一种高精度海岸带DSM构建方法研究.pdf

第43卷第3期2023年5月引文格式：张兵兴，晏新村，滕惠忠，等.一种高精度海岸带DSM构建方法研究J.海洋测绘，2 0 2 3，43（3）：6 4-6 7.D0I:10.3969/j.issn.1671-3044.2023.03.014海洋测绘HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTINGVol.43,No.3May.,2023一种高精度海岸带DSM构建方法研究张兵兴1,晏新村,滕惠忠,郭忠磊,叶秋果,金际航（1.916 50 部队，广东广州510 32 0；2.海军研究院，天津30 0 0 6 1）摘要：为提升海岸带区域遥感影像无控定位能力，构建高精度海岸带数字表面模型（digital surface model，DSM），提出使用ICESat-2星载激光测高数据精化提取控制点，辅助自主可控高分遥感卫星影像立体区域网平差，从而提高影像定位精度。最后利用某海岸带区域高分七号卫星影像和提取制作的ICESat-2激光控制点进行海岸带数字表面模型构建试验，结果表明：使用上述方法构建的海岸带数字表面模型高程精度已满足1：1万比例尺成图高程精度优于1.5m的要求。本文方法对在海岸带或境外等地区开展遥感测绘具有借鉴意义。关键词：海岸带测绘；数字表面模型构建；高分七号卫星；ICESat-2卫星；激光控制点中图分类号：P2371引言数字表面模型通常指可视的地表模型，是地形、地貌、地物空间信息的统一表现 。高精度、精细化的海岸带DSM不仅可用于海岸带资源整合利用、地形变化监测，而且还可用于战时地形坡度分析、登陆路径规划、飞行器航路设计等作战行动中的测绘信息保障,开展高精度海岸带DSM构建技术研究意义重大。卫星遥感立体测图技术因为其不受国界限制且重复周期快的特点,是实现全球目标区域DSM快速生产的主要测绘途径，且相关技术已在陆地区域开展了大量研究和生产应用2 。但在海岸带区域，由于过去卫星影像分辨率不高，控制点缺乏，且海岸带水域面积较大，影像特征单一，立体匹配困难，致使卫星影像定位精度不高，因此相关研究开展较少3-5。近年来，我国传感器技术快速发展，卫星影像分辨率实现了重大突破，遥感立体测图能力有了显著提高。以高分七号卫星为例,其搭载的双线阵立体测绘相机和激光测高仪能提供幅宽优于2 0km,分辨率优于0.8 m的立体测绘影像以及测距精度优于0.3m的激光测高数据6 ,可实现1：1万大比例尺立体测图,这为开展海岸带区域高精度DSM构建技术研究提供了新的强力数据源。同时，随着地理信息数据发展越发多元化、精准化，如何利用多源数据融合处理,进行优势互补，也成为了当前研究的新思路。公开、可免费获取的地理信息数据（如文献标志码：A文章编号：16 7 1-30 44(2 0 2 3)0 3-0 0 6 4-0 4GoogleEarth影像、全球格网数据SRTM、公开卫星数据等)因为获取方式简单，没有权限限制，已成为学者们开展研究的主要数据源之一7-9。基于此，本文提出利用公开的ICESat-2/ATLAS全球激光测高数据提取一批激光高程点代替实测控制点，辅助国内自主高分辨率卫星影像进行区域网平差，以此提高海岸带DSM构建精度,最后使用某海岸带区域高分七号影像进行试验验证。2激光高程点精化提取技术2.1ICESat-2激光载荷2003年1月，美国国家航空航天局（NASA）发射了 ICESat(Ice,cloud and land elevation satellite)激光测高卫星，其搭载的激光雷达测高系统（GLAS）是世界上第一个能够进行全球连续观测的星载激光雷达系统,后因激光器故障以及其他多种原因已于2 0 0 9年10 月停止数据采集工作。2 0 18 年9月，NASA继ICESat之后发射了ICESat-2,主要用于监测全球特别是两极冰层变化、全球植被情况以及云和气溶胶10-12 ,其搭载的先进地形激光测高系统（A T L A S）相较第一代ICESat/GLAS，不仅测高精度更高,而且光斑足印更小。ICESat-2/ATLAS技术指标见表1。其搭载的有效载荷ATLAS使用光子计数雷达代替传统线性体制激光雷达，能同时发射6 波束激光对地面进行观测，6 波束两两为一组，包括一束强激光一束弱激光，同组强弱激光束间隔收稿日期：2 0 2 2-0 5-2 0；修回日期：2 0 2 2-0 6-15作者简介：张兵兴（1996-），男，云南曲靖人，助理工程师，主要从事遥感测绘数据处理研究。(1)第3期90m，相邻两组激光束沿垂直运动轨迹方向间隔3.3km。工作时3组激光沿轨方向每隔0.7 m发射一次,激光足印直径约17 m,每个激光足印范围内能够记录大量激光点，基本实现沿轨方向的连续探测13。同时,ATLAS激光测高数据高程精度能达到0.1m,因此,可将其作为控制数据辅助卫星影像区域网平差14-15,提升影像定位精度。表1ICESat-2/ATLAS技术指标指标激光波束波长脉冲频率光斑直径脉冲能量光斑间距测高精度2.2激光测高数据提取控制点ICESat-2/ATLAS采用多波束推帚式探测模式，这为控制点密集采集创造了可能。但由于平面定位精度难以控制的原因，不同的地形、地物条件对激光高程点空间坐标的测量精度具有较大影响。