（摄影测量与遥感专业论文）spot立体像对提取dem及其不确定性研究.pdf

摘要 当前，空间数据的不确定性研究理论具有十分重要的意义，而d e m 作为空 间数据基础设施的重要组成部分，其不确定性的研究也很重要。d e m 作为地球 表面的数字表达，有着广泛的应用。建立d e m 的方法有很多种，但传统的方法 相当的费时、费力，且容易出现输入错误，具有一定的滞后性。随着航空、航天 遥感技术的不断发展，传感器的性能不断提高，可以通过遥感技术获取立体像对， 通过摄影测量技术产生d e m 。 本文使用s p o t 影像，利用r t u o z o 工作站版本来提取d e m 。在提取d e m 的过程中，会不可避免地存在误差和不确定性。本文以江宁为实验区，用蒙特卡 罗方法对所提取的d e m 进行不确定性模拟。 提取d e m 时，控制点是从1 ：5 万地形图上选择的。控制点的选择和分布 对d e m 的精度很重要。通过分析，发现利用r t u o z o 提取d e m 主要包括以下 误差：地形图本身的精度不高，存在误差，所以控制点本身的精度不高：影像分 辨率为1 0 米，较低，不利于控制点的选择；江宁区地形较为复杂、破碎，会影 响高程的计算，从而影响d e m 的精度：匹配窗口的选择会影响d e m 的精度： 人为误差、系统误差以及随机误差等等。 论文在对d e m 作精度评价之前，先对d e m 的粗差进行处理。采用了一种 基于规则格网d e m 的粗差检测和剔除方法。结果表明，在地势较高的地方，粗 差点较多，在地势较平坦的地方，粗差点较少。 本文采用检查点法和剖面法对d e m 进行精度评价。在用检查点做精度评价 时，将所提取的d e m 与1 ：5 万的d e m 作比较，选取了2 0 个检查点，算出r m s e 为1 1 8 6 m ，并得出一个结论：在地势比较平坦、山地起伏较小的地方，提取的 d e m 精度较好。在用剖面法进行精度评价时，在x 方向、y 方向和任意方向分 别做了8 、9 、l l 条剖面线，并算出不同方向各个剖面曲线的r m s e 值以及r m s e 的平均值，发现不同方向剖面曲线的r m s e 的平均值相差不大，此值与2 0 个检 查点的r m s e 也相差不大。这些基本满足l ：1 0 万d e m 的精度要求。对于江宁 这样地形较为复杂、破碎的地带，用n u o z o 提取d e m 能够满足l ：l o 万d e m 的精度要求，其他地区也应该能满足这样的要求。 本文采用蒙特卡罗方法模拟d e m 的不确定性，其中，重点描述了随机场的 产生和n 值的确定。通过比较各种随机场的生成方法，最后确定用随机法来产 生随机场，以确保能模拟最差情况下d e m 的不确定性。本文选用两种标准差来 模拟d e m 的不确定性。当标准差为11 8 6 m 时，n 值确定为1 5 0 ；当标准差为 1 5 8 5 m 时，n 值也确定为1 5 0 。并分别作出模拟的d e m 与l ：5 万d e m 的残差 图，发现在地形起伏不大的地方，d e m 模拟的精度较好。也就是说，在地势比 摘要 较平坦的地方，所模拟出的d e m 更接近真值。 本文改进了蒙特卡罗方法。通过考虑均值与坡度的关系，拟合出均值与坡度 的线性函数，将此函数作为生成随机场的均值，从而考虑了地形复杂度对d e m 模拟的影响。并且将改进后的方法与改进前的方法做比较，发现改进后的蒙特卡 罗方法更能有效地模拟出高精度的d e m ，有助于提高d e m 的精度。 关键词：s p o t ；d e m ；精度：不确定性 i i a b s t r a c t a t 曲l cp r e s e n tt i m e ，也er e s e a r c ho fm eu n c e r t a i n 母o fs p a t i a ld a t ai s v e r y s i g n m c a i l t a sa i m p o r t a mc o m p o n e n to ft l l eb a s i ce s t a b l i s h e n to fs p a t i a ld a 诅，t l l e u n c e n a i n t yo fd e mi sa l s ov e r yi m p o r t a n t a sad i g “a le x p r e s s i o no fe a r t l ls u r f k e ， d e mh a sa 州d e s p r e a da p p l i c a t i o n n e r ea r em a n ym e t l l o d st og e n e r a t ed e m b u t t h et r a d m o n a lm e m o d st a k eal o to f t i m ea n de 丘- o r t a n dt 1 1 e ya r ei n c l i n e dt og e n e r a t e m ep m b l e mo fi n p u te 玎o r t h e yh a v eap r o p e r