摄影测量与遥感基础实习参考教材

《摄影测量与遥感基础》实习参考教材（一）

利用ASTER立体像对提取DEM影像的研究与实践

1．概述22222222222222222222222222222222222222222222222222221 2．ASTER主要技术参数及数据类型22222222222222222222222222224 3．ASTER影像数据预处理2222222222222222222222222222222222226 4．DEM提取2222222222222222222222222222222222222222222222227 5．正射影像生成222222222222222222222222222222222222222222212 6．正射影像图制作2222222222222222222222222222222222222222217 7．其他DEM衍生产品制作2222222222222222222222222222222222217 8．结论与展望22222222222222222222222222222222222222222222226 参考文献2222222222222222222222222222222222222222222222222227

1.概述

1.1 研究背景和意义

随着航空航天遥感技术的发展，数字正射影像（DOM）已成为我们获取基础地理信息的重要途径之一，与以往的正射影像相比高分辨率卫星遥感正射影像具有动态获取快、成本低、现势性强、真是直观、兼具色彩与纹理二重性等优势。所谓正射影像，是指改正了因地形起伏和传感器误差而引起的像点位移的影像。数字正射影像图广泛应用于地图制图与更新、资源环境调查与动态监测、防灾减灾与公共设施建设规划等各个领域，所以根据卫片提取DEM并生成正射影像、制作正射影像图是有非常可观的实际应用意义的。

然而建立数字高程模型（DEM）是获取数字正射影像的基础。DEM是构成地形数据和进行地形分析的基础。与传统地形图相比，DEM具有易于以多种形式显示地形信息、精度不损失、易于实现自动化与实时化等特点，可以实现地形因子的自动提取，在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤等国民经济和国防建设以及自然科学和人文领域有着广泛的应用。

目前，世界上许多国家都积极建立了覆盖本国的DEM，并欲联手打造全球DEM。基于DEM的GIS事业正蓬勃的发展着，也渐渐深入到国民经济建设的各个领域。虽然对DEM的需求越来越大，但是截至到20世纪末，全球仍有20%地形起伏在200m以上的地区没有1:5万或更高精度的DEM。我国已经完成了1:400万、1:100万及1:25万比例尺DEM的建设，而更高精度的1:5万比例尺DEM也正在积极建设中。

地形测量一直是测绘领域研究的一个重要课题，传统的测量手段(地面测图，摄影测量)费时费力，利用卫星影像进行测图是现阶段研究的重点。目前人们研究较多的是Landsat影像测图，SPOT影像测图，Ikonos影像测图，但是现在用于立体测图的卫星数据往往是异轨立体成像。异轨立体成像因为立体像对是在不同时段获得的，由于时间不一致，地面可能发生变化，也可能由于云的遮挡，无法构成立体像对， 或是差别太大，影像无法匹配， 这也造成测图成本的提高 。对于一些无图的地区和一些多光谱的传感器数据处理(如MODIS的正射纠正)，地形数据又是不可缺少的。仅仅依靠异轨立体测图是不能解决问题的，ASTER数据则可以满足这种需求[2]。

[1]

1.2 国内外研究现状

1.2.1 DEM构建现状

DEM是一定区域范围内规则格网点的平面坐标及其高程的数据集或经度、纬度数据集。DEM用途广泛，在国民经济和国防建设以及自然科学和人文领域等都需要DEM的支撑。既有的DEM构建有以下几种途径：

⑴通过将野外实测得到离散地面点数据直接用于构建TIN，然后转换为DEM； ⑵利用地形数字化构建DEM；

⑶采用数字摄影测量法利用航摄立体像对构建DEM； ⑷使用卫星遥感图像立体像对提取DEM。

上述DEM都建方法各具优缺点，前三种方法精度较高，但需投入大量的人力物力，且数据获取周期长；而第四种方法利用卫星影像立体像对以获取DEM，可以直接对研究区域进行观测，其数据周期短，资金投入少。随着微型传感器及相关技术的不断发展，利用立体像对所提取的DEM精度也越来越高，如使用SPOT数据生成的DEM精度可达到10m以内，而星载INSAR生成的DEM精度可达到米级，且平坦地区的精度优于山区的精度[3]。