因此,在控制点提取过程中需要考虑地形因素。激光高程点提取控制点方案见图1，具体处理流程如下：ICESat-2激光测高数据（ATL03）数据整理经纬度、高程、类型和质量评价信息去噪、粗筛选保留isurf=1,conf=4的激光高程点立坡度筛选保留坡度 6 的激光高程点分布，位置平差控制点图1高程控制点提取流程示意图(1)激光高程点粗筛选。对激光高程点信息进行分类，保留点的经纬度、高程、类别和质量评价等信息，减少数据量。通过产品质量评价指标，对激光测高点进行初筛选，确保提取后激光测高点的质量可靠性。其中相关参数包括：isurf(15分别表示陆地、海洋、海冰、陆冰、内陆水）;conf(04分别表示噪声、背景填充、低、中、高置信度信号），筛选满足isurf=1,conf=4的激光测高点。(2)基于DEM的坡度筛选。考虑到在地形变化明显区域，测高数据的平面误差容易导致位置偏张兵兴，等：一种高精度海岸带DSM构建方法研究设计值6波束532 nm10 kHz17 m强激光束:约 0.12 mJ弱激光束：约0.0 4mJ光斑航向间距：0.7 m旁向（相邻两强或两弱）：3.3km旁向（同组强弱）:0.0 9km0.1 m参考DEM65移，引起较大的高程误差，因此需使用目标区域数字高程模型（digital elevationmodel,DEM）进行坡度筛选。通过计算激光测高数据点所在平面位置各个方向最大坡度值,选择最大坡度值小于6 且邻域20m范围内坡度值无显著变化（认为同一高程值)的激光测高点作为地势平坦点，确定控制点选择范围。(3)控制点确定。转换高程基准,对照影像,按照分布均匀、位置合理的原则选取地势平坦点作为平差控制点。3海岸带高精度数字表面模型构建技术海岸带数字表面模型的构建精度主要取决于卫星影像区域网平差精度，而影像区域网平差精度又受制于控制点质量和精度。高分七号卫星影像采用基于有理函数模型(RFM)的立体影像区域网平差进行影像定位。地面点空间坐标（X,Y,Z)与对应的像点坐标(x,y)之间关系可用比值多项式表示为：Pi(X,Y,Z)x=P2(X,Y,Z)P;(X,Y,Z)P4(X,Y,Z)式中,P1P2P3P4为一般多项式，一般取3阶,共有80个系数,即卫星影像自带的RPC 参数16 因为ICESat-2激光测高数据高程精度为0.1m，符合高分七号影像立体定位控制点精度要求。因此本文将提取的激光测高数据作为控制点辅助影像区域网平差，优化立体影像几何成像模型。具体方案如下：（1)数据预处理。对卫星影像、参考影像(作为基准影像刺点使用）、参考DEM（全球地形格网数据）、平差控制点进行整理，统一坐标系和高程基准。(2)匹配连接点，自由网平差。使用多级金字塔物方连接点匹配算法,进行密集匹配,提取同名特征点，建立影像连接，获取数量足够、分布均匀的连接点,进行自由网平差,完成影像相对定向。在匹配过程中使用参考DEM数据进行辅助,提高匹配精度和成功率。(3)ICESat-2平差控制点辅助区域网平差。按前文介绍的ICESat-2/ATLAS激光高程点精化法提取平差控制点，对照参考影像进行控制点转刺,进行有控条件下的影像区域网平差。(4)DSM构建与精度验证。自动化输出DSM。引人检查点验证DSM高程精度。ICESat-2激光测66高数据辅助下的海岸带DSM构建流程见图2。卫星立体参考DEMATLAS激光参考影像影响测高数据立连接点匹配平差控制点自由网平差海洋测绘晰,地物类别易于区分。控制点转刺第43卷立体区域网平差DSM图41m分辨率DSM成果示意图精度验证DSM高程精度比对。由于无法获取实测控制图2 激光测高数据辅助DSM构建流程示意图点，试验采用除作为控制点外的其余6 9个激光高程4试验与分析4.1数据介绍试验区域选取某海岸带，该区域影像包含海域和陆地，海域占40%，陆地占6 0%，岸线绵长。陆地部分西低东高,为丘陵地形,平均海拔150 m。数据准备阶段,共收集两景高分七号卫星影像，拍摄时间分别为2 0 2 1年6 月和7 月，两景影像重叠度大于6 0%，每景包括全色前视影像、全色后视影像和多光谱后视影像，全色影像空间分辨率优于0.8m，多光谱影像优于2.6 m。经检查挑选，7 月影像云量覆盖率较高，不利于影像匹配过程中特征点提取，误匹配概率较大，影响立体测图整体精度。最终只使用6 月影像进行试验，前后视构成立体像对。参考影像选取该区域1张正射影像；参考DEM使用全球30 m格网地形数据（SRTM1），范围覆盖测区。控制点采用上述激光高程点精化法对获取的测区范围内42 条ICESat-2/ATLAS原始激光点条带（见图3)进行精细化处理，人工筛选出陆地高程点82个。挑取其中13个特征明显且位置分布均匀的点作为平差控制点。激光光斑点作为检查点。使用ArcGIS软件，提取DSM成果上对应检查点处的高程值，并计算提取高程值和检查点高程值较差。图5为高程偏差分布示意图。计算比较可知：ICESat-2激光高程点辅助高分七号影像制作1m分辨率DSM高程方向最大误差为2.9m,最小误差为0.0 6 m，高程中误差为1.15m，满足1：1万比例尺立体测图1.5m高程精度要求6 。其中,误差范围大于2 倍中误差点有7 个，分布位置见图6(红色三角形点为选用控制点,绿色圆点为偏差大于2 倍中误差检查点）。