提取地貌信息DEM必不可少卫星遥感立体像

1 引 言
　　截至到20世纪末，全球仍有20％地形起伏在200m以上的地区没有1：5万或更高精度的地形图。有超过1/3的可居住区不具备90m水平分辨率和30m垂直分辨率或更高精度的DEM。其中许多是位于热带亚、热带和地震、火山活动强烈的板块边缘。1999年9月搭载有ASTER传感器的Terra卫星发射和随后的2000年2月SRTM（Shuttle Radar Topography Mapping Mission）计划的成功执行，是遥感地貌信息获取的一个重要里程碑，它们可以生成覆盖全球陆地的中等分辨率的DEM（～30m），这将非常有利于全球的地学研究工作的开展[1]。

2 遥感DEM的精度
2.1立体像对提取DEM的精度
　　一些学者在不同的地形地区，采用不同的控制点数量，使用多种的立体像对，考虑不同处理方法和软件的差异，来进行DEM提取和的精度评定的研究。如ASTER数据在的平坦农业区和地表裸露地区垂直精度10m,丘陵地带为15～20m[2][3], 山区的精度20～30m之间[2,4], 有森林覆盖的坡地可以达到30～50m[2]。在理想条件下Spot5立体像对生成的DEM精度可以达到平面15～16m，高程6～7m[5]。
　　地面控制点（GCP，Ground Control Point）在立体像对提取DEM的过程中起到关键的作用，对于SPOT5卫星HPS立体像对的直接对地定位模型，利用国内外3个地区的立webgis体像对进行的实验结果表明，无控制对地绝对定位的结果具有明显的系统误差。只需加入一个控制点，则平面和高程精度迅速提高到1Om以内。采用一个控制点外推580km时，平面定位精度仍优于2Om，高程定位精度约10m，增加控制点的数量对改善定位精度的效果并不明显。总体上三维控制点一般从几个到几十个不等，控制点越多生成的DEM精度越高，但一般不应少于5个[6,7]。

2.2 ASTER立体像对生成的标准DEM产品
　　美日联合数据工作组确定了的ASTER 提取的DEM产品的标准。相对DEM是参考本景内的最低点，不需要GCP，仅通过卫星星历数据来计算外方位元素[8]，提取的DEM精度范围为10～30m，ASTER的科学数据处理中心(SDPS，Science Data Processing Segment)采用Level 1A 数据每天生成30景DEM。绝对DEM的精度根据GCP的提供情况而定，精度在7～50m之间[9]。
　　Stevens[10]研究表明从ASTER立体像对上提取的DEM在水系和地貌分析GPS论坛的应用上要明显优于从地形图上数字化而来的DEM。同时从多时相ASTER像对上提取的DEM可以修订因地貌改变而精度降低的SRTM数据，尤其是在侵蚀严重的高山和经常泛滥的河谷区[11]。

3 提取DEM的意义

　　ASTER星载卫星数据中心可以生成全球的DEM，这似乎解决了所有DEM信息获取上的问题，但在DEM的应用上仍存在着很大的问题：
　　（1）ASTER的幅宽只有60km和有计划的全球信息获取任务只占拍摄总量的8％，这制约了东西向流域完整的无云覆盖的影像（DEM）的获取；
　　（2）生产DEM数量有限，产量每天动态变化，一般仅是拍摄影像的数量的10％；
　　（3）生成的DEM产品精度有一定损失，ASTER的影像分辨率为15m，而DEM标准产品只有30m。
　　（4）定购标准立体像对提取的DEM需要额外的经费，并且定购周期长，坐标系统固定不便在当地使用；
　　（5）只能整景处理，对地面控制的点数量和分布要求高。
　　（6）ASTER已经超过了七年的设计寿命，有随时停止运转的可能。可供替代的立体像对商业卫星遥感平台还有SPOT、IKNONOS、Quickbird和Cartosat等。
　　所以如果掌握了立体像对获取DEM技术可以，可以不变应百变，方便、灵活、及时的获取DEM。

4 由ASTER立体像对提取DEM

4.1 ASTER提取DEM过程
立体像对获取DEM的原理简易阐述是：在天空两点（P1和P2）拍摄地面同一点A时形成一∠P1AP2夹角，当P1和P2空间位置确定后，该角度越大地物点越高，反之，角度越小地物越低。将地面所有点的高程解算后就得到了数字地面模型。