2009年6月30日，美国航天局（NASA）与日本经济产业省（METI）共同推出了最新的地球电子地形数据ASTER GDEM（先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型），该数据是根据NASA的新一代对地观测卫星Terra的详尽观测结果制作完成的。这一全新地球数字高程模型包含了ASTER传感器搜集的130万个立体图像。

ASTERGDEM是采用全自动化的方法对150万景的ASTER存档数据进行处理生成的，其中包括通过立体相关生成的1264118个基于独立场景的ASTERDEM数据，再经过去云处理，出去残余的异常值，取平均值，并以此作为ASTER GDEM对应区域的最后像素值。纠正剩余的异常数据，再按1°31°分片，生成全球ASTER GDEM数据。

1.2.2 正射影像图研究现状

目前国内航片制作数字正射影像的方法有以下几种：采用全数字摄影测量工作站（JX4或Virtvzo）制作、采用单片微分纠正软件（Geoway DOM或GEOimage等）、多项式纠正软件（Geoway）等。PCI Geomatica是加拿大PCI公司开发的

用于遥感图像处理、GIS分析、摄影测量和制图输出的多功能软件系统，用它来制作数字正射影像更加经济实惠、方便快捷。

数字正射影像的应用：①用于测绘生产：利用正射影像图勾绘地物图形进行地形图生产，也可以用于修测地形图②在城市规划设计、建设和管理中，数字正射影像图提供了大量的信息，以直观详实的影像反映了许多实地踏勘中的盲点，利用数字正射影像可以更真实。直观地了解城市的地形地貌及环境状况。同时，利用数字正射影像图作为规划底图，是规划内容与周边环境的关系更加清晰，在旧区改造、历史古建筑保护、城市重点区域和地区标志性建筑的规划设计中可以发挥十分重要的作用③由于正射影像产品具有地形图垂直投影的特性，但它又比地形图更直观，无须了解专业知识就可以识别图中内容，使其具有更广阔的服务空间④利用数字正射影像制作三维景观模型，传统的城市景观模型是以纸板或其他材料制作的非数字式模型，想做得逼真，费时费钱。用数字正射影像制作三维景观具有非常广阔的发展前景[4]。

1.3 主要研究内容及技术路线

图1.1 研究内容及技术路线

本文先用ENVI4.6软件对ASTER影像进行预处理，提取出想要的多光谱影像，并且提取DEM；然后在PCI中进行正射校正，生成正射影像；最后利用提取的DEM制作地形图、正射影像。

2.ASTER主要技术参数及数据类型

ASTER是极地轨道环境遥感卫星Terra（EOS-AMI）上载有的5种对地观测仪器之一，属于高级多光谱遥感成像仪，轨道为太阳同步近极地轨道，轨道高705km，运行周期98.88分钟，下行过 赤道地方时为上午10:30′15″,地面重复访问周期为16天。它提供了可见光—近红外（VNIR）、短波红外（SWIR）和热红外（TIR）3个通道的遥感数据。包含从可见光到热红外范围的14个波段， 1、2、3波段为可见光/近红外波段，3B 波段为后视成像波段，是卫星飞过去了几十秒后对先前垂直成像区域的重新成像， 3N 波段与 3B 波段是一样的波段范围成像，只不过 3N 是垂直成像， 3B 为后视成像， 3N 波段与3B波段组成立体像对用于 ASTER 立体测图生成 DEM。1、2、3波段的空间分辨率为 15m ， 4-9 波段为短波红外波段空间分辨率为 30m ， 10-14 波段为热红外波段空间分辨率为 90m 。

ASTER数据主要有两种：标准HDF数据和地面站数据。本次研究所用的ASTER数据包括了五种类型文件：prbr0120.brs、prbr0121.jpg、prbr0122.jpg、prbr0123.jpg、prbr012.dat，这些称为地面站数据。三个jpg格式的文件为多光谱影像的示意图，brs格式为数据头文件，dat格式为数据源文件，包含了数据的所有数据信息，所需的DEM也是以dat为原始数据处理而来。

