遥感制图课件：第六章 数字高程模型的遥感生成方法.ppt

1、第六章第六章 数字高程模型的遥感数字高程模型的遥感生成方法生成方法 沈焕锋 武汉大学 资环与环境科学学院 遥感制图遥感制图提提 纲纲航天航天摄摄影影测测量量航空航天雷航空航天雷达达干涉干涉测测量量23航空航空摄摄影影测测量量1航空激光雷航空激光雷达测达测量量4空中摄影空中摄影 q航向重叠 旁向重叠空中摄影空中摄影摄影测量常用的坐标系摄影测量常用的坐标系 像方空间坐标系像方空间坐标系 ( (描述像点的位置描述像点的位置) ) 像平面坐标系像平面坐标系 像空间坐标系像空间坐标系 像空间辅助坐标系像空间辅助坐标系 物方空间坐标系物方空间坐标系 ( (描述地面点的位置描述地面点的位置) ) 摄影测量坐

2、标系摄影测量坐标系 地面测量坐标系地面测量坐标系 地面摄影测量坐标系地面摄影测量坐标系航摄像片的内、外方位元素航摄像片的内、外方位元素 确定航空摄影瞬间确定航空摄影瞬间摄影中心摄影中心与与像片像片在地面设定在地面设定的空间坐标系中的的空间坐标系中的位置与姿态位置与姿态，描述这些位置和，描述这些位置和姿态的参数称为姿态的参数称为像片的方位元素像片的方位元素。 内方位元素内方位元素 表示表示摄影中心与像片之间相关位置摄影中心与像片之间相关位置的参数的参数 外方位元素外方位元素 表示表示摄影中心和像片摄影中心和像片在在地面坐标系中的位置和姿态地面坐标系中的位置和姿态参数参数 三个直线元素三个直线元素

3、 三个角元素三个角元素双像解析摄影测量的任务与方法双像解析摄影测量的任务与方法用用解析的方法解析的方法处理立体像对，常用的方法有三种处理立体像对，常用的方法有三种: : 利用像片的利用像片的空间后方交会空间后方交会与与前方交会前方交会来解求来解求地面目标的空地面目标的空间坐标间坐标。 利用立体像对的利用立体像对的内在几何关系内在几何关系，进行，进行相对定向相对定向，建立与地，建立与地面相似的立体模型，面相似的立体模型，计算出模型点的空间坐标计算出模型点的空间坐标。再通过。再通过绝对绝对定向定向，将模型进行平移、旋转、缩放，把模型纳入到规定的，将模型进行平移、旋转、缩放，把模型纳入到规定的地面坐

4、标系之中，解求出地面目标的地面坐标系之中，解求出地面目标的绝对空间坐标绝对空间坐标。 利用利用光束法光束法双像解析摄影测量来解求地面目标的双像解析摄影测量来解求地面目标的空间坐标空间坐标。这种方法将这种方法将待求点待求点与与已知外业控制点已知外业控制点同时列出误差方程式，同时列出误差方程式，统一进行统一进行平差解求平差解求。这种方法理论较为严密，它把前面两种。这种方法理论较为严密，它把前面两种方法的两种步骤合在一个整体内。方法的两种步骤合在一个整体内。双像解析摄影测量三种解法的比较双像解析摄影测量三种解法的比较 双像解析摄影测量可应用三种解算方法：双像解析摄影测量可应用三种解算方法：后交后交前

5、交前交解解法；法；相对定向相对定向绝对定向绝对定向解法；解法；光束法光束法解法。解法。 三种方法的比较分析如下：三种方法的比较分析如下：第一种方法第一种方法前交的结果依赖于空间后方交会的精度前交的结果依赖于空间后方交会的精度，前交过程中前交过程中没有充分利用多余条件进行平差计算没有充分利用多余条件进行平差计算；第二种方法第二种方法计算公式比较多计算公式比较多，最后的，最后的点位精度点位精度取决于取决于相对定向和绝对定向的精度相对定向和绝对定向的精度，用这种方法的解算结果不，用这种方法的解算结果不能严格表达一幅影像的外方位元素；能严格表达一幅影像的外方位元素；第三种方法的第三种方法的理论最严密、

6、精度最高理论最严密、精度最高，待定点的坐标，待定点的坐标是完全是完全按最小二乘法原理按最小二乘法原理解求出来的。解求出来的。空中三角测量的目的和意义空中三角测量的目的和意义 在双像解析摄影测量中，每个像对都要在野外测求在双像解析摄影测量中，每个像对都要在野外测求四个地面四个地面控制点控制点。这样外业。这样外业工作量太大，效率不高工作量太大，效率不高。能否只在一条航。能否只在一条航带十几个像对中，或几条航带构成的带十几个像对中，或几条航带构成的一个区域网中一个区域网中，测少量测少量外业控制点外业控制点，在内业用解析摄影测量的方法，在内业用解析摄影测量的方法加密出每个像对加密出每个像对所要求的控制