c yo fh y s t e r e s i sq u a l i t y w 烛m e c o m i n u o u sd e v e l o p m e n to fa e m s p a c et e c h n 0 1 0 9 ya 1 1 d a e r i a l t e c l n o l o g ya i l dt h e c o n t i u o u si n c r e a s e m e n t 1 e p e r f b n l l a n c e o fs e n s o r s ，d e mc a nb e g o tb y p h o t o f 跗m e t r i cs u r v e y i n ga f t e rs t e r e op a i r sh a v eb e e ng o tb yr st e c h n o l o g y t h i sp a p e re x t r a c t sd e mu s i n gs p o ti m a g e sa 1 1 dv i r t i l o z ow o r k s t a t i o nw 1 1 i c hi s p o p u l a ri no u rc o u n 仃ya tp r e s e n t t h e r ea r ee h o r sa n du n c e n a i n t i e si n e v i t a b l yw h e n e x t r a c t i n gd e m t h i sp a p e rm a k e su s eo fm o n t ec a r l om e t h o dt os i m u l a t ef h e u n c e n a i n t yo f e x t r a c t e dd e mu s i n gj i a i l g n i n ga sa ne x p e r i m e n t a la r e a t h ec o n 嘶lp o i n t sa r ec o l l e c t e d 丘o mt o p o 伊a p h i c a lm 印o f1 ：5 0 0 0 0w h e n g e n e r a t i n gd e m t h ec o l l e c t i o na n dd i s t r i b u t i o no ft h ec o n t r o lp o i m sa r ev e r y i m p o r 【a n tf o rt 1 1 ea c c u r a c yo fd e mu s i n gv i n u o z ot og e n e r a t ed e mi n c l u d e se r r o r a sf o l l o w s ：t h ea c c u r a c yo ft o p o g r 印h i c a lm a pi s n th i 曲，t h u sa c c u m c yo ft h ec o n t m l p o i n t si sl o wt h er e s o l u t i o no ft h ei m a g ei s 10 m ，w h i c hi sn o ta d v a n t a g et on l e c o l i e c t i o no ft t l ec o n 廿o lp o j n t s 1 1 1 ea r e ao f j i a n g i l i n gi sc o m p l e xa 1 1 dc r a c k e d ，w h i c h w i l li n n u e n c et h ec o 埘【p u t a t i o no fe l e v a t i o n t h e ni tw i l li n f l u e n c et h ea c c u r a c yo f d e m t h es e l e c t i o no fm a t c h i n gw i n d o ww i ni n n u e n c et h ea c c u r a c yo fd e m t h e r e a r ep e r s o n a le i t o r ，s y s t e me r r o r ，r a n d o me r r o ra n ds oo n ， b e f o r ee v a l u a t i n gm ea c c l l r a c yo fd e m ，l i sp a p e rd i s p o s e st h eb l u n d e ro f d e m i t u s e st h et h em e t h o do fd e t e c t i o na n dr e j e c t i o no ft h eb l u n d e rw h i c hi sb a s e d o nt h e 掣i dd e m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h