ASTER数据除去未经处理的原始数据Level0以外，其他的数据都经过了不同程度的处理。目前用户可以申请到的数据产品有L1、L2、L3、三个级别。其中使用最多的是Level1产品。Level 1 类数据产品包括两种:Level 1A (L1A) 和

Level 1B (L1B) 。L1A 数据是经过重构的未经处理的仪器数据,保持了原有分辨

[1]

率。L1A 数据产品文件中包含了数据字典、类属头文件、云量覆盖表、辅助数据以及3 个子系统的数据,子系统数据中包括各子系统的专门头文件、各个波段的影像数据、辐射计矫正表、几何矫正表和补充数据。

L1B 数据在L1A 的基础上,使用L1A 自带的参数完成辐射计反演和几何重采样后生成的。所以在子系统文件中少了辐射计矫正表和几何矫正表两项内容。在生产时用户可以根据需要选择采样方法,在默认情况下采用UTM 投影,CubicConvolution 重采样方法。ASTER 每天能获得并处理650 景左右L1A 数据,L1B 数据的最大产量为310景左右。已经进行了几何初步矫正和辐射定标

矫正。

更高级别的数据产品还有16 种之多,是在L1 数据产品的基础上进行处理后生成的,这些处理包括了更细致全面的辐射校正等。VNIR 子系统有一个后视波段,极大地方便了在轨迹方向上进行立体观察。这一功能也成为ASTER 数据的一个重要特点,即可以生成立体像对。前视后视传感仪的夹角为27.7°,基高比(B/ H) 0.6。

空间分波光学子系统 段 1 可见光近红外(VNIR) 2 3N 3B 4 5 短波红外(SWIR) 6 7 8 9 10 11 热红外(TIR) 12 13 14 (μm) (m) 0.52~0.60 0.63~0.69 15 0.78~0.86 0.78~0.86 1.60~1.70 2.145~2.185 2.185~2.225 30 2.235~2.285 2.295~2.365 2.360~2.430 8.125~8.475 8.475~8.825 8.925~9.275 10.25~10.95 10.95~11.65 90 NE△ρ≤0.3% NE△ρ≤1.3% NE△ρ≤1.3% NE△ρ≤1.3% ≤3K(200~240K) ≤2K(240~270K) ≤1K(270~340K) 12bits ≤3K(200~240K) ≤2K(340~370K) NE△ρ≤0.5% NE△ρ≤1.3% NE△ρ≤1.3% ≤±4% 8bits NE△ρ≤0.5% ≤±4% 8bits 谱段范围辨率辐射分辨率 绝对精度 级 量化表2.1 ASTER影像数据参数

传感仪及波段范围 Multi/VNIR ASTER Multi/WIR Multi/TIR Multi/VNIR MODIS Multi/WIR 空间分辨率(m*m) 15*15 30*30 90*90 250*250 500*500 幅宽(km) 60 60 60 2330 2330 2330 185 185 60 60 60 120 波段数 4 6 5 2 5 29 7 1 1 3 1 1 立体像对 有（沿轨） 无 无 无 无 无 无 无 无 有（交轨） 有（交轨） 有（沿轨） Multi/TIR 1000*1000 LandSat7/ETM+ Pan Pan SPOT5/HRG Multi/VNIR Multi/SWIR SPOT5/HRS Pan 15*15 5*5 10*10 20*20 10*10 Multi 30*30 表2.2 ASTER传感器与其它传感器数据比较

3.ASTER影像数据预处理

遥感成像的时候，由于飞行器的姿态、高度、速度以及地球自转等因素的影响，造成图像相对于地面目标发生几何畸变，这种畸变表现为象元相对于地面目标的实际位置发生挤压、扭曲、拉伸和偏移等，这些畸变将不可避免的带来误差，这些误差将不同程度地影响遥感数据的质量及图像分析的精度。为获取尽可能真实的图像，针对几何畸变进行的误差校正就叫几何校正。

