(guān) 系數(shù)，高程初始值為格網(wǎng)高程或擬合高程，高程變化 間距為1 / 4基本等高距。在z - 5d z，z + 5d z 范 圍內(nèi)求取最大相關(guān)系數(shù)點(diǎn)作為匹配結(jié)果。z為初始 局程，d z為等局距。圖5為利用上述方法進(jìn)行dem檢査的結(jié)果顯示。圖中綠色點(diǎn)代表檢查正確的點(diǎn)，黃色點(diǎn)代表懷 疑點(diǎn)，紅色點(diǎn)代表錯(cuò)誤點(diǎn)。5影像相關(guān)檢查