基于遥感影像生成DEM的质量检.doc

基于遥感影像生成DEM的质量检查摘要：数字高程模型（DEM）是数字摄影测萤的環要产品之一，荇卷非常广泛的应用领域DEM数据质萤的好坏，直接 影响DEM应用分析结果的可靠性及应用门标的ft正实现，针对用数字摄影测堂手段从遥感影像中提取的DEM.详细探讨多种实用 的DEM质萤检杏//法实验证明，川提供的综合检杏方法能快逨、准确地发现并定位DEM中存在的问题一、 引言数字高程模型简称DEM，是区域地形表面简单 的、离散的数字表示模型，它巾规则水平间隔处地而 点的抽样高程矩阵组成，一般以栅格数据的形式表 示DEM数据通过一定的算法，能转换为等高线 图、透视图、3维立体景观图、坡度图、断面图、晕渲 图以及与其他数字产品复合形成各种专题图产品对DEM数据进行质:k评估、质:k检验和质:k控制 已成为测量数据处理的一个十分重要的研究方向和 基础理论研究问题之一DEM数据质量的好坏，直 接影响DEM应川分析结果的可靠性及应川目标的 真正实现，所以对DEM数据进行质量控制是DEM 可用性的保障获取DEM的主要手段有多种：传统的地面测 量法，基于数字线划地图的内插法，数字摄影测量 法，激光法，雷达法等全数字摄影测量法具有直观 性强、可靠性好、精度高等优点，因而它是经常采用 的方法。

本文研宄的就是采用数字摄影测W:手段从 遥感影像中提取DEM的质S:检查问题二、 DEM质量检查内容不同的DEM生产工艺流程导致DEM质量检查方法有很大差异，但DEM的质量检杏均应包栝 以下基本內容[1]:1 .检查DEM原始的数学基础；2 .检查DEM数据起止点米标的正确性；3 .检查DEM原始数据的质量；4 .检查DEM高程值有效范围区是否正确；5 .检查生成DEM的内插模型；6 .检查生成DEM产品的质量；7 .检查DEM元数据文件是否正确这些内容巾，对于DEM原始的数学基础、DEM 数据起止点坐•的正确性、DEM高程值有效范围区 的正确性、DEM元数据文件的正确性等问题的检查 一般比较容易，而对DEM原始数据的质:M:、生成 DEM的内插模型及生成DEM产品的质量检查则 比较困难，也是比较关键对DEM原始数据质fi进行检查的实质是检查 数据中是否含有误差（包括系统误差、偶然误差和粗 差）对生成DEM产品的质量检查主要是检查 DEM产品是否含有误差、整体精度如何、是否准确 反映地形等对DEM A插模型的检查则要复杂一 些，从数学角度而言，可从逼近程度、外推能力、平滑 效果、惟一性、计算吋间等方面进行比较检查和评 价。

但在实际应川中，无法对内插模型的这些特性 进行检查更为主要的是，实践表明，影响DEM精 度的主要因素取决于原始数据的质:k和顾及地形特 征与否，而与内插并无明显关系三、DEM质量检查方法DEM质量检查一般有3种方法，即目视检查 法、半自动检查法和自动检查法1 .目视检查法主要是巾计算机生成DEM数据的可视化形式，由人工迸行判断与检查比如将DEM按髙程 分层设色，与等高线和扫描影像叠加显示或绘图输 出检查，或将DEM生成的3维晕渲图与等高线叠 加检杏，或用DEM内插与原始等高线相同等高距 的等商线进行套合检查，即所谓等商线回放法也 可将DEM生成的等高线与正射影像进行叠加，目 视等高线是否有突变情况，或与地形图比较当地 貌形态、同名点（近似）高程差异较大时说明可能有 问题1）基于立体影像的DEM检查法 这是一种最基本的检测方法对DEM的局部 检查最简单有效的方法是恢复立体像对，将DEM 格网点显示至立体像对，通过立体观察检查格网点 和立体模型的套合情况目前，全数字摄影测量系 统均提供立体目视检杏DEM的功能基本过程如 下：1 .依据像对的控制点确定显示范围；2 .选取落在范围内的格网点；3.将DEM反算至立体像对并进行显示，如图1。

图1 DEM在立体像对中敁示(2) 分层设色显示首先求出DEM中高程的最大和最小值，然后 将高程分为10个等级，按高程由低到高每组赋予由 浅到深的颜色进行显示，如阁2所示分色显示可 从整体上反映地貌的变化趋势，配合水平和垂直方 向的断面图显示，对高程异常变化的地方有一定检 查效果3) 3维方式检查等高线可以是DEM应用的产物，利用OpenGL 3维显示功能显示DEM数据，并将等高线叠加在 DEM上，这样能清晰直观地看到等高线和DEM的 总貌与细部，便于川户发现M题，如图3所示为适应用户从不同角度动态观察3维灰度图和 等高线的需要，用OpenGL函数对生成的DEM和 等高线进行变挽，以实现对等高线进行不同方位、不 同远近、不同角度和放大缩小的显示4) 等高线检查法等高线可以是DEM应用的产物，也可作为生 产DEM的原始数据DEM和等高线是表示地貌 信息的不同产品，因此可用直观的等高线来检查 DEM的质量用DEM内插的等高线与旧图上的 等高线进行套合检查，或将等高线与立体模型套合 检杏，也可把等高线与正射影像进行叠加，目视检杏 等高线是否有较大突变b)山头点水平、垂直方向断而 图2分色显示1^13 DEM等高线3维7/式检杳2 .半自动检查法（交互式检查）在全数字摄影测量及交互式摄影测量生产DEM的方法中，使用左、右正射影像零立体对DEM的检测手段也属于这类方法。