ASTER预处理其实就是对图像的校正与配准，在某些时候（如原始遥感图像较大，为提取出我们所感兴趣的区域范围）还可以对图像进行裁剪。利用ENVI4.6的Basic Tools菜单下的ASTER Georeference Data工具查看头文件，可以看出此次所用的数据为L1B级别的影像，同时查看其MapInfo，可以看出此影像已经过辐射纠正和几何纠正。几何纠正的精度为：相对误差在15m之内。几何纠正后的影像为UTM投影，基准面为WGS-84。

此次研究我采用立体相对提取DEM的方法，ASTER中的3N波段和3B波段已

成为标准的前后视关系，但是原始的ASTER数据中有14个波段的信息，所以在预处理中要将3N波段和3B波段读取出来，为DEM提取做准备。

4.DEM提取

DEM的提取是制作正射影像的关键步骤。

卫星遥感图像提取DEM的技术是遥感技术发展的一个重要方向。利用立体像对提取DEM不仅效率高，且具有数据更新快及人力物力耗费少等优点。该技术在AVHRR、SPOT和RADARSAT等数据中的应用已很成熟[5,6]。但基于ASTER DEM影像数据的DEM提取技术研究有限，且多使用PCI软件。PCI软件虽然强大，但需设置工程，DEM提取较复杂，在没有控制点信息的情况下不易提取。所以，本文采用ENVI软件提取DEM。在ENVI中提取DEM相对简单，在Topographic菜单下的DEM Extraction模块中即可完成（见图4.1）。此时有两种选择，对于DEM提取步骤不熟悉的人可以选择DEM Extraction Wizard(也就是DEM向导)，由它引导提取；还可以自主的进行选择控制点、建立核线信息等操作。

图4.1 ENVI工具栏中的DEM Extraction模块

具体流程如图4.2：

图4.2 DEM构建流程图

4.1选择左右影像

进入向导，第一步是选择左右影像，点击Select Stereo Images跳出选择框，选择3N波段为左影像，3B波段为右影像（见图4.3）。

图4.3 选择左右立体影像窗口

4.2选择控制点来源

此步骤有三个单选项：无控制点、确定交互的控制点、从文件中读取控制点。

确定绝对高度、相对高度、坡度、坡向等多种地秒形态数量特征。通过等高线地形图中等高线的不同弯曲形态，可以判读出地表形态的一般状况。生成结果如图7.4。

图7.4 等高线地形图

7.5地形剖面图

地形剖面图指沿地表某一直线方向上的垂直剖面图，以显示剖面线上断面地势起伏状况。

地形剖面图是在等高线地形图的基础上绘制的。它在平整土地、修筑渠道、建筑铁路、公路和其他工程时，可作为计算土石方量的依据。生成结果如图7.5.2。

图7.5.1 坡面线

图7.5.2 地形坡面图

7.6基本地貌形态类型划分与制图

本文根据绝对高程对地貌分级，根据我国2007版工程地质手册，山地按地貌类型分类如表7.6.1。

山地名称 最高山 高山 高中高山 山 低高山 高中山 中中山 山 低中山 低山 中低山 500～1000 低山 丘陵 平原 200～500 200以下 200～500 200～500 500～1000 以构造作用为主，受长期强烈剥蚀切割作用 1000～3500 500～1000 部分的冰川刨蚀作用 200～500 >1000 以构造作用为主，具有强烈的剥蚀切割作用和3500～5000 500～1000 用 绝对高度(m) 相对高度(m) >5000 >5000 >1000 以构造作用为主，具有强烈的冰川刨蚀切割作主要特征 其界线大致与现代冰川位置和雪线相符 表7.6.1 山地按地貌形态分类

本文采用相对高度对山地进行分类，由于此次所研究的青海某地区山体相对高度较低，最高的山体相对高度都只有255m，按上述分类都为低山。所以该区根据相对高程可分为两级，即<200m为平原，>200m为丘陵。

