基于高分7号卫星立体像对的DEM提取及其精度评定

邹 馨, 刘 健, 张 杰, 陈晓勇

(1.东华理工大学测绘工程学院，330013，南昌；2.中国科学院空天信息创新研究院，100094，北京)

0 引言

数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)作为测绘科学的数字化产品，广泛应用于各个领域。DEM实现了区域地形表面的数字化表达，是对二维地理空间上具有连续变化特征地理现象通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟[1-2]。建立DEM的方法有很多种，除了传统的航空摄影测量外，生成DEM的途径还有通过野外测量或者从现有地形图上采集高程点或者等高线内插生成DEM；通过雷达技术获取DEM等方法。

近年来随着立体卫星的发展，通过卫星影像立体像对可以快速地获取大范围的DEM数据。牛云璞等基于IRS-P5立体影像数据来提取DEM，证明了基于IRS-P5卫星影像提取DEM可以满足一些水利工程规划和设计阶段的需要[3]。丁辉等利用IKONOS立体像对提取翠华山地区的DEM，采用高精度GPS仪野外采集控制点，对RPC模型进行修正，结果表明DEM精度明显提高，DEM和正射影像均满足1:5 000比例尺地形图和遥感平面制图要求[4]。王秋玲等利用ZY-3立体像对，在无地面控制点情况下DEM精度在20 m以内，在有控情况下满足山区地形1:50 000 DEM测绘的精度要求[5]。陶兰花等分别采用PCI GXL软件和INPHO软件对GF-7立体像对进行数字表面模型生产实验，结果表明这2款软件生产的产品精度均达到了平地1:10 000数字表面模型精度要求，但是并未讨论在有控制点和无控制点情况下DEM的提取精度[6]。胡柳茹等采用高分7号卫星获取的多源遥感数据进行平面和高程精度优化，结果表明利用激光测高数据经过中值模型和线性模型明显提升DSM高程精度，利用足印影像可改善DOM的平面精度[7]。

高分卫星作为遥感卫星的代表，影像含有丰富大量有效的信息，其中高分7号卫星是我国首颗民用亚米级高分辨率的立体测绘卫星，搭载了前、后视2台高分辨率遥感相机分别从前、后2个方向对地面同一景物进行不同角度的观测[8]。本文以龙岩市为研究区域，基于高分7号立体像对进行DEM的提取。

1 高分7号影像概况

高分7号卫星(简称GF-7)，是高分专项工程中的重要卫星之一，是推动空间地理信息化的主要力量，正在对中国测绘产业的发展产生深远影响[9]。高分7号影像，数据质量不仅稳定且可靠，且其立体测绘有利于减小大高差地区的遮挡，后视影像可以制作良好的正射影像。全色相机的前视分辨率优于0.8 m，后视分辨率优于0.65 m。多光谱相机有蓝、绿、红、近红外4个波段，分辨率优于为2.6 m[10]。该卫星为自然资源的管理提供了良好服务，在高精度立体测绘、调查资源等方面提供了自然资源现状数据、立体影像数据和辅助数据。并且在各个领域发挥着重要的作用，服务于1:10 000比例尺全国基础地理信息测绘产品，进一步提高了自主高分卫星对自然资源主体业务的支撑服务能力。表1为高分7号卫星的主要参数。

表1 高分7号卫星参数

龙岩市地势东高西低，北高南低，全市山区居多，同时有丘陵和平原，全市平均海拔652 m，具有一定的代表性。因此本文所使用的影像是福建省龙岩市的2021年2月高分7号立体像对，为1对2景GF-7立体全色影像，经度范围为116.916°～117.189°，纬度范围为24.990°～25.259°，产品级别为1A级影像(经过预处理的辐射校正产品)，云量为5%，太阳高度角为46°。2幅影像的覆盖范围如图1所示，从图1中可见立体像对的重叠度较高，前后视重叠度约为96%，大部分为山区，其中影像的左上部分由于有云存在遮挡，总体来说，影像质量良好，特征点明显可以进行DEM提取实验。

图1 GF-7卫星立体像对

2 基于立体像对的DEM提取的原理与方法

立体像对是指按照人造立体效应的原理，从摄影基线两端摄取的具有重叠影像的一对像片，一般像片的重叠度大于60%，其目的是为了增强解译。在摄影测量中，要构成立体模型则必须从不同方位拍摄同一地物的2张像片[11]。

立体像对的DEM提取方法及过程：利用处于不同位置的两个传感器对地面上同一个点拍摄，形成一个夹角，当确定了天空中传感器的位置之后，夹角越小说明拍摄的地物点越低，反之，夹角越大地物就越高[12]。当地面所有点的高程值解算出后，就得到了数字地面模型。其原理如图2所示。

3 DEM提取流程

立体像对提取DEM技术路线如图3所示，主要包括读取前视和后视影像，选择是否定义控制点以及定义控制点的个数，在立体像对中选择同名点的连接点，生成核线影像，提取DEM等步骤。

图2 基于立体像对提取DEM原理示意图

图3 基于立体像对提取DEM技术路线

3.1 输入立体像对

在ENVI软件主界面下，读取高分七号卫星影像信息，如图4所示。

图4 前视影像(左)和后视影像(右)

3.2 定义地面控制点

本文的地面控制点均为实地野外测量，基于JSCORS网络RTK技术施测，控制点的布设方式采取区域网布点法进行布设，控制点的选择和布设不仅和布设方案有关，还要考虑误差改正等对控制点的具体点位要求，所以控制点点位选取应遵循分布均匀、特征明显、易于判别、交通便利、便于测量等原则。由于部分地方难以测量，所以控制点布设在平地以及交通便利的山上。

