立体像对提取DEM在实际中的应用

 

  随着行业发展和用户需求的增加，DEM\DTM越来越受到重视，在农业、国土、地质、水利、规划等行业都有着广泛的应用。利用DEM可进行分析耕地坡度及土地利用、河流网络和水土流失、城市雨洪排水、三维可视化地形和三维实景城市等。

 

     在用户的需求下，2011年Top View利用卫星遥感立体影像做了一系列的项目，通过双方共同的检验，我们所得到结果完全满足客户以及行业的技术要求，实现了立体影像提取DEM成本低、周期短、范围广、精度高等优势。在时间、成本、精度和应用上得到了保障，为今后更好的推广4D产品或技术提供了坚实的基础和依据。

为了能让更多的用户了解以及掌握这方面技术，我们将陆续与您分享和学习。同时，我们更希望得到您的支持与指导，这些都将是我们宝贵的财富和进步。我们会利用所掌握的经验和技术，将4D产品及崭新服务坚持不懈的发展下去。

 

一、DEM简介

       DEM是对地形地貌的一种离散的数字表达，是对地面特性进行空间描述的一种数字方法、途径，它的应用可遍及整个地学领域。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作DOM的基础数据。

       由于DEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、气象、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。如在工程建设上，可用于如土方量计算、通视分析等；在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析如汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础；在无线通讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等等。

 

    

 

二、立体像对提取DEM

       立体像对是指从不同角度进行拍摄，获得的具有重叠区域的两张同一地区的遥感影像。在一定条件下，使用专业仪器或者肉眼可以看到立体影像，通过立体影像可以进行包括测量，生成DEM。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——∠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。

通过研究，我们发现立体像对提取DEM的软件有很多种，但他们的流程都大同小异。下面就是我们通过实验和对比形成的立体像对提取DEM的基本流程以及其中的一些关键技术。

 

 

 

 

    

     其中，定义地面控制点的作用是为了保证DEM的横向精度和生成绝对高程。如果该项选择不定义地面控制点，则最终生成的DEM的高程是相对高程。我们通过大量的实验和测试，对于横向精度控制在1-2个像元，完全能够满足绝大多数用户的精度要求。

 

 

    

     定义连接点是提取DEM的重要步骤，是保证DEM高程精度的关键。可以通过影像自带的RPC星历文件来选取连接点，也可以手动选取左右影像的连接点。通过精确的连接点选择，我们控制点DEM的高程精度在2个像元左右，DEM垂直精度能达到1米。

 

 

    

     设定DEM提取参数也是一个比较重要的步骤，一个好的参数设置不仅可以提高获取DEM的精度，还可以大大提高程序运算的速度。由于需要设置的参数较多，所以不同的卫星数据源的参数设置也不尽相同。通过长期的研究和测试，我们形成了针对不同数据源的DEM提取参数设置，大大提高了立体像对提取DEM的产品精度和生产效率。

 

 

DEM提取参数设置

 

 

 

 

    设定DEM提取参数也是一个比较重要的步骤，一个好的参数设置不仅可以提高获取DEM的精度，还可以大大提高程序运算的速度。由于需要设置的参数较多，所以不同的卫星数据源的参数设置也不尽相同。通过长期目前，我们可以对WorldView，GeoEye-1，Iknos，ALOS，SPOT，CartoSAT-1（P5），RapidEye等多颗遥感卫星的立体像对进行DEM提取，可以制作1米~90米的不同精度的DEM产品。在使用高质量控制资料时，垂直精度的中误差可达到0.5米，完全可以满足1:5000的地图比例尺生产和其他应用。

 

三、立体像对提取DEM的优势

      立体像对的提取只需要遥感立体影像数据和地面控制点，对比传统的外业地形测量和航片提取DEM的方法，具有以下一些优势：

       1、免去实地测量工作，相比耗费人力物力的外业地形测量和成本高的航片提取DEM，大大减少人力物力，节省了成本和时间。

       2、立体像对提取DEM成图范围大，可以作为大面积区域型的DEM提取，这是传统的外业测量和航片提取DEM不具备的。

       3、立体像对提取DEM，由于高分立体像对影像保证了基本的精度，所以提取的DEM精度高。

       4、立体像对提取DEM可以全球范围内进行数据采集和DEM提取，不受环境和地形的限制。

       5、由于遥感影像时相更新快，通过立体像对提取的DEM相比其他方式采集的DEM时相更新更快。

 