根据上述分级，在ArcGIS软件的3D Analyst模块中重分类功能可以完成该区的相对分级（见表7.6.2）。

对比内容 面积(m) 相对高程 平原 丘陵 26396910 2726782 89.3% 10.7% 2百分比(%) 表7.6.2 各级绝对高程面积对比

图7.6 由DEM生成的绝对高程图

8.结论与展望

本文以青海某地区ASTER影像为例，利用ENVironment4.6、PCI Geomatica9.1及ArcGIS9.2等软件对影像进行处理： ⑴在ENVI的DEM-Extraction中提取出了该地区的DEM； ⑵在PCI中制作了正射影像图；

⑶在ArcGIS的Arcmap中利用3D Analyst模块生成了各类地貌形态示量图。

以上实验表明，采用常规的技术手段和普通的商业软件就可以处理ASTER卫星影像，提取出的DEM是稳定可靠的，不仅方法简单可行，而且方便实惠。衍生的地貌形态示量图不仅有助于对地貌形态及其分类的研究，还有助于自然地理其他相关研究。

参考文献

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[14]魏永杰.ASTER遥感影像在土地利用调查的应用——以广州花都区为例[D].广州大学地理科学学院毕业论文，2007，（03）

《摄影测量与遥感基础》实习参考教材（二）

基于PCI的遥感正射影像制作

-以SPOT影像为例

2. SPOT数据和PCI软件介绍……………………………………………………9 3.基于PCI的数字正射影像的制作………………………………………………11 3.1正射影像图制作具体步骤……………………………………………….…11 3.2 DOM质量检查…………………………………………………………….…17 3.3 生成正射影像图……………………………………………………………18 4.基于PCI三维场景制作和三维可视化飞行………………………………...… 19 5.成果展示…………………………………………………………………………23

2. SPOT数据和PCI软件介绍

本次试验提供的数据是美国加利福尼亚州圣地亚市的两幅spot全色影像，该影像以TIFF格式储存，全色波段影像分辨率为2.5m，该摄区内山川相连，起伏较大，地貌比较复杂。

PCI Geomatica是加拿大图像处理软件系统的先驱PCI公司开发的遥感影像处理系统，用于摄影测量分析、遥感影像处理、几何制图、地理信息系统分析、雷达数据分析、以及资源管理和环境监测的多功能软件系统。PCI Geomatica作为图像处理软件系统的先驱，以其丰富的软件模块、支持所有的数据格式、 适用于各种硬件平台、灵活的编程能力和便利的数据可操作性代表了图像处理系统的发展趋势和技术先导。从费用方面考虑，该软件绝大部分模块都免费向用户提供，与使用某些收费软件相比，可以极大地减少费用,此外利用PCI Geomatica制作正射影像图具有生产速度快、效率高等特点,所以我的课题选择这个软件完全能达到设计的要求。

图2.1 PCI软件主面板

在PCI中OrthoEngine模块提供了有关于本次试验的提取DEM和制作正射影像的诸多功能。

图2.2 OrthoEngine模块主面板

FLY模块提供了生成三维场景和进行三维可视化飞行的功能。

图2.3 FLY模块主面板

Xpace模块提供生成正射影像图的功能。

图2.4 Xpace模块主面板

3基于PCI的数字正射影像制作

正射校正这一块主要在PCI中的OrthoEngine中进行，该模块中可以新建或打

开工程、加载影像、采集控制点和同名点、提取DEM、正射校正和镶嵌等一系列操作。

3.1数字正射影像制作具体步骤

下面对制作正射影像的具体过程进行一些说明:

3.1.1 创建工程文件。OrthoEngine的工作是建立在 一个有一个的工程基础之上的。因此在使用OrthoEngine的功能之前需要打开一个已存在的工程或创建一个新的工程。工程文件是以.prj为扩展名的ASCII码文本文件，工程文件包含了研究区域内所有影像、相机校准信息、工程设置信息、地面控制点坐标及相关