en u m b e ro fb l u n d e rp o i n t si sl a r g e r w h e r et t l es u r f a c ei sh i 曲e r ，w h i l et h en u m b e ro fb l u n d e rp o i n t si ss m a l l e rw b e r et h e s u r f a c ei sf l a t e l t 1 l i sp a p e rm a k e su s eo fc h e c k p o i n tm e t h o da 1 1 dp r o f i l em e t l l o dt oe v a l u a t et h e a c c u r a c yo fd e m l e nu s i n gc h e c k p o i mm e t h o dt oe v a l u a t et h ea c c u r a c yo fd e m ， t h ee m a c t e dd e mi sc o n l p a r e d 谢t hd e mo f1 ：5 0 0 0 0 t h ea u t h o rs e l e c t s2 0 c h e c k p o i n t s ，a n dc o m p u t e st h a tr m s e i s11 8 6 m t h ea u t h o rm a k e sac o n c l u s i o n ：t h e a c c u r a c yo fe x t m c t e dd e mi sb e t t e rw h e r em es u r f a c ei sf l a t w h e nu s i n gp r o f l l e m e t h o dt oe v a l u a t et h ea c c u r a c yo fd e m ，t h ea u t l l o rd r a w s8 ，9 ，1ls e c t i o nl i n e si nx i i a b s h - m a s p e c t ，ya s p e c ta i l da r b i t m r ya s p e c tr c s p e c t i v e l y a n d l ea u t h o rc o m p u t e sr m s eo f e a c hs e c t i o nl i n ea n d 也em e a no f m v i s e t h ea u m o rf m d st h a tm ei n e a no f i 叫s eo f s e c t i o n1 i n eo fd i 虢r c i l ta s p e c ti ss i m i l 越a n dt h e ya r es i i i l i l a r 、i t hr m s eo f2 0 c h e c k p o i i l t s ，t h e ya r es a 亡i s 矗e dw 油t h ea c c u r a c y o f d e mo f1 ：1 0 0 0 0 0 矗m d 姗e n 埘l y u s i n gv i m l o z ot oe x 舡a c td e mi ss a t i s f i e d 谢也m ea c c u r a c yo fd e mo fl ：1 0 0 0 0 0 f o rj i a l l 印i n g 、v h o s ec o n 矗g u r a t i o ni sc o m p l e xa n dc m s m n 岛t l l e no t h e r r e g i o n ss h o u l d b ea l s os a t i s f i e d 谢t hm e s er e q l l i r e m e n t s 1 1 l i sp a p e rm a k e su s eo fm o n t ec a r l om e m o dt os i m l l l a t et 1 1 eu i l c e n a i n t yo f d e m ne m p h a s i z e so nt h eg e n e r a t i o no fr a n d o mf i e l da n dt h ed e t e r m i n a t i o no f n b y c o m p 撕n gv a r i o u sm e t h o d so f 吐l eg e n e r a t i o no fr a n d o mf i e l d ，m i sp 印e ru s e sr a n d o m m e t l l o dt og e n e r a t em d o mf i e l d t h i sc a ng u r a n t e et os i m u l a t et h el l i l c e r t a i n t yo f d e mi nt h ew o r s tc a s e t h