王月如,高林營(yíng),周智勇
(重慶市勘測(cè)院,重慶 401121)
DEM是常用在設(shè)計(jì)工作中的測(cè)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),能夠提供必要的地形起伏信息。但是隨著時(shí)間推移,地表因人類(lèi)活動(dòng)或地質(zhì)災(zāi)害作用而產(chǎn)生變化,往期測(cè)繪得到的DEM成果時(shí)效性變差,不能滿(mǎn)足要求,需要生產(chǎn)新的DEM。大范圍生產(chǎn)全新DEM對(duì)于整體變化不大的區(qū)域是一種浪費(fèi),而在往期DEM的基礎(chǔ)上對(duì)變化區(qū)域進(jìn)行更新是比較常用的方案,既能滿(mǎn)足時(shí)效性要求又能兼顧經(jīng)濟(jì)性。以往DEM更新方法主要是對(duì)變化區(qū)域重新外業(yè)測(cè)繪或通過(guò)航空攝影測(cè)量方法得到等高線(xiàn)、特征線(xiàn)、特征點(diǎn)后更新到原特征點(diǎn)線(xiàn)中內(nèi)插得到新DEM,但是此傳統(tǒng)方法存在著人工工作量大、地形細(xì)節(jié)有損失的缺點(diǎn)。隨著新型測(cè)繪技術(shù)發(fā)展,點(diǎn)云生產(chǎn)DEM的作業(yè)方法逐漸被測(cè)繪行業(yè)所采用[1~3],其成果細(xì)節(jié)豐富、精度高、人工成本較低。但是獲取激光雷達(dá)點(diǎn)云需要激光掃描儀才能夠獲取,對(duì)于無(wú)點(diǎn)云成果要求的項(xiàng)目來(lái)說(shuō),采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高了工程成本。對(duì)于需求更新DEM的同時(shí)要求采集最新航空影像的項(xiàng)目來(lái)說(shuō),使用傾斜影像密集匹配點(diǎn)云對(duì)DEM進(jìn)行更新[4,5],是一種降低成本同時(shí)有效保證DEM質(zhì)量的方法。
試驗(yàn)區(qū)選擇在重慶市兩江新區(qū)石船片區(qū)。該片區(qū)目前尚未大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè),地形起伏大,丘陵、丘谷交叉分布,丘谷多為池塘、梯田,丘陵緩坡上有零落的居民地聚集點(diǎn)和鄉(xiāng)村道路,陡坡覆蓋有茂密的常綠闊葉喬木,丘陵頂部植被稀疏,多為草本植物和零星小型灌木。
該區(qū)域在2020年使用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云生產(chǎn)了 1∶1 000比例尺的CGCS2000高斯投影3°分帶的DEM成果,為了滿(mǎn)足新的使用需求,需提供該片區(qū)現(xiàn)勢(shì)性較強(qiáng)的2021年重慶獨(dú)立系中帶 1∶1 000比例尺DEM成果。因該片區(qū)地形整體變化不大,僅部分區(qū)域因道路建設(shè)有所變化,故整體生產(chǎn)新的DEM勢(shì)必造成人力的浪費(fèi)。針對(duì)變化區(qū)域進(jìn)行更新是經(jīng)濟(jì)性高、節(jié)省工期的優(yōu)勢(shì)方法。
因?yàn)轫?xiàng)目同時(shí)有數(shù)字正射影像產(chǎn)品需求,考慮到成本,故將航飛得到的傾斜影像密集匹配點(diǎn)云作為DEM更新的源數(shù)據(jù),而不是重新對(duì)整個(gè)區(qū)域獲取機(jī)載LiDAR點(diǎn)云。傾斜影像密集匹配點(diǎn)云點(diǎn)密度為 16點(diǎn)/m2,坐標(biāo)系為重慶獨(dú)立系中帶。另外還需要當(dāng)期航飛后處理得到的數(shù)字正射影像和歷史DEM對(duì)應(yīng)的往期數(shù)字正射影像用以對(duì)比后獲取更新范圍。主要更新操作基于的軟件為西安煤航的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)LiDAR_DP。