7、点所要求的控制点，然后用于测图？解析法空中三角测量就是，然后用于测图？解析法空中三角测量就是为解决这个问题而提出的方法。为解决这个问题而提出的方法。解析空中三角测量的分类解析空中三角测量的分类 航带法航带法是通过相对定向和模型连接先是通过相对定向和模型连接先建立自由航带建立自由航带，以点在，以点在该航带中的该航带中的摄影测量坐标摄影测量坐标为为观测值观测值，通过非线性多项式中变换，通过非线性多项式中变换参数的确定，使参数的确定，使自由网纳入所要求的地面坐标系自由网纳入所要求的地面坐标系，并使公共点，并使公共点上上不符值的平方和为最小不符值的平方和为最小。 独立模型法独立模型法平差是先通过相对定

8、向平差是先通过相对定向建立起单元模型建立起单元模型，以，以模型模型点坐标为观测值点坐标为观测值，通过单元模型在空间的相似变换，使之纳入，通过单元模型在空间的相似变换，使之纳入到到规定的地面坐标系规定的地面坐标系，并使模型，并使模型连接点上残差连接点上残差的平方和为最小。的平方和为最小。 光束法光束法则直接由则直接由每张影像的光线束出发每张影像的光线束出发，以，以像点坐标为观测像点坐标为观测值值，通过每个光束在三维空间的平移和旋转，使，通过每个光束在三维空间的平移和旋转，使同名光线在物同名光线在物方最佳地交会在一起方最佳地交会在一起，并使之，并使之纳入规定的坐标系纳入规定的坐标系，从而，从而加密

9、加密出出待求点的物方坐标和影像的方位元素。待求点的物方坐标和影像的方位元素。新型推扫式航空摄影测量传感器新型推扫式航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS40ADS40p 三线阵推扫立体成像。同时获取前视、中视、后视100重叠、连续无缝的地面影像。p12比特灰度等级、8比特辐射分辨率、2.5-25倍数据压缩率、大于1.2兆/秒的记录速度p大容量的机载存储器MM40。一次升空飞行时间可以持续数小时。pPOS(GPS/IMU)精确导航定位。减少地面控制点布设。p同时获取具有相同分辨率三个全色波段与四个多光谱波段数字影像。p扫描宽度12000个像素，航带内正射影像无需拼接

10、。p多视匹配。新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS40ADS40新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS40ADS40新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS40ADS40新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS40ADS40新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS40ADS40新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS40ADS40新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS40ADS40新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS80ADS80新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS80ADS80新型航空摄

11、影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS80ADS80Focal Plates (FPM)One 4-band beamsplitter in Sensor Head SH81Total: 8 CCD lines with 12000 pixels each, pixel size 6.5 m2 single Pan lines1 pair of Pan lines staggered by half a pixel4 Spectral lines: Red, Green, Blue, Near InfraredTwo 4-band beamsplitters in Sensor Head S

12、H82one in nadir and one in 16 BWTotal: 12 CCD lines with 12000 pixels each, pixel size 6.5 m2 single Pan lines1 pair of Pan lines staggered by half a pixel8 Spectral lines: 2x Red, 2x Green, 2x Blue, 2x Near-infrared新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS80ADS80新型航空摄影测量传感器新型航空摄影测量传感器ADS80ADS80提提 纲纲航天航天摄摄影影测测量量航空航

13、天雷航空航天雷达达干涉干涉测测量量23航空航空摄摄影影测测量量1航空激光雷航空激光雷达测达测量量4光谱段（光谱段（m)m)光谱特性光谱特性分辨率分辨率(m)(m)0.500.50- -0.580.58绿绿10100.610.61- -0.670.67红红10100.780.78- -0.890.89近红外近红外10100.490.49- -0.7150.715全色全色波段波段5 5 SPOT5 HRS 立体观测生产立体观测生产DEMHRGHRS Spot Image 200827The same pixel row is acquired twice from the same orbit,

14、after 90 sGround sampling is 5 M across track, and 10 M along track SPOT5 HRS SPOT5 HRS 立体观测生产立体观测生产DEMDEMStereo T0 + 90 sT0120 kmmax. 600 kmAlaska Dem WorkshopThe New ASTER 30m Global DEMASTER Global DEM (GDEM)ASTER Global DEM (GDEM)DatasetCoverageHorizontal PostingCommentGTOPO30GTOPO30GlobalGlobal

