基于航天远景MapMatrix的DEM制作研究

DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.32.001

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基于航天远景MapMatrix的DEM制作研究

张新雯

(福建省测绘院航测遥感分院 福建福州 350003)

摘 要:MapMatrix是基于卫星遥感、航空、外业等数据进行多源空间信息综合处理的平台。该文总结了ADS80数码影像在MapMatrix下进行某市1∶2000DEM数据生产流程,探讨DEM快速生成的方法,成果通过精度评定与质量检查,确实可靠,具有良好可行的运用前景。

关键词:MapMatrix DEM 航天远景 ADS80中图分类号:TD672文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2016)11(b)-0001-03某市1∶2000DEM以东西向铺设条带,采用ADS80数码影像数据,经IPAS软件对空中IMU、GPS数据进行数据预处理,解算出飞机(相机)的位置和姿态数据。结合解得的定位定姿参数和GPRO软件,对原始L0级影像作定向定位纠正,得到WGS84坐标系统下的L1级影像。利用MapMatrix系统完成本地坐标系统转换及恢复立体模型采集等工序,使用量测得出的特征点、线构TIN及影像匹配多种方式,生成区域DEM。

相较传统胶片相机和框幅式数码相机而言,ADS80可直接得到影像的外方位元素,大大缩短外业相控、空三加密解算等人工干预时间;并同时获取同一地面的前视(27°)、中视(2°)及后视(14°)3个高分辨率无缝连续重叠的地面立体影像条带,大大减少了相片扫描和拼接环节。根据空间前方交会得到的高程精度公式 MzGSD/(kb/f),提高高程精度的因素有3点:提高基高比b/f,提高像点坐标的量测精度(k),提高GSD地面分辨率。

ADS80通过更小的传感像元,降低航飞高度,形成0.87的基

.com.cn. All Rights Reserved.1.1 ADS80工作原理

ADS80是徕卡公司于2008年在ADS40基础上开发的多线阵CCD成像技术机载线阵摄影系统,其集成的POS系统(GPS/IMU)可在少量地面控制点甚至无控制点情况下进行空三解算。

1 基于ADS80影像下的数据采集高比(B/H=tan41°)获得较高的高程精度,弥补了以往框幅式像对的立体采集中高程精度不足的缺陷,其整体性能使数字摄影测量立体采集工作更为简捷精确。

1.2 基于MapMatrix的ADS80立体测图原理

MapMatrix是基于卫星遥感、航空、外业等数据进行多源空间信息综合处理的平台。其涵盖几个重要的模块:ATMatrix空三加密模块、DEMMatrix高程模型处理模块、DOMMatrix正射影像处理模块、FeatureMatrix立体测编模块。利用MapMatrix进行ADS80影像的建模过程相较框幅式相机而言相对简化,无需进行内定向、相对定向、绝对定向及核线重采样等工序。用户在该系统中可由原始影像出发,由相机参数文件(*.cam)、影像头文件(*.sup)、金字塔影像(*.tif)、姿态定向参数(*.odf)生成立体模型,经过特征点、线采编及基于影像的自动匹配,最终生成处理后的DEM产品。

2 DEM的制作方法及技术

2.1 DEM多种制作方法及技术

DEM的数据采集方法主要包括3种:地形测量获取、航空摄影测量、利用LiDAR点云分类提取。地形测量获取方法如用GPS、全站仪野外测量采集等,该方法外业强度大、效率低、成本高,且对于生产产品级别的DEM数据而言,明显高程点密度不足,精度质量欠佳。航空摄影测量方法即全数字摄影测量系统获取DEM,能利用核线影像自动匹配生成DEM后再人工编辑,又能在立体环境

图1 DEM较差及各图幅中误差分布情况

下通过采集特征点线面后构TIN生成DEM。该方法效率较高,成

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本投入少,且能够满足产品级DEM的生产精度要求。利用LiDAR点云进行滤波分类提取DEM,其数据精度高、生产效率最快,但需要额外配置专业软件对海量点云数据进行滤波处理。由于三维点云数据在三维建模等领域应用较广,如仅从获取DEM产品角度而言,航摄成本相对较高。