图1 使用ASTER数据提取DEM流程

　　像对DEM获取方法有主要两种：一种是通过GCP和影像上对应的像素来计算卫星的外方位元素（卫星姿态），通过像对间的匹配点（TP，Tie Point）配准影像，然后进行后方交汇计算每个地面点的高程；另一种是外方位元素的从卫星的星历中解算，其它步骤同1，此方法要求具有精确的卫星星历，而且生成的DEM为相对高程。本文中采用第一种方法。GCP可以通过三种途经获取：1）采用GPS、全站仪等地面测绘仪器获取；2）在部分地形图上采集控制点；3）在影像上采集X、Y平面坐标，在与影像坐标匹配精度较高的DEM上采集相应坐标的高程Z值。第3种方式方便快捷，本文从1：10万的地形上获取GCP的三维坐标。
　　本文数据处理采用了由Atlantis公司开发的PCI图像处理套件的OrthoEngine模块，该软件从7．0版开始即支持ASTER立体像对的DEM提取，后续版本在该功能方面做了不断的改善。本文还试用了ASTER－DTM软件，一种基于ENVI的全自动ASTER DEM提取软件，其无需用户指定任何参数即可自动运行。除此之外，ERDAS软件公司推出的OrthoBase模块也可以进行DEM提取。以上三种软件虽操作上存在差异，但是基本的处理步骤是一致的。使用ASTER立体像对进行DEM提取的基本步骤如图1所示。首先从ASTER HDF文件中提取垂视(3N)和后视(3B)图像，然后定义输出DEM 的投影方式和分辨率、控制点的投影方式。图2为本文研究核心试验区的垂视和后视图像，从后视图像明显比垂视图像存在拉伸畸变效应。立体像对的影像必须配准到相同的地面区域，这一步是通过在两幅图像中选择同名点的TP点(仅包含在图像中的相对行列值)，TP的选取要求在整个工作区中均匀分布。因为后视图像成像时与垂直成像存在很大的畸变，所以点位的选取尤其在图像的水平方向即与卫星飞行路径垂直的方向要求密集和均匀一些，这样可以尽可能地纠正图像的畸变。根据研究区域复杂程度和所取子区的大小不同，约束点的数量要求也不同，但是为了后续的多项式拟合需要，一般最少需要9个点[12]。为了使得到的DEM具有地理参考信息，还要在图像中选取已知大地坐标和高程信息的GCP来对卫星的外方位元素进行结算，及DEM进行地学校正，一般要求至少选择4个点[13，14]。将影像中部偏左地区的1:10万地形图作为GCP的数据源，共获取了15个GCP，此外根据相对地物明显程度匹配了25个TP（图3）。

　　当图像配准至相同的地面区域以后，任何沿轨道方向的位置差异就认为是由于视差引起的，而视差来源于地形起伏。这样，每个像元的视差可以通过使用三角关系和卫星轨道数据(星历、轨道位置、高度和姿态等)转换为相对的(无GCP)或绝对(有GCP)高程信息。
 

图2 试验区局部ASTER垂视(左)和后视(右)图像(降轨飞行，后视图像由南向北拍摄，
存在水平拉伸效应，如河道大拐弯处的山峰和崩塌堆积体)

图3 15个GCP（红色）集中在有1：10万地形图的中部（黑色矩形区）
和25TP（蓝色）均匀分布在影像的四周

4.2 提取精度分析
　　图4为生成的DEM，由图可见其质量与GCP分布的具有很强的相关性，GCP所在范围及其附近的地区生成的DEM完整光滑，距GCP越远DEM质量越差，并且出现无值的“孔洞”，同时受高差变化的影响，高差变化显著的东北地区未能生成有效高程的面积较大，而距GCP区距离相同的东南部地区，地形平坦生成的DEM质量较高。这是因为距GCP远，两幅影像不能精确配准，高差大后视成像存在着较大的叠掩和阴影效应。
　　在生成的有效DEM地区，随机选取20个检验点，其中10个在GCP范围内，10个均匀分布在GCP范围外。采用1：5万比例尺地形图生成的DEM相应点作参考。 在GCP范围内高程误差为±20.4m，GCP范围外高程误差为±48.2m，平均误差是±34.3m，超过4000米以上4个点的误差达到±69m。这从定量上也说明，在一定的GCP数量下，GCP的分布和研究区的地形是影响的DEM质量的主要因素。
　　为进一步比较，在DEM的A－Aˊ线段位置沿水平方向做地形剖面与相应位置1:5万DEM的剖面进行比较，结果如图5所示, 两种地形剖面的总体形态非常一致，但地形图DEM过渡更平滑，ASTER－DEM地面细节信息更丰富而且明显，如，江河谷所在位置，地形图DEM剖面上是平底“U”型，而ASTER－DEM是尖底的“V”型。这因为地形图DEM是通过等高线生成而来，受等高线高程间距的限制，因此过渡平滑，细小且变化剧烈的地貌信息不能充分表达，而ASTER立体相对以15m的平面分辨率来构建DEM，自然能更充分细致的描述地貌的变化。另外，增加TP的数量可以在有限范围内改善DEM的质量，但改善效果并不明显。

图5 图4中A—Aˊ位置的1：5万DEM剖面图（左）和ASTER相对提取的DEM剖面（右）

5 结论与展望

　　综上所述，考虑到对GCP质量要求不高（本文在的1：10万地形图上提取）可以在小区域选取GCP控制点，大范围外推生成DEM，具有很强的实用性，而且采用常规的技术手段和普通的商业软件就可处理。这说明从ASTER立体相对提取DEM是稳定可靠的，方法简单易行。对于在地形资料缺乏的地区地学研究有很强的实用性。
　　对于工程应用要使用高分辨率和高精度的外方位角元素的立体像对，如Qiukbird、IKNOS，它们在实验中已经能够生成1：2000比例尺精度的地形图，这一精度的DEM是工程建设中最主要的地形资料，它已经能够满足大多数工程建设的需求。而且新一带卫星的分辨率在0.5m以上，卫星轨道参数也更加的稳定和精确，生成DEM的精度预期会有大的提高，达到1：1000比例尺甚至更高也是指日可待。