基于立體衛(wèi)星影像的等高線自動提取方案

袁紅選++左志奇++胡裕軍

摘 要 對一種基于立體衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的等高線自動提取方案進行介紹，該算法能自動獲取目標區(qū)域的等高線數(shù)據(jù)，且精度、可靠性以及美觀程度都較優(yōu)。

【關(guān)鍵詞】等高線 提取方案

受衛(wèi)星影像分辨率、DSM提取方案、等高線提取算法等因素影響，等高線的自動提取在作業(yè)生產(chǎn)中一直難以實用化。本文提出一種全新的等高線自動提取方案，該方案采用先進的半全局密集匹配算法，針對密集匹配提取的DSM點云，采用基于不規(guī)則三角網(wǎng)的平滑算法得到平滑的DEM。最后采用Global Mapper軟件將DEM內(nèi)插為等高線。

1 立體衛(wèi)星影像DSM自動提取

采用基于半全局優(yōu)化的密集匹配算法，該算法采用局部逐點匹配的思想，在待匹配像素多個方向上做動態(tài)規(guī)劃，用多個一維的平滑約束來近似該像素二維的平滑約束，減少因遮擋、噪聲產(chǎn)生的錯誤匹配，該算法既保留了動態(tài)規(guī)劃高效的特點，同時也提高了計算結(jié)果的精度，算法中引入互信息作為相似測度，互信息較以往的相似性測度（如相關(guān)系數(shù)、灰度絕對差等）具有對亮度變化、視差初值誤差不敏感、可以直接進行像素間的相關(guān)計算等優(yōu)點。該算法包括匹配代價計算、代價矩陣累加、視差解算三個步驟，可得到子像素級匹配結(jié)果。

2 點云平滑算法

由立體衛(wèi)星影像直接提取得到的DSM表面比較粗糙，必須進行平滑處理去掉噪聲、孤立突出地物等，以便于后續(xù)的等高線提取?？紤]到獲取的DSM點云相對于航空影像數(shù)據(jù)較為稀疏，為了更好的保留地形特征，對獲取的DSM沒有采用點云濾波技術(shù)，僅僅做一次中值濾波或平滑處理。過程如下：首先，對區(qū)域的DSM點云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，并根據(jù)三角網(wǎng)建立點與點之間的鄰接關(guān)系，即在同一個三角形內(nèi)的點屬于鄰接點。然后，依次遍歷DSM中的每一個點，根據(jù)其周圍的鄰接點對其高程值進行中值濾波或高斯平滑處理。得到更新的點云數(shù)據(jù)。

3 等高線自動生成

目前公認的效果比較好的是Global Mapper軟件，它可以在生成等高線的同時顧及山脊、山谷的走向，得到的等高線數(shù)據(jù)更加美觀、更加合理。因此，本文采用Global Mapper軟件生成等高線，輸入第二節(jié)中生成的平滑后的點云數(shù)據(jù)，采用三角網(wǎng)內(nèi)插DEM算法得到規(guī)則格網(wǎng)DEM，之后再經(jīng)過等高線自動提取步驟得到最終的等高線數(shù)據(jù)。

4 實驗結(jié)果與分析

采用以上流程進行了實驗，實驗數(shù)據(jù)為經(jīng)過VirtuoZoSat軟件空三平差和模型裁切后得到的衛(wèi)星立體影像數(shù)據(jù)，半全局密集匹配算法和點云平滑算法為本文作者根據(jù)上述原理自己編寫的程序，環(huán)境為Visual C++ 6.0。等高線自動提取試驗流程如下圖所示，經(jīng)VirtuoZoSat軟件近似核線裁切得到的左右核線影像經(jīng)過密集匹配技術(shù)生成匹配點云，匹配點云經(jīng)過平滑后內(nèi)插成DEM數(shù)據(jù)，再由Global Mapper軟件進行等高線自動提取。

對點云數(shù)據(jù)平滑前后內(nèi)插的DEM和提取的等高線數(shù)據(jù)進行了對比，如下圖1所示，從結(jié)果可以看出點云平滑前內(nèi)插的DEM比較粗糙，平滑后內(nèi)插的DEM表面光滑度得到了明顯提高，由點云平滑前內(nèi)插的粗糙DEM提取的等高線比較亂，很多毛刺、不夠光滑，點云平滑后內(nèi)插的DEM提取的等高線毛刺大大減少，在平滑性和美觀性方面大大提高。

5 結(jié)論

從實驗結(jié)果可以看出，基于半全局優(yōu)化的密集匹配算法都能提取出質(zhì)量較高的DSM點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過平滑、內(nèi)插生成規(guī)則格網(wǎng)DEM后內(nèi)插的等高線，整體簡潔、美觀，立體情況下檢查并少量編輯修改后可以滿足生產(chǎn)要求。因此，本文的等高線自動提取方案可以大大提高當(dāng)前等高線采集作業(yè)的效率。

作者簡介

袁紅選（1975-），男，湖北省武漢市人?，F(xiàn)為61175部隊工程師，從事攝影測量與遙感工作。研究方向為地理信息系統(tǒng)。

作者單位

61175部隊 湖北省武漢市 430070