四、DEM的应用

        1、DEM在地形分析上的应用

        数字高程模型（DEM）作为数字地形模型（DTM）的一个分支，可以衍生出其他的DTM产品。利用GIS的分析功能我们在立体像对提取的DEM上进行一系列的地形分析，从而得到坡度、坡向、等高线、山体阴影等地貌因子。根据客户需求，我们可以为客户量身定做DTM，还可以生成相应的专题图。

运用ArcGIS的3D Analyst工具，选择3D Analyst \Surface Analysis \Slope工具，对立体像对提取的DEM进行波度分析。的研究和测试，我们形成了针对不同数据源的DEM提取参数设置，大大提高了立体像对提取DEM的产品精度和生产效率。

 

 

 

DEM提取坡度

 

 

坡度图（局部）

 

 

 

    运用ArcGIS的3D Analyst工具，选择3D Analyst \Surface Analysis \Aspect工具，对立体像对提取的DEM进行坡向分析。

 

         

 

DEM提取坡向

 

 

坡向图（局部）

 

运用ArcGIS的3D Analyst工具，选择3D Analyst \Surface Analysis \Contour工具，对立体像对提取的DEM进行等高线提取，生成等高线产品。

 

        

 

 

DEM提取等高线

 

 

 

 

 

 

等高线图（局部）

 

 

 

运用ArcGIS的3D Analyst工具，选择3D Analyst \ Surface Analysis \ Hillshade工具，对立体像对提取的DEM进行山体阴影分析。

 

        

 

DEM提取山体阴影

 

 

 

 

山体阴影图（局部）

 

 

 

 

 

    

       2、DEM在水文分析上的应用

       我们运用ArcGIS软件对DEM进行水文分析研究，可以自动获取试验区的水流方向、水流长度、河流网络以及河流流域等要素，可以应用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况，或者划定受污染源影响的地区，以及预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等，在水利、城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域都有着重要的作用。

       利用ArcToolbox\Spatial Analysis Tools\ Hydrology \Flow Directiongon工具，对DEM进行处理，得到无洼地的水流方向。

 

 

DEM提取水流方向

 

 

    利用ArcToolbox\Spatial Analyst Tools\Map Algebra\Single Output Map Algebra工具，进行后续

处理，通过地图代数表达式（Map Algebra expression）来提取符合长度要求的河流水系。

 

 

DEM提取河流网络

 

 

    利用ArcToolbox\Spatial Analyst Tools\Hydrology\Basin工具箱进行后续处理，得到流域盆地的栅格文件。对流域盆地栅格文件进行矢量化，利用ArcToolbox\Convertion Tools\From Raster \ Raster to Polygon进行处理，将栅格文件转换为多边形的矢量文件。

 

 

DEM提取流域

 

   

        3、DEM在三维地形可视化上的应用

        利用遥感图像处理软件将卫星遥感影像进行正射校正生成数字正射影像图（DOM），并与立体像对提取的DEM进行配准，在三维GIS软件中进行虚拟三维建设，从而生成三维可视化地形。以DEM为基础的三维可视化技术在动态、形象、多视角、全方位、多层次的描述客观现实，以及虚拟化研究、再现预测地学现象等方面有着重要应用。

   我们应用立体像对以及DEM产品，可以生产三维地形图、三维影像动画等产品，可以帮助决策者（如上级领导、项目主管）进行宏观的观察，可以帮助解译者更好的分析地面景观影像，提高解译精度。

 

 

利用DEM生成三维可视化地形

 

 

   

       4、DEM在三维数字城市中的应用

       我们利用立体像对制作数字高程模型（DEM）及正射影像（DOM），两者通过地理坐标叠加套合，生成地表模型。然后对城市实体的数据进行采集与数字建模，并对模型进行编辑和贴纹理。结合规划局现有部分三维建筑物模型、道路模型、树木模型、地下管网数据及相关数据库，在网络环境下，构建三维可视化平台、ArcGIS\Oracle后台管理的虚拟三维城市系统，为用户展示一个三维数字城市模型。

 

 

 

 

DEM应用于三维数字城市

 

   

         目前，Top View拥有WorldView，GeoEye-1，Ikonos，ALOS，SPOT，CartoSAT-1（P5），RapidEye等多颗卫星的立体像对影像资源，可以对这些立体像对进行DEM提取。根据客户需求，生产DEM、DOM、DTM、DLG符合客户需要以及行业要求的4D产品。

        利用这些4D产品制作出的三维可视化地形、三维地形图、数字城市模型，可以为国土、地质、水利、规划等行业的用户提供定制服务。