ep 印e r1 l s e st v v ok i n d so fr m s et os 硫u l a t et h e u n c e n a i n t yo f d e m w h e n i t m s ei s1 1 8 6 m ，ni s1 5 0 w h e n r m s ei s1 5 8 5 m ，ni s a l s ol5 0 t h ep 印e ra l s op a i n t s 廿l ee r r o rm a pb e t w e e ns i m u l a t e dd e ma l l dd e mo f 1 ：5 0 0 0 0 ，a 1 1 df i n d st h a tt h ea c c u r a c yo fs i m u l a t e dd e m i sb e t t e rw h e r et h es u r f 犯ei s n a t t e lt h a ti s t h es i m m a t c dd e mi sc l o s et ot h et n l ev a l u ew h e r em es u r f k ei s n a t t e l t 扯sp 印e ri m p r o v c sm o n t ec 盯l om e t h o d c o n s i d e d n gt h er c l a t i o no fm e a na n d s l o p e ，t l l ep a p e rf i t st h el i n e a r 矗m c t i o nb e t w e e nt 1 1 e m b yu s i n gt h i sn m c t i o na st h c m e a no fr a n d o mf i e l d ，t h ep 印e rc o n s i d e r st h ei n n u e n c eo f1 a i l dc o m p l e x i t yo nt 1 1 e s i m u l a t i o no fd e m t h ep 印e ra l s oc o m p a r e st h em 拙o dw h i c hh a sb e e ni m p r o v e d 埘t ht h em e t h o dw h i c hi sn o ti m p r o v e d ，a 1 1 df i n d st h a tt h ei m p r o v e dm e t h o dc a n s i m u l a t ed e mw h o s ea c c u r a c yi s l i g h e t k e y w o r d s ：s p o t ，d e m ；a c c l l r a c y ；u n c e n a i n t y 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ! 耋! 坠叠2 0 0 6 年6 月1 5 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 、鲞j 已盔2 0 0 6 年6 月1 5 日 1 1 研究依据 第一章绪论 d e m 是地球表面的数字表达，是各种地学分析的基础数据。d e m 的应用可 遍及整个地学领域。在测绘中可用于绘制等高线、坡度、坡向图、立体透视图、 立体景观图，制作正射影像图、立体匹配、立体地形模型及地图的修测；在各种 工程中可用于体积、面积的计算、各种剖面图的绘制及线路的设计；军事上可用 于导航( 包括导弹及飞机的导航) 、精确打击、作战任务的计划等。在遥感中可 作为分类的辅助数据；在环境与规划中可用于土地现状的分析、各种规划及洪水 险晴预报等( 李志林等，2 0 0 0 ) 。 建立d e m 的方法有多种，从数据源及采集方式来讲有：直接从地面测 量：用g p s 、全站仪、野外测量等。从现有地形图上采集，例如格网读点法、 数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集法等。根据航空或航天影像，通过摄 影测量途径获取。表1 1 是d e m 数据采集方法及各自特性的比较嘲。 表l _ ld e m 的采集方法及各自特性的比较 获取方式d e m 的精度速度成本更新程度 应用范围 小范围区域，特别的工程 地面测量 非常高( c m ) 耗时很高很困难 项目 大的工程项目，国家范围 摄影测量 比较高( c m m ) 比较快比较高 周期性 内的数据收集 g p s 比较商( c m - n 1 ) 很快比较高容易小范围，特别的项目 地形图手 比较低f 图上精度 扶跟踪数比较耗时低 国家范围内及军事上的 o 2 - o 4 m m l 字化 周期性数据采集，中小比例尺地 地形图屏比较低f 图上精度 形图的数据获取 非常快比较低 幕数字化 o 1 - o 3 m m l 激光扫描 非常高( c m ) 很快非常高容易高分辨率、各种范围 干涉雷达 传统的d e m 建立主要是依据地形图进行数字化将等高线输入计算机，或者 将地形图经扫描输入计算机，从屏幕上进行数字化生成等高线。