通過(guò)對(duì)比兩期數(shù)字正射影像中變化的部分,人工目視解譯出需進(jìn)行更新的范圍;對(duì)歷史DEM進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至成果要求的坐標(biāo)系并反生成點(diǎn)云;對(duì)傾斜影像密集匹配點(diǎn)云中的更新范圍內(nèi)點(diǎn)進(jìn)行濾波,提取出地面點(diǎn);將歷史DEM轉(zhuǎn)出的點(diǎn)中更新范圍內(nèi)的點(diǎn)去除,并加載新更新范圍內(nèi)的新點(diǎn);對(duì)更新范圍內(nèi)的點(diǎn)和新舊點(diǎn)接邊處進(jìn)行人工處理,對(duì)濾波不恰當(dāng)區(qū)域進(jìn)行調(diào)整、處理水面,必要時(shí)繪制特征線(xiàn);將更新后的點(diǎn)云按照需求生成DEM成果。詳細(xì)流程如圖1所示。
圖1 項(xiàng)目實(shí)施流程圖
歷史DEM首先要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,由原始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為成果要求的坐標(biāo)系。DEM為柵格格式文件,為使其能被點(diǎn)云處理軟件讀取,需要將其在ArcGIS中轉(zhuǎn)化為以點(diǎn)為單條記錄的由X、Y、Z坐標(biāo)信息構(gòu)成的文本文件。在點(diǎn)云處理軟件中讀取文本文件后,使用類(lèi)別轉(zhuǎn)換工具,將所有點(diǎn)轉(zhuǎn)換成地面點(diǎn)類(lèi)別,得到歷史DEM反生成點(diǎn)云。
傾斜影像密集匹配點(diǎn)云是利用航飛影像,經(jīng)過(guò)空三加密后計(jì)算生成[6]。為了給點(diǎn)云濾波時(shí)提供更多信息以提高濾波效果,適當(dāng)提高了點(diǎn)云密度。生成的傾斜影像密集匹配點(diǎn)云坐標(biāo)系為重慶獨(dú)立系中帶,經(jīng)過(guò)精度檢驗(yàn)后滿(mǎn)足生產(chǎn) 1∶1 000比例尺的精度條件。
疊加前后兩期影像,目視判斷更新范圍,并且用面矢量畫(huà)出更新范圍。繪制更新范圍時(shí),需要將變化的部分全部囊括,但是不建議擴(kuò)展太多,特別是未變化區(qū)域涉及植被茂密、有房屋的情況。因?yàn)閿U(kuò)大更新范圍意味著后期處理工作量的增大,并且茂密的植被和房屋處傾斜影像密集匹配點(diǎn)云濾波效果一般,反而通過(guò)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云生產(chǎn)的歷史DEM在精度上較能保證。
在點(diǎn)云處理軟件中讀取傾斜影像密集匹配點(diǎn)云,按照更新范圍矢量面批量提取出更新范圍內(nèi)的點(diǎn)。密集點(diǎn)云經(jīng)過(guò)濾波可以減少后期人工處理的工作量[7],使用濾波工具對(duì)更新范圍內(nèi)的傾斜影像密集匹配點(diǎn)云進(jìn)行噪聲剔除和地面濾波。經(jīng)試驗(yàn),LiDAR_DP對(duì)傾斜影像密集匹配點(diǎn)云中人工裸露地表和植被稀疏區(qū)域?yàn)V波效果尚可,對(duì)植被茂密區(qū)域?yàn)V波效果較差,如圖2所示。
圖2 傾斜影像密集匹配點(diǎn)云濾波前(左)后(右)對(duì)比圖
在點(diǎn)云處理軟件中讀取歷史DEM反生成點(diǎn)云,按照更新范圍矢量面批量將更新范圍內(nèi)的歷史點(diǎn)云剔出地面點(diǎn)類(lèi)別,并將濾波后的更新范圍內(nèi)傾斜影像密集匹配點(diǎn)云加載進(jìn)來(lái)。歷史DEM反生成點(diǎn)云與模型點(diǎn)云中的地面點(diǎn)類(lèi)別共同參與構(gòu)建三角網(wǎng),即為新舊點(diǎn)云結(jié)合后進(jìn)行更新處理的底板。
在得到的更新底板上進(jìn)行進(jìn)一步的人工細(xì)節(jié)處理[8],主要目的是對(duì)傾斜影像密集匹配點(diǎn)云里濾波效果不好的區(qū)域進(jìn)行植被處理、水面及人工建(構(gòu))筑物繪制特征線(xiàn)約束,以及新舊點(diǎn)云接邊處理[9]。
(1)茂密植被覆蓋處理