一般地，在较成熟的生产DEM的软件中，这种人工交互法是很 多的使用左、右正射影像零立体效果检查数字正射影像产品的同时，也能说明对应DEM的数据精度根据原始左、右片影像和影像匹配提供的待杏DEM,对由左、右片制作的两个正射影像进行匹配若待査DEM正确，且地面无高程障碍物（房屋、树木和垂直断裂），则这两张正射像片应构成零立体，即其左右视差应该为零若有视差存在，则可能由于如下两种原因：①定向参数有错，从而导致左右正射影像不一致，或利用正射影像对的再匹配过程本身有错；②用以生成正射影像的DEM有错如果排除第-•种可能，那么此吋在正射影像对上出现的视差就是DEM错误的直按反映因此，采用基于立体正射影像对的零立体方法可以作为对仅仅利用正射影像的立体叠加进行质量控制过程的补充，以提高原始DEM数据的完整性和可靠性3 .自动检查法（影像分析法）最常川的DEM通常是一组用矩阵形式表示的高程数组，实际上为栅格数据和其他栅格数据一样，可用影像来表达和检查DEM商程误差用影像检查DEM的手段主要有两种，即灰度和彩色影像两种方法均采用色彩对照表建立各高程值和灰度或彩色之间的对应关系，对DEM的局部进行详 细检测，进而计算出局部区域DEM的误差。

实际上将DEM作为影像吋，许多对影像的操作都可用于对DEM的检测本文先用影像分析算法进行粗差点初步检杏，然后再用拟合法或影像相关法进一步检查1) 粗差点初步检测格网DEM数据在形式上类似于栅格影像，DEM数据中的粗差点破坏了地形表面的连续性，与其周围点形成较大高差甚至完全违背常识的高差，而这些籼差点类似于影像中的特征点因此可采用数字影像中特征点检测法来探测DEM的粗差点［5］ o本文提出用各个方向单独判断的方法进行检测1 .如果有相关的测区分析资料(分析资料信息可预先输入)，就利用测区的相关分析资料，确定图幅中火致的高程范围假设通过分析得出的图幅中最大局程为Zmax、最小局程为Zmin,检查时可将高程值在［Zmin - 5d Z , Zmax + 5d Z ］之外的格网点高程都作为粗差值(d Z为基本等高距)2 .由于地形起伏变化有一定的连续性，大部分情况下即使在陡崖、冲沟等断裂地貌处，在某一方向上的变化仍是连续的利用这一地形特 征，可分别求取待查点岛程与周闱邻近8个格网点商程的较差△ Zi,i=1,2, 8,边界点只利用与其相邻的点当较差在所有方向上都满足AZi > 2d z , i = 1, 2,…，8时，将格网点定为粗差点。

其他点利用下面的拟合法继续检测2) 拟合法检查本文利用待检査点周围的格M点高程内插出该点的拟合高程，将待查格网点的高程和拟合高程相互进行比较，当较差大于一定值时，该点被定为怀疑点位检查所选择内插范围为7 X 7,如图4所示对每一待查点先用距离加权法进行初步判定，如有怀疑则进一步用移动曲面内插法进行检查图4判别方向1 .距离加权法考虑到方向因素对内插点的 影响，分别在相对闪插点的8个方向域（图4箭头方 向）选取参考点，每个方向单独P、j插求得拟合高程 各方向高程内插值由下式求出Z i =WkZikI 3Wk式中，Zik为邻近格M点高程，Wk 为权函数，wk 采用较有普遍性的计算方法Wk = 1 . 0 / d2k设格网间距为1,则Wk 的值在水平、垂直方向 巾近至远依次为：1, 14 ,19,而在对角方向依次为1218，118当内插值、与检查点高程较差在4个以上的方叫超过等尚距时作为待查点，进行一步用移动 曲面法来检查2 .移动曲面法以待查点周围相邻的24个格 网点，采川完整的二次曲面方程进行拟合相应的 误差方程为vi = ax2i+ bxiyi + cy2i+ dxi + eyi + f - zi格网点的权为Pi = 1d2i如果内插值与待查点高程值大于基本等高距，该点则定为怀疑点。

保留P、j插值作为编辑或影像相 关检查的基础3）影像相关检查利川垂直线轨迹法（VLL）进行影像相关检查按照立体像对同名像点的投影线相交的原理，在地 而格网点平而坐标己给定的条件下，与此地而点相 对应的左右阁像的投影线一定相交于（X, 丫）点的 铅垂线上由于立体像对的内外方位元素已知，利 川已知的格网点高程，可按共线条件方程式求左右 图像上的像点（X，y）， （ X1，y1）如果Z带有一定误差，所求像点并不是真正的同名点Z误差越大 则像点相关性越差通过求解相关系数，检査格M 点高程是否正确具体做法是采用相关测度为相关 系数，高程初始值为格网高程或拟合高程，高程变化 间距为1 / 4基本等高距在［Z - 5d z，Z + 5d z ］范 围內求取最大相关系数点作为匹配结果Z为初始 局程，d z为等局距图5为利用上述方法进行DEM检査的结果显示图中绿色点代表检查正确的点，黄色点代表怀 疑点，红色点代表错误点5影像相关检查结果显示四、结束语对DEM数据进行质量检查是DEM生产中的 重要环节本文针对用数字摄影测量手段从遥感影 像巾提収的DEM，讨论了多种DEM质量检查方 法上述方法中，目视检查法作业量大，而且只能发 现那些较明显的粗差点；零立体正射影像检杏法用 于较特殊的场合，即必须有正射影像对。

自动检查 法效率高，可靠性较高，但对粗差点的定义值得进一 步讨论另外，自动检查得到的怀疑点位较多，需要 多种方法的综合使用，相互检验，才能得到令人满意 的结果。