这些工作相当的 河海大学硕士论文 费时、费力，且容易出现输入错误；另外由于地形图测图时间周期一般也比较长， 具有一定的滞后性。一般来说，地形图很难反映当前的地形现状。特别是在经济 快速发展的地区，这一弊端显得尤为突出。随着航空、航天遥感技术的不断发展， 传感器的性能不断提高，可以通过遥感技术获取立体像对，通过摄影测量技术产 生d e m 。本文使用的是s p o t 影像，利用目前在国内较为流行的r t l l o z o 工作 站版本，来提取d e m 。 但是，在用s p 0 ，r 立体像对提取d e m 的过程中存在很多随机误差和系统误 差，如地形图本身的误差、绝对定向过程中控制点的选择，匹配窗口的选择、格 网间隔的选择、随机误差、系统误差等。因此，在此过程中存在d e m 的不确定 性。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国内研究动态 国内直接对d e m 不确定性方面的研究较少，大多数集中在研究d e m 精度、 d e m 误差方面。卢新海【3 】针对利用三角网络法拟合地表面时会出现一定程度的 失真的局限性，推导出一个对d e m 高程插值结果进行补偿，以提高其插值精度 的修正公式。朱鸿清【4 】讨论了影响d e m 质量的三个主要因素( 地形特征、采样 策略、内插方法) 的相互影响，提出了如何提高d e m 精度的方法。唐新明等【5 】 提出了对d e m 进行精度评价时需要注意的几个方面，并提出了基于点、线和面 的d e m 的精度评价方法。王斌【6 】在分析了d e m 误差来源的基础上，提出了利 用二次曲面进行d e m 内插，以提高d e m 模型精度和土方计算精度的方法。李 志林【1 j 等对于d e m 数据精度作了深层次的研究，从不同角度探讨了d e m 误差 的成因、影响因素、数学模拟以及对g i s 空间分析应用的影响，初步建立了一套 利用不同信息源建立d e m 的规范。汤国型。7 】【8 】首次提出d e m 地形描述误差概 念，对d e m 地形描述误差的形成条件、空间分布特征、数学模拟方法等一系列 问题进行了系统分析，提出了d e m 地形描述误差在宏观与微观两个层面的数学 模拟。同时，还对不同比例尺、不同栅格分辨率d e m 的不确定性特征与转换模 型进行了研究，为有效估算d e m 的地形描述精度及确定适宜的d e m 分辨率提 供了理论依据。刘学军【9 提出一种基于数据独立的d e m 解译算法评价和地形属 性误差的定量分析方法。王光霞等【1 1 】、1 2 】对提出了一种基于分形分析的d e m 精 度评估模型，为d e m 精度的科学评估提供了一种新思路和新方法，并通过对 d e m 精度的地形描述误差与空间分辨率和平均剖面曲率关系的进一步分析，提 出了新的系数拟合数学模型，进而得到新的d e m 误差与空间分辨率与平均剖面 率关系公式。 2 第一章绪论 1 2 2 国外研究动态 国外对d e m 不确定性方面的研究较多，研究内容从d e m 误差分析到d e m 不确定性建模均有广泛研究，研究中采用的方法从简单的统计方法到复杂的模拟 方法均有涉及。 在d e m 误差研究方面，一些学者已对d e m 误差的来源、探测方法、可视化 方法进行了探讨。b u r r o u 吐和w i s c 【1 町探讨了d e m 的误差来源。b r o w n 和b a m 【1 5 】 用半方差函数法和分形方法d e m 系统误差的存在及其结构，并建议用滤波方法 来减小d e m 中的误差。1 k o b a l d 【l6 j 通过回顾d e m 的来源以及d e m 数据的结构来 确定在d e m 的生产过程中偏差和误差是怎么产生的。m 0 n c k t o n 【1 7 】通过使用纸质 地图上的高程点数据来确定d e m 误差的空间结构。l o p e z 【18 】通过基于主成分分析 的方法来确定d e m 的随机误差。h 毫n g l 等 1 研研究了减少d e m 地形参数误差的三种 方法，即经验知识法、滤波方法、d e m 实现平均法，发现此三种方法能有效的 减少d e m 及提取参数中的误差。 在d e m 不确定性研究方面，研究者们用统计方法和三维可视化方法来评价 d e m 的不确定性。w o o d 【2 0 l 总结了常用的量化d e m 不确定性的方法，并提出了自 己的一些方法。a l e s h e i l ( 1 l 【2 1 】分析了地理信息系统中不确定性建模的方法和可视 化技术的应用，并开发了不确定性建模和可视化软件。 但是，d e m 不确定性的量化方法和可视化方法也具有一定的局限性。因此， 研究者提出可以使用模拟方法对d e m 不确定性进行建模。模拟方法有很多种， 其中常用的是蒙特卡罗模拟技术。已经有许多学者应用蒙特卡罗模拟技术进行 d e m 不确定性的分析。f i s h e 一2 2 】应用蒙特卡罗模拟方法就d e m 误差对视场分析的 影响进行了评估。l e e 等、【2 4 1 通过d e m 误差模拟发现，d e m 较小的误差对所提 取的水文地貌特征有较大影响。