高分7号影像提供了RPC参数文件来解算传感器模型，本文在不定义控制点、1个地面控制点、5个地面控制点这3种情况下提取DEM。在无控的情况下得到的DEM是相对高程，即以卫星地势面为基准。在有控的情况下得到的DEM是绝对高程。本文选择的1个控制点和5个控制点在影像上的分布如图5所示。

图5 1个控制点分布(左)和5个控制点分布(右)

3.3 连接点提取与匹配

通过连接点建立立体像对之间的关系，先进行连接点的自动提取，对连接点进行编辑，再进行连接点的匹配。本文中连接点的自动提取采用基于区域灰度匹配法自动寻找重叠区的连接点，连接点数目初始设置为100个。在立体像对(带有粗略地理坐标)2个图像上找到一个同名点，寻找地形特征匹配的小区域。通过手工交互编辑保证每个连接点匹配的准确性，只有当最大Y方向视差的值小于10时，才可以利用连接点计算生成核线图。编辑完成后Y方向视差如图6所示，连接点分布如图7所示。

图6 Y方向视差改正前后值

图7 连接点选择结果

3.4 核线影像的生成

生成核线影像，将二维的相关问题变成一维的相关问题。在水平像片上建立规则格网，它的行就是核线。把提取的同名点和输入的控制点代入共线投影方程式：

(1)

求出相关参数，式中(xt，yt，zt)为物方，(x，y)为像方坐标，对于水平相片yt为常数，利用求出的参数将影像转换成核线影像，转换后像素灰度值采用双线性内插的办法重采样。ENVI得到的前后视核线影像如图8所示。

图8 前视(左)和后视(右)核线影像

4 DEM提取结果及精度评价

4.1 DEM提取结果

设置提取DEM的相关参数，得到了在无控制点、1个控制点、5个控制点情况下生成的DEM，如图9所示。

(a)无控 (b)1控 (c)5控

4.2 DEM精度评定

高程信息作为DEM中主要的价值体现，DEM精度非常重要，在DEM精度评价中，高程误差的评价是最重要的方面。DEM的精度与地形因素、控制点的数量、精度、同名点的个数等因素有着很大的关系。因此，在DEM提取完成后，要对提取的DEM的精度进行评价，即DEM精度评定。DEM精度评定主要有2种方式，分别为对DEM的平面精度和高程精度一起评定、对DEM的平面精度和高程精度分开评定。本文对DEM提取的高程精度进行评价分析。

目前，评定DEM精度评定的主要方法有检查点法、等高线法、剖面法以及影像分析法对DEM进行精度评价[13]。由于实地测量了影像部分区域内的高程值，故本文采用检查点法进行DEM精度评定。

检查点法指将检查点随机分布在影像上，对生成的DEM在检查点上取值进行DEM提取值与DEM真值进行比较，得到各个检查点的提取高程值与实际高程值的误差表。本文基于实地测量的控制点，抽取部分控制点进行DEM高程精度评定。导入实地测量的控制点到提取的DEM中，通过ENVI中的Geographic Link得到控制点处的高程值，提取的DEM对应的高程值、高程值与真实值之间的差值见表2。

表2 检查点与DEM提取高程对比/m

根据表2中可见提取的DEM高程与真实高程，及在无控制点和有控制点的情况下提取高程值与真实值之间的差值。在无控制点情况下，GF-7立体像对生成的高程最大误差为21.4 m，最小误差为7.2 m；在1个控制点情况下，GF-7立体像对生成的高程最大误差为5.2 m，最小误差为0.018 m近似为0；在5个控制点情况下，GF-7立体像对生成的高程最大误差为6.9 m，最小误差为0.2 m。根据表2得到不同控制点个数下，检查点真实高程与提取高程值图(图10)、检查点高程误差图(图11)。

图10 GF-7 DEM检查点真实高程与提取高程值

图11 检查点高程误差

根据公式计算表中的中误差。

(2)

式中：Hi为实地测量的DEM真值，Zi为基于高分7号影像提取DEM的高程值，n为控制点的个数。

从表2中可知一共有18个检查点，根据均方误差公式，分别计算无控制点、1个控制点、5个控制点情况下的高程中误差。RMSE分别为14.6 m、2.4 m、2.6 m。在有控制点情况下，立体像对提取DEM的误差满足地形1:10 000 DEM的精度[14]。

5 结束语

本文利用GF-7立体像对福建龙岩地区提取DEM，在无控制点和有控制点的情况下，基于同一立体像对、相同的连接点进行DEM的提取，并对其进行精度评定。通过DEM精度评定发现，在无控制点的情况下，DEM的中误差为14.6 m；在有控的情况下DEM高程精度比无控情况下精度明显高，中误差降到2.4 m；随着控制点个数增加，高程精度变化不大。在有控的情况下DEM精度比无控情况下精度高。在有控制点的情况下，DEM高程精度可达到山地地区1:10 000的精度要求。

产生DEM误差的原因可能有以下几点：1)检查点的选取与分布对DEM评定有一定的影响。在山体等高程起伏较大的地方，连接点布设应该按照山体的起伏情况进行相应的改变；2)选择一个控制点进行DEM提取时，部分检查点的高程值不减反增，这是因为起伏较大，该控制点在平地，导致提取的DEM值与真实值相差较大；当在高山处和平地处增加控制点后，DEM提取效果比1个控制点时提取效果好，误差基本上在4 m以内。