傾斜影像密集匹配點(diǎn)云受制于無(wú)穿透性的條件限制,在植被茂密處無(wú)法提供真實(shí)的地面點(diǎn)以供參考。對(duì)于植被茂密處的處理主要參考周?chē)匦文M表現(xiàn)植被下方地形。然而在實(shí)際更新時(shí),變化區(qū)域?yàn)槿斯さ乇磔^多,基本無(wú)大面積的植被遮擋或植被未生長(zhǎng)得很茂密,故該項(xiàng)傾斜影像密集匹配點(diǎn)云生產(chǎn)DEM的固有缺陷在僅進(jìn)行變化區(qū)域更新時(shí)已被弱化,如圖3所示。
(2)水面置平或漸變處理
傾斜影像密集匹配點(diǎn)云因水面連接點(diǎn)相似性太高不好匹配,所以得出的點(diǎn)云并不是一個(gè)平面,而會(huì)有錯(cuò)誤的凹陷,需要綜合航飛影像繪制水涯線(xiàn),并對(duì)池塘、湖泊置平,對(duì)河流按照上下游河岸高程差梯度漸變,如圖4所示。
(3)人工建(構(gòu))筑物處理
房屋處因?yàn)V波失去了墻面和屋頂點(diǎn),地基處地形無(wú)法正確表示,需要參考正射影像在房前屋后恰當(dāng)處繪制斷裂線(xiàn)進(jìn)行局部置平,還原房屋底真實(shí)地形;架空橋梁處自動(dòng)濾波后,會(huì)有架空部分未完全剝離或剝離架空點(diǎn)后基底地形還原不真實(shí)的問(wèn)題,需要手工還原基底;邊坡陡坎自動(dòng)濾波后如果坎沿未正確表達(dá),需要人工添加特征線(xiàn)還原坡坎邊緣形狀,如圖5所示。
圖3 茂密植被覆蓋影像(左)及處理前(中)后(右)效果對(duì)比圖
圖4 池塘水面影像(左)及處理前(中)后(右)效果對(duì)比圖
(4)新舊處接邊
新舊點(diǎn)云接邊處,因?yàn)橹脖徽趽?、點(diǎn)云厚度等影響,會(huì)出現(xiàn)過(guò)渡生硬的問(wèn)題,影響DEM成果的美觀,需要對(duì)接邊過(guò)渡生硬明顯處進(jìn)行平滑處理,使新舊點(diǎn)云結(jié)合更緊密,如圖6所示。
圖6 接邊處理前(左)后(右)效果對(duì)比圖
更新處理完成后需要對(duì)地面點(diǎn)構(gòu)成三角網(wǎng)模型進(jìn)行檢查,主要檢查更新區(qū)域內(nèi)部需要人工處理的問(wèn)題是否處理完善和新舊接邊處是否處理得當(dāng)。檢查無(wú)誤后,輸出構(gòu)建的DEM成果。
更新后的DEM成果,能夠合理表達(dá)變化區(qū)域的地形現(xiàn)狀,且新舊過(guò)渡合理,達(dá)到了預(yù)期的效果,如圖7所示。
圖7 更新前(左)后(右)效果對(duì)比圖
使用外業(yè)檢查點(diǎn)法對(duì)更新后的DEM進(jìn)行精度檢查,評(píng)定更新后的DEM精度。該片區(qū)屬于山地,根據(jù)DEM數(shù)據(jù)技術(shù)指標(biāo),格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差 1.0 m,精度檢查表如表1所示。高程誤差統(tǒng)計(jì)后得出中誤差為 0.29 m,最大誤差 0.83 m。符合 1∶1 000比例尺精度要求。
DEM高程精度檢查表(部分) 表1
本文提出了一種基于傾斜影像密集匹配點(diǎn)云更新DEM的方法,該方法比傳統(tǒng)采集等高線(xiàn)、特征線(xiàn)更新DEM的方法細(xì)節(jié)更豐富,精度滿(mǎn)足要求,且不需要單獨(dú)獲取激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù),降低了生產(chǎn)成本。本方法適用的場(chǎng)景為變化區(qū)域主要為人工地表和植被稀疏區(qū)域且項(xiàng)目本身需求航空攝影的大比例尺DEM更新情況,如此既能保證更新成果的質(zhì)量也不會(huì)額外增加生產(chǎn)成本。
本方法也具有局限性,例如待更新區(qū)域如果被茂密的植被覆蓋或者需要額外增加生產(chǎn)成本投入以獲取傾斜影像時(shí),本方法優(yōu)勢(shì)便不明顯。本方法中主要的工作量在于傾斜影像密集匹配點(diǎn)云濾波后的人工處理環(huán)節(jié),所以?xún)A斜影像密集匹配點(diǎn)云的濾波效果對(duì)工作量的影響較大,如何提高傾斜影像密集匹配點(diǎn)云的濾波效果是下一步的研究方向。