e l l l s c h l a e g e r 和s h o r 晡d g e 【2 5 l 用随机模拟方法探讨 了d e m 的不确定性，研究发现蒙特卡罗方法在d e m 不确定性研究的不可或缺性。 h i i n t e r 和g o o d c l l i l d 【2 6 l 贝u 分析了不同自相关系数对坡度和坡向的影响。 e h l s c h l a e g e r 【2 7 】用蒙特卡罗模拟方法研究了空间数据的不确定性对应用的不确定 性的影响。w j c l l s l e r 2 8 】利用蒙特卡罗模拟方法，考查了d e m 误差对坡度、坡向、 上游汇水面积及地貌因子的影响。h o l m e s 等【2 9 1 研究发现d e m 误差对提取的地形 参数有显著影响，在谷地和河道区域影响最大。w j c l l s l d 3 0 】分别评价了在单一 d e m 分辨率、不同d e m 分辨率、不同的地貌类型的条件下d e m 不确定性对提取 的地形参数的影响。r a a n a u b 【3 1 】研究了提取地形参数的不同算法和d e m 误差对地 形参数和水文模型的影响。 12 3 研究目的和意义 d e m 作为地理信息系统和遥感的数据源，本身不可避免地存在误差和不确 定性。随着各种操作的进行，又会带来新的误差，这样误差就会不断积累，从而 3 河海大学硕士论文 影响了后期产品的精度和可靠性。而目前国内对d e m 的不确定性研究又较少， 因此对d e m 的不确定性进行研究成为当今世界空间数据不确定性研究的热点问 题。本文使用s p o t 立体像对提取出南京江宁区的d e m ，在提取的过程中，会不 可避免地存在不确定性，因此有必要对所提取的d e m 进行不确定性分析。其中， 使用了蒙特卡罗方法来对d e m 进行不确定性模拟。在以前的研究中，随机场的 产生都是将均值设为0 。用此种方法生成的随机场是均匀的，没有考虑到地形复 杂度对模拟结果的影响。而事实上，地形复杂度对不确定性的模拟是有一定的影 响的。本文通过确定均值与坡度的关系，拟合出均值与坡度的线性函数，从而考 虑了地形复杂度对模拟结果的影响。 1 3 研究方案 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 用s p o t 立体像对和全数字摄影测量系统v i r h l o z o 提取d e m 。 ( 2 ) 对提取出的d e m 进行粗差剔除，为精度评价做准备。 ( 3 ) 用检查点法和剖面法对剔除粗差后的d e m 进行精度评价。 ( 4 ) 分析比较了d e m 不确定性分析的各种方法。 ( 5 ) 利用蒙特卡罗模拟方法对用s p o t 立体像对提取出的d e m 进行不确定性 分析，并改进了此种方法。将改进后的方法与改进前的方法做比较。 1 3 2 研究技术路线 本文研究过程分为三个部分：一是用s p o t 立体像对和全数字摄影测量系统 v i n l l o z o 提取d e m ；二是对提取出的d e m 精度进行评价；三是用蒙特卡罗模拟方 法对提取出的d e m 进行不确定性分析，采用j a 、饿编程实现，并对蒙特卡罗方法 进行改进。三个过程各自的技术方法如下： ( 1 ) s p o t 立体像对提取d e m 的过程：本文采用s p o t 4 全色波段影像，分辨率 为1 0 m 。首先在1 ：5 万地形图上，通过目视判别选取特征点，然后人工采集了2 2 个有效地面控制点，且均匀地分布在实验区影像上。在这些准备工作做完之后， 就可以在咖o z o 软件中经过参数的设定、相对定向、绝对定向、生成核线影像、 影像匹配编辑等步骤生成d e m 。 ( 2 ) 对提取出的d e m 进行精度评价：本文主要是对d e m 的高程精度进行评 价。在对d e m 进行精度评价之前，先对所提取的d e m 进行了粗差处理。本文使 用的是基于坡度信息的粗差检测方法。常用的d e m 精度评价方法有检查点法、 剖面法、等高线回放法、影像分析法等。本文使用的是任意点法和剖面法。 ( 3 ) d e m 不确定性模拟的技术方法：首先确定均方根误差，然后用随机方法 产生随机场，将产生的随机场叠加到原始d e m 上，生成一定数量的实现，从而 4 第一章绪论 完成d e m 不确定性的模拟。另外，本文在前人的研究基础上，通过确定均值与 坡度的关系，考虑了地形复杂度对模拟结果的影响，从而改进了此算法。 1 4 论文组织结构 本文共分六章，各章安排如下： 第一章是概述，主要阐述了研究依据，国内外研究动态，研究的内容以及研 究的技术路线。 第二章首先介绍了s p o t 立体像对提取d e m 的研究现状。在与传统的d e m 获 取方法比较之后，指出利用s p o t 立体像对来获取d e m 具有重大意义。接着阐述 了用s p o t 立体像对和咖o z o 软件提取d e m 的全过程。在这个过程当中，控制 点的选择、分布很重要，它影响着所提取的d e m 的精度。 第三章是对d e m 的精度评价。首先阐述了d e m 精度评价的几种方法，如任 意点法、剖面法、等高线法等。