信息等。

图3.1 创建工程面板

3.1.2 加载影像。将需要纠正的图像加入到工程文件中,PCI 软件允许一次加入多张图像。本次试验共有一对立体像对，即spotleft.pix、spotrght.pix。

图3.2加载影像

3.1.3 采集地面控制点。地面控制点（GCP）的一个特点就是能够清晰的识别已经获得大地坐标但还未加工的影像。一般而言控制点的数目不能少于6个，而且控制点的数量越多生成的影响精度就越高。OrthoEngine模块提供了几种选取控制点的方法 地面控制点和同名像点的选取均可以采用手工选取和自动选取、通过控制点库、数字化仪等几种方法。本次试验由于项目提供了控制点信息，因而选取的是通过文本文件采集控制点。

图3.3 导入控制点 ID G0011 G0012 G0013 像元X 像元Y 地面 X 地面 Y 高程Z 170.69 374.90 56.69 1152.500 1546.500 410201.79 3760300.65 3862.500 3587.500 434461.75 3733786.19 3557.500 4208.500 429461.69 3728549.39

G0014 G0015 G0016 G0017 G0018 3015.500 4820.500 421746.82 3724032.00 2345.500 4160.500 416139.05 3732099.03 2555.500 5306.500 415284.49 3720518.52 1876.500 5078.500 408444.61 3724433.42 1597.500 2001.500 413845.93 3754793.55 9.14 16.76 25.60 1.83 98.76 表3.1部分控制点信息

3.1.4采集同名点。一个特征地物在两个或者更多重叠影像在出现，那么在这些影像上就可以采集同名点作为清晰可变的参考点。它是用来建立两张像片之间关系的。PCI软件提供两种采集同名点的方法，即手动采集和自动采集两种方式。由于自动采集同名点可以大大减少时间消耗，减少重复地辨别重叠的影像间相同点的工作，而且影像相关技术可以找出影像所分布的匹配点，所以本次试验使用的是自动量测同名像点。自动量测同名像点实际上就是进行影像匹配,将出现在两幅或多幅图像重叠区域上的点,量测其在影像上的坐标位置。

图3.4 采集控制点

3.1.5传感器模型计算。对于卫星影像，外方位元素结算为影响影像效果的几个可变量提供了解决方法，几个影响因素有：平台位置、速度、传感器方位、综合

时间以及视场。利用PCI提供的自动计算功能，软件将根据你先前设置的系数自动帮你计算。

图3.5 计算传感器模型

3.1.6 提取DEM。DEM的提取采用的是从立体相对中提取的方法。DEM的提取首先要生成核线投影影像，然后是提取DEM并编码，最后生成DEM。

图3.6 提取DEM

图3.7生成核线投影影像设置

3.1.7 执行正射校正。正射校正后的影像减小了由于平台、传感器、地球表面和曲率以及地图投影引起的变形的过程。

图3.8 正射校正

3.1.8 生成正射影像。打开生成正射影像对话框后加载相应影像的DEM数据，选取三次卷积内插法作为重采样方法生成正射影像。

图3.9 生成正射影像

3.1.9 镶嵌。镶嵌是将几个任意形状的航空或卫星影像结合到一起，形成一幅更大的经过辐射均衡化的航空或卫星影像。镶嵌影藏了原始航空影像或卫星影响间的接缝线。 镶嵌首先要定义一个镶嵌区域，然后才能进行镶嵌操作，

图3.10 进行镶嵌前设置

图3.11 镶嵌后的结果

3.2 DOM质量检查

对最终作业成果的检查主要包括:影像是否清晰, 清晰度是人们对于正射影像的第一感觉，是评价正射影像质量的最关键因素。清晰度的问题主要体现在影像模糊，色调、饱和度较差，像对间镶嵌边缘反差和灰度明显不一致，此外反差是否适中,色彩及色调是否均匀,影像有无错位、扭曲、拉花等现象，片与片之间接边处有无痕迹,接边重叠处是否模糊或重影等均是常用的DOM质量检查项目，以上检查的好坏也决定着DOM成果是否达到令人满意的结果。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/abo7.html