利用全数字摄影测量方式进行DEM制作又可以分为基于TIN直接内插DEM和物方相关原理生成DEM两种。TIN的创建,主要依据于基础数据的采集,即由矢量数据转换成的特征点、线,按照物方DEM间隔规定内插规则正方形格网DEM,得到DEM数据。利用物方相关原理生成DEM需进行影像相关处理,进行影像匹配后MapMatrix系统自动生成DTM,但对于大比例尺(特别平坦地区),由于匹配点大量在树木和建筑物上,由此自动生成的像方DEM效果很差,往往需要进行大量人工干预,在生成像方DEM后逐块编辑,最终生成基于物方的DEM。2.2 基于MapMatrix的DEM具体制作方法

数据采集是DEM生成的关键问题。数据点太稀会降低DEM的精度;数据点过密,又会增大数据量、处理的工作量和存储量。因而在DEM数据采集之前,需要按照成果的精度要求确定合理的取样密度,并在DEM数据采集过程中根据地形复杂程度动态调整采样点密度。

该市地势平坦,现代化程度高,区域房屋密集,高架及桥梁交

通设施发达,如采用影像匹配自动生成DTM,由于房屋、树木,高

架众多,自动匹配结果将混乱,因此在此次DEM生产中采用特征点、线,直接创建物方DEM,可大大减少编辑工作量。对于地貌交待清晰、易于表现的区域,可采用线编辑模式,选择缺省线属性对能表达地形变化区域进行立体采集。特征线具有单一立体效果,不遮盖影像,能对地形细腻表示,检查出各种小粗差。对于地貌凌乱、无法清晰表达的区域,可采用点编辑模式。根据CJJ100-2004的规定,城市DEM数据的基本格网尺寸应为5m×5m,利用MapMatrix中FeatureOne立体采集模块设置自动采集高程点选项,以水平方向为行,顺序从上至下,以垂直方向为列,顺序从左至右,每隔5m自动跳转至下个格网,量测高程点。该方法操作简单易行,但工作量较大,一般作为杂乱区域描述较好,步距及断面线上点的间隔都可根据地形的复杂程度而改变。具体要素采集遵循如下原则。

(1)水域:对于静止水面,测量水位高程并按此高程采集水岸线,整个水域范围据此高程构建平三角形,并按此高程对DEM格网赋值。双线河流水岸线的高程应依据上下游水位进行分段内插赋值,DEM高程值应自上而下平缓过渡,并且与周围地形高程之间的关系正确、合理。(2)森林区域:在林区,DEM测量的是树顶表面,在生成DEM格网时应减去平均树高获取地面高程。(3)特殊区域:山头、凹地或垭口等处应内插高程特征点,狭长而缓坡的沟谷或山脊应内插特征线,避免出现不合理的平三角形;陡岩、斜坡、双线冲沟等地貌应合理反映地形特征。(4)空白区域:空白区域是

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指数据源出现局部中断等原因无法获取高程的区域,位于空白区域的格网高程值赋予-9999。2.3 基于MapMatrix的DEM编辑

DEM点应切准地面,等高线真实地反映地貌形态。为提高效率,在MapMatrix中一般采用面编辑的方式,使用系统提供的平滑、内插、拟合、定值及平均高程赋值等算法,逐块编辑;对于道路等线状要素也可以采用线编辑方式进行操作。2.4 DEM接边

像对间DEM设置10个格网间距的重叠区域用于接边。系统自动对重叠区域内的格网点进行高程较差的统计分析,在2～3倍高程接边误差的点位应控制在4%以内,不得出现3倍以上中误差的点。一旦发现需进行修测,符合限差要求后应进行像对DEM接边,取平均数作为重叠区域内的数据值。

3 DEM的质量控制

DEM质量的最终检查是根据野外高程点的平面坐标。在已建立的DEM中内插出检测点位置的高程,利用航摄像控点库以及外业RTK采集的高程检查散点;在ArcGIS软件中,检查内插等高程点与原始高程点之间的偏离量是否在规定范围内;相邻存储单元的DEM数据应平滑衔接;对于水域需检查静止水域内的DEM格网点高程是否保持一致,流动水域上下游DEM格网点高程是否呈梯度下降;并对高程较差进行统计分析。对较差较大部分需返回到立体模型上进行上机检查,实时观察生成的DEM点位是否切准地面。如果DEM与地面模型的高程差在2倍中误差以上,则需进行重测。

DEM成果精度用格网点的高程中误差Mz表示:

Mvvzzn1式中,v为高程较差;n为检测点个数。根据城市基础地理信息系统技术规范要求(CJJ100-2004),城市DEM数据的基本格网尺寸为5m×5m,采用5km×5km分幅存储,精度等级为二级。据此规定,平地、丘陵、山地、高山地格网点高程中误差分别为:0.7m、1.7m、3.3m、6.7m。高大林木覆盖区、高层建筑阴影遮盖区等困难区域的平面和高程中误差可放宽50%。DEM高程值应取位至0.1m。