然后对s p o t 立体像对所提取的d e m 进行剔差处 理，最后对剔除粗差后的d e m 用任意点法和剖面法进行了精度评价。 第四章介绍了不确定性的概念，d e m 不确定性分析的方法与步骤，着重描述 了模拟中随机场的产生以及n 值的确定，并利用蒙特卡罗模拟方法对由s p o t 立 体像对所提取的d e m 进行了不确定性分析。另外，通过确定均值与坡度的关系， 考虑了地形复杂度对模拟结果的影响，从而改进了蒙特卡罗方法。 第五章总结了论文研究的结论，并对进一步的研究进行了展望。 5 第二章s p o t 立体像对提取d e m 的流程 d e m 作为遥感和地理信息系统的重要数据源，有着广泛的应用。如坡度计 算、土方计算和隧道设计、地貌分析、地形变化测量、三维立体地形显示；此外， 若用其它特征代替高程后，还可进行诸如人口、降水量等的分析；同时也是计算 机遥感影像分类的重要辅助数据。 传统建立d e m 的方法有很多种，但这些方法费时、费力，且容易出现输入 错误；具有一定的滞后性。随着航空、航天遥感技术的不断发展，传感器的性能 不断提高，可以通过遥感技术获取立体像对，通过摄影测量技术产生d e m 。本 文使用的是s p o t 影像和目前国内较为流行的咖o z o 工作站版本来提取d e m 。 1 9 8 6 年2 月法国s p o t - l 卫星发射以来，s p o t 卫星数据由于其较高的地面 分辨率、可侧视观测并生成立体像对和在短时间内可重复获取同一地区数据等有 别于其它卫星遥感数据的特点，而受到遥感用户的青睐【3 2 】。到目前为止，s p o t 系列卫星共发射5 颗，除s p o t - 3 于1 9 9 6 年1 2 月失效外，其余都在正常运行。 s p o t 卫星独有的倾斜观测功能，可以接收立体像对，而s p o t 的三颗卫星同时 运作，又能够使这一对影像之间的时间差缩到最短( 最短获取同一对影像的前后 时间差仅为2 0 分钟) ，这样就保证了经相关处理后得到的d e m 具有较高的几何 精度( 相对高程精度可达1 0 米左右) i 矧。 本章首先对利用s p o t 立体像对提取d e m 的现状做了一个简要的概述，接 着利用s p o t 4 立体像对提取出d e m ，为后面研究d e m 的不确定性做准备。 2 1s p o t 卫星提取d e m 的研究现状 s p o t 卫星提取d e m 是在数字摄影测量的支持下进行的，因此，它的发展 与数字摄影测量密切相关。对数字摄影测量的定义，目前在世界上主要有两种观 斛3 6 】。其一认为数字摄影测量是基于数字影像与摄影测量的基本原理，应用计算 机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄 对象用数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。另一种广义的 数字摄影测量定义则只强调其中问数据记录及最终产品是数字形式的，即数字摄 影测量是基于摄影测量的基本原理，应用计算机技术，从影像提取所摄对象用数 字方式表达的几何与物理信息的摄影测量分支学科。这种定义的数字摄影测量包 括计算机辅助测图( 常称为数字测图) 与影像数字化测图。数字摄影测量的组成 如图2 1 所示3 6 1 。 6 第二章s p o t 立体像对提取d e m 的流程 图2 1 数字摄影测量的组成框图 目前，对s p o t 卫星立体像对的研究，采用解析处理和数字化处理两种方法， 特别是解析法在早期的s p o t 卫星立体像对d 1 m 产生中得到了广泛应用，并取 得了较好的结果( g u g a n & d o w m 趾，1 9 8 8 ；a 虹y a m a ，1 9 9 2 ) 【3 7 】。在2 0 世纪9 0 年代 初，随着计算机技术、数字图像处理及模式识别技术的不断发展，数字摄影测量 技术也得到了长足的发展，到1 9 9 2 年8 月在美国第1 7 届国际摄影测量与遥感大 会上，已有较为成熟的全数字摄影测量产品，这为全数字摄影测量系统的应用奠 定了基础。较为典型的全数字摄影测量系统有以下几种：主流摄影钡4 量系统，运 行在摄影测量工作站( s t e r e o s p o t ，i n t e r g m p l l ，r n j o z o ) ；遥感应用系统( p c i ， e r d a s 一0 n 1 1 m a ) 【模块) ；以及为区域遥感研究与制图而开发的特殊的数字摄影测 量系统。 s p o t 立体像对有许多独特的地方( 3 s 】：s p o t 立体像对是旁向立体，是卫 星经过不同的轨道对同一地区摄影产生的。两张像片在摄影的时间和空间上相差 都比较大，因此，左、右像片在影像质量方面可能有比较大的差别。卫星侧 视摄影时，像片扫描方向比例尺与飞行方向比例尺不一致，特别是1 a 级像片未 经过任何几何校正，几何变形较明显。又因为左、右扫描线方向不平行，所以几 何变形方向也不一致，这也给匹配带来了很大的难度。其外方位元素之间存 在强相关性，无法用最小二乘法直接整体求解。由于s p o t 卫星像片是行中心 投影的，所以它没有严格意义上的核线，以致无法直接使用摄影测量中经常使用 的一维匹配技术核线相关。 