分析发现，这7 个点主要分布于地形起伏较大且影像上有云层遮挡区域，影像匹配精度不高。32.521.5(u）10.5-1-1.5-2-2.5-3图5数字表面模型高程偏差分布示意图大于2 倍中误差检查点控制点云层区域检查点数10203040506070（个）激光条带图3ICESat-2激光条带及光斑带示意图4.2试验结果及分析使用苍穹数码技术股份有限公司研制的遥感卫星数据处理软件,坐标系选择WGS84,高程基准采用19 8 5国家高程基准，最终输出DSM成果分辨率为1m，见图4。从成果可以看出地面岸滩纹理清图6 残差较大点位置分布示意图4.3试验结论（1)高分七号卫星影像能够支撑构建1m格网分辨率数字表面模型，模型纹理清晰，特征明显。（2）使用ICESat-2激光高程点提取平差控制点辅助卫星影像区域网平差,能有效提高影像定位精度,且第3期精度能满足1：1万比例尺成图对高程精度的要求。（3)较大地形起伏和云层遮挡会影响影像定位精度。5结束语针对在海岸带遥感测图过程中影像分辨率不足、控制点缺乏问题，本文充分应用ICESat-2星载激光测高数据开源和精度高的优势，建设性提出使用测高数据精化提取控制点，并作为控制数据辅助自主高分卫星影像区域网平差，提高影像无控定位精度。通过试验验证，海岸带区域数字表面模型的高程精度能达到1.15m，优于1：1万比例尺测图1.5m精度要求。本文方法对开展海岸带区域遥感立体测图具有指导意义。然而,受激光光斑直径限制，目前提取控制点对目标区域地形、地貌要求较高，多适用于地势平坦的开阔地带,在坡度较大地区,激光控制点精度无法有效保证。针对这一问题,后续研究中还应该寻找一种具有普适性的激光高程点精化方法，同时增加质量控制，提高激光高程点代替实测控制点的可靠性。参考文献：1丝纪松.线阵影像多视匹配自动提取DSM的理论与方法D.郑州：信息工程大学,2 0 0 8.2宋冰,林卉，丁翠,等.线阵 CCD卫星影像DSM自动生成技术J.测绘通报，2 0 16(6)：2 2-2 5.3李军,蒋红燕，郭晋宁，等.海岸带卫星影像的处理和应用研究J.海洋测绘,2 0 10,30（4：44-47.张兵兴，等：一种高精度海岸带DSM构建方法研究43(7):145-152.6曹海翊，戴君，张新伟，等.“高分七号”高精度光学立体测绘卫星实现途径研究J.航天返回与遥感，2020,41(2):17-28.7潘雪琛,姜挺，余岸竹，等.基准影像数据辅助遥感影像几何定位J.遥感学报,2 0 19,2 3（4)：6 7 3-6 8 4.8潘雪琛，姜挺，余岸竹，等.GoogleEarth辅助下的高分辨率遥感影像区域网平差J.测绘科学技术学报，2017,34(6):622-627.9陈小卫,张保明,张同刚,等.公开DEM辅助无地面控制点国产卫星影像定位方法J.测绘学报，2 0 16,45(11):1361-1370.10陈国栋,李建成，褚永海，等.利用ICESat数据确定北冰洋海冰出水高度以2 0 0 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ICESat-2 spaceborne laser altimetry data to refine and extract control points to assist in the regional network adjustmentof autonomous and controllable high score remote sensing satellite images,so as to improve the imagepositioning accuracy.Finally,this paper uses the Gaofen-7 satellite image of a coastal zone and the ICESat-2laser control points extracted and produced to construct the coastal zone digital surface model.The results showthat the elevation accuracy of the coastal zone digital surface model constructed by the above method has met therequirements of 1:10 000 scale mapping,and the elevation accuracy is better than 1.5 m.This method can beused for reference in remote sensing surveying and mapping in coastal zone or overseas areas.Key words:coastal zone mapping;construction of digital surface model;Gaofen-7 satellite;ICESat-2 satellite;laser elevation point