DEM的质量检查还需进行数据文件及数据完备性检查。数据文件检查包括DEM数据文件命名、数据格式、数据分幅、数据格网尺寸是否符合要求;数据完备性检查包括检查DEM数据覆盖范围有无不满幅、数据有无遗漏等问题,相邻存储单元之间数据完整,不得出现漏洞,DEM数据应覆盖整个区域范围,接边范围数据应有一定的重叠。

4 实验数据

该项目利用其他项目单位同源DLG数据外业高程检查散点,对DEM成果高程坐标值进行检核。该次核查初次抽查10幅图,共

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索星空的希望寄托在空间激光通信技术上,西方国家也在加大空间激光通信技术应用于卫星上的研究力度。空间激光通信研究人员经过多年的努力,收到了不错的成果。在ESA和NASA(美国国家航空航天局)未来的深空探测计划中,激光通信将成为深空探测活动的主要通信方式。

传统量子通信的变革研究的技术逐渐成熟,正在快速向实用化、加密化迈进。将卫星光通信与量子光通信相结合,进行卫星光通信中的量子密钥分发是卫星光通信保密技术一个新的发展方向。2.3 光子集成化升级

空间激光通信光子技术包括:一是光纤光学,二是集成光学,三是微光子学。光子技术具有以下特点和优点:一是损耗较小,二是协议透明,三是抗干扰性强,四是不诱导电磁干扰,五是重量小,六是体积小,七是柔韧性好,八是无互相耦合。空间激光通信光子技术特别适合应用于航天环境中;1990年,美国经过实验证明光子技术确实可以应用于航天器中;2002年,研发部门加大了研究光子技术的资金量,研究的内容为:一是通信链路,二是模数转换,三是频率转换,四是本振生成,五是光束形成网络,六是传感,七是成像光纤;2009年,西方国家发射出的卫星上就设置了光子器件。如今,空间激光通信光子技术正朝着光子PCB的方向发展,空间激光通信技术标准也在不断提高。2.4 天基网络的一体化演变

空间激光通信技术发展的最终目标是实现全球数据覆盖,与地面形成网络链路。在空间激光通信技术的研究初期,研究人员把更多的精力放在空间激光通信链路的研究和实验上。2000年后,研究人员开始加大天基网络一体化演变的研究力度。如今,空间激光通信研究人员提出了天基混合网络结构,并对天基网络的

3 结语

从实际空间激光通信环境来看,光强度对通信系统的影响比较大,而且会受到噪音的干扰,直接探测体制无法满足空间激光通信系统的运行需求,敏感度较低。2004年,经过多位科学家的研究实验,量子远距离的传输通信实现了,透过地面大气量子通信可以依旧保持纠缠特性。如今,光子技术正朝着光子PCB的方向发展,空间激光通信技术标准也在不断提高。空间激光通信技术发展的最终目标是实现全球数据覆盖,与地面形成网络链路。但是,我国的天基网络一体化演变还处在理论研究阶段,还未真正实践,还有很多空间激光通信技术问题亟需解决。截止到目前为止,我国科学家对于空间激光通信的研究已经创造了新的历史。

参考文献

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.com.cn. All Rights Reserved.性能和所带来的经济效益做出了研究分析。但是,我国的天基网

络一体化演变还处在理论研究阶段,还未真正实践,还有很多空间激光通信技术问题亟需解决。2.5 空间激光通信向深空迈进

人们一直想更加深入地了解星空,国外发达国家自20世纪90年代初期便开始了以激光通信作为深空探测通信方式的相关研究。近几年人们对天空的探索热潮一直不退。如今,研究人员把探

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核查点2269个,符合精度的点为98.5%。利用公式求得高程坐标中误差,经测算DEM成果精度优于5m格网城市基础地理信息系统规范要求的平地0.7m,高大林木覆盖区、高层建筑阴影遮盖区等困难地区最大不超过1m,丘陵1.7m的中误差要求。DEM较差及各图幅中误差分布情况如图2所示。

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5 结语

该文总结了ADS80数码影像在MapMatrix下进行某市1∶2000DEM数据生产流程,探讨DEM快速生成的方法,成果通过精度评定与质量检查,确实可靠,具有良好可行的运用前景。

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