在解决s p o t 立体像对提取d e m 的关键技术方面，以武汉测绘科技大学为 代表的我国数字摄影测量界，在数字摄影测量理论、方法和软件开发方面取得了 注目成绩。由其研制开发的r t u o z o 数字摄影测量系统不仅在国内得到广泛应 用，而且在欧洲、澳洲等被广泛采用，特别对s p o t 数字影像的d t m 恢复关键 ( 核线生成、影像匹配) 技术做了较深入的研究。黄玉琪针对s p o t 数字像对 河海大学硕士论文 的特点，提出了解决这一问题的方法：一是用岭估计法解求其外方位元素；二是 提出了用“锚点法”进行影像匹配。实验表明这两种方法是有效的，令人满意的。 燕琴等1 3 9 】为了解决s p o t 影像外方位元素的计算，结合人工智能原理设计了分层 全局最优的搜索控制算法，不仅保证了算法的严密性，而且简洁、实用。 以测绘局系统为代表，在数字摄影测量应用研究方面也做了大量的研究工 作，如山西、黑龙江等利用v i n i 】o z o 系统，对航空影像扫描数据d 1 m 恢复过程 中参数的设定、影像自动匹配窗口大小的设定、d e m 编辑技巧和d e m 精度检 核这些关键技术进行讨论，并就这些影响生产效率、成图质量的主要因素进行分 析。但这些应用研究主要是针对数字扫描影像( 主要为航片) 进行研究，而对 s p o t 立体像对提取d e m 的论述较少。为了讨论s p o t 立体像对提取d e m 的精 度，本文选择江宁实验区作为研究对象，使用在国内较为流行的f t u o z o 工作 站版本，来提取d e m ，并对所提取的d e m 进行误差分析和不确定性模拟。 2 2s p o t 立体像对提取d e m 的流程 2 2 1 研究区与数据 实验区选择秦淮河流域的江宁区，总面积为1 6 0 2 平方千米1 5 6 7 平方千米， 属亚热带湿润气候，温暖宜人，四季分明，雨量充沛，历史上无风灾、震灾记录。 年平均温度为1 5 5 c o ，年平均风速为3 5 米秒，年平均相对湿度为7 6 ，年日 照时间为4 1 1 7 小时，年平均降水量为1 0 2 5 毫米，无霜期为2 1 4 日。秦淮河流贯 全境，属典型的江南低山丘陵地区。地表覆盖类型以稻田、旱地作物、林业用地 及水库、水塘、鱼塘等组成。地形较为复杂并破碎，包括地势平坦的秦淮河谷地、 丘陵和低山，在不同高程范围分布的地物各有差异。在8 米高程点以下主要为圩 区，分布有稻田及较多的水塘和养殖场；1 5 米左右的高程带主要分布旱地；3 0 米以上主要为林地。地物分布对影像的匹配精度将产生一定的影响。地质构造属 稳定场地，浅部第四系部分以下蜀土为主，基岩埋藏深度一般在l 一2 0 米，岩性 为侏罗系象山砂岩，地基土承载力【r 】为1 2 3 0 吨平方米。 实验区卫星资料使用的是1 9 9 8 年8 月9 日和1 9 9 8 年8 月1 0 日接收的s p 盯r 4 立体像对，且为全色片。s p o t 影像数据可以根据不同的用途提供多级数字影像 产品，不同等级的数字影像产品具有不同的应用领域，其中1 a 和1 b 级产品主 要用于正射纠正或数字高程模型( d e m ) 的产生。本研究使用的江宁幅l a 级产 品，如图2 2 所示。从图中可以看出，影像质量良好，没有云覆盖，有利用控制 点的选择。另外，还有1 ：5 万的地形图六幅，分别为江宁镇、江宁区、慈湖镇、 柘塘镇、南京市、汤山镇，如表2 1 。 第二章删立体像对提取d e m 的流程 ( a ) 1 9 蟾年8 月9 日s p o t 影像( b ) 1 9 9 8 年8 月1 0 日s p o t 影像 图2 2 江宁区s p o t 影像 表2 1 江宁六幅l ：5 万地形图示意图 南京市 汤山镇 1 1 8 7 5 0 0 3 2 1 6 6 71 1 9 0 0 0 0 3 2 1 6 6 7 1 1 9 0 0 0 0 - 3 2 1 6 6 79 2 5 0 0 3 2 1 6 6 7 1 1 8 7 5 0 0 3 2 0 0 0 0 1 1 9 0 0 0 0 3 2 0 0 0 0 9 2 5 0 0 3 2 0 0 0 0 1 1 9 0 0 0 0 3 2 0 0 0 0 江宁镇江宁区 1 18 5 0 0 0 3 2 0 0 0 01 1 8 7 5 0 0 3 2 0 0 0 0 1 1 8 7 5 0 0 3 2 o o o o 11 9 0 0 0 0 3 2 0 0 0 0 1 1 8 5 0 0 0 3 1 8 3 3 3 1 1 8 7 5 0 0 3 1 8 3 3 3 1 18 7 5 0 0 1 3 1 8 3 3 31 1 9 0 0 0 0 3 1 8 3 3 3 慈湖镇柘塘镇 1 1 8 5 0 0 0 3 1 8 3 3 31 1 8 7 5 0 0 3 l - 8 3 3 3 1 1 8 7 5 0 0 3 1 8 3 3 3 1 1 9 0 0 0 0 3 1 8 3 3 3 1 1 8 5 0 0 0 - 3 1 6 6 6 71 1 8 7 5 0 0 3 1 6 6 6 7 1 1 8 7 5 0 0