15、1 km1 kmUS Level 2 US Level 2 DTEDDTEDGlobalGlobal30 m30 mRestrictedRestrictedAccessAccessSRTMSRTM6060o oN N to 54to 54o oS S90 m90 m30m over U.S. 30m over U.S. and Its and Its TerritoriesTerritoriesASTER GDEM83oN to 83oS30 mASTERASTER Flies on U.S. Terra Platform Built for METI in Japan Data Proces

16、sing in Japan and U.S. Instrument Command and Control by Japan and U.S. Joint Science TeamASTER InstrumentASTER InstrumentVNIR Visible/Near Infrared Radiometer# of Bands: 3 Nadir + 1 Aft-LookingSpatial Resolution: 15 mSWIR Short Wave Infrared Radiometer# of Bands: 6 NadirSpatial Resolution: 30 mTIR

17、Thermal Infrared Radiometer# of Bands: 5 NadirSpatial Resolution: 90 m Launched December 1999 Has 3 sensors and detects 14 bands of spectrum. Ground resolution is 15m 90m.Along-Track Imaging GeometryAlong-Track Imaging Geometry430370600 Begin Acquisition of 3NComplete Acquisition of 3B645590 Sec27.7

18、 705 Km OrbitSingle Stereo Image3N3BGround ReliefSecondsKmASTER GDEM SpecificationsASTER GDEM Specifications Data Posting: 30 mDEM Output Format: GeoTIFF, signed 16 bits, and 1 m/DN Referenced to the WGS84/EGM96 geoid Geographic latitude and longitude Coverage: 83 N to 83 SSpecial DN Values : -9999

19、for void pixels 0 for sea water body Accuracies: 20 m with 95 % confidence for vertical data (elevation) 30 m with 95 % confidence for horizontal data (geolocation) Data Set: 22,895 1 x 1 tilesMethodologyMethodologyASTER GDEMASTER coverage (1.5 million scenes in summer 2008)Deeper red indicates more

20、 data accumulated.Generation of a seamless tile of DEM using all ASTER data ever acquired over the tileA seamless Tile of DEM GEOSSBoth US and Japan committed to contribute to GEOSSat Capetown Summit 2007.Contribution toGlobal coverage Automated processing ASTER scene (60km x 60km)Tile (1 arc degree

21、 square)1. Stereo-correlate entire 1.5 million scene ASTER Archive; 2. Cloud mask to remove cloudy pixels;3. Stack all DEMS & remove residual bad values and outliers; 4. Partition data into 1 x 1 tiles -SRTM3 coverage 测绘卫星测绘卫星- -资源资源3 3号号配置四台相机：配置四台相机： （1 1）1 1台地面分辨率优于台地面分辨率优于2.52.5米的米的正视正视全色全色TDI C

22、CDTDI CCD相机；相机； （2 2）2 2台地面分辨率优于台地面分辨率优于4 4米的米的前视、后视前视、后视全色全色TDI CCDTDI CCD相机；相机； （3 3）1 1台地面分辨率优于台地面分辨率优于1010米的正视米的正视多光谱相机多光谱相机。 光学异轨观测生成光学异轨观测生成DEMDEM提提 纲纲航天航天摄摄影影测测量量航空航天雷航空航天雷达达干涉干涉测测量量23航空航空摄摄影影测测量量1航空激光雷航空激光雷达测达测量量4SAR SAR 技术技术 SAR(Synthetic-aperture radar ) 是一种脉冲雷达技术，具有较高的分辨率，获得区域目标的图像。 SAR 具

23、有广泛的应用领域 机载SAR 星载SARSARSAR的特点的特点 I I为什么使用雷达成像技术全天候，穿透云雾能力全天时工作穿透植被和树叶目标与频率的相互关系运动检测雷达成像方式雷达成像方式SARSAR的特点的特点 II IIp距离向分辨率公式中字母分别为脉冲长度、光速、俯角飞行高度无关飞行高度无关sec2CSARSAR的特点的特点 II IIp方位分辨率(波长、斜距、天线孔径):p实例: p星载SAR距离850km，工作频率1.276GHz，像素分辨率25m 需要 8km 合成孔径DRkmDmkmRcm8258505 .23合成孔径原理合成孔径原理p8km 的孔径长度由小天线实现p原理SAR

24、SAR合成孔径原理合成孔径原理SAR SAR 基本概念基本概念p最大聚焦合成孔径长度:p天线尺寸的减小导致更长的聚焦合成孔径长度pSAR 聚焦分辨率:p分辨率的改善与天线尺寸有关，与距离和波长无关DRLmax22DLRmaxsar星载星载SARSAR 机载机载SARSARSARSAR成像模式成像模式 Stripmap, Spotlight, Scan, ISAR (not pictured)SARSAR成像模式成像模式pStripmap(条带式): 最早的成像模式，1950s 低分辨率成像的最有效方法pSpotlight(聚束式): 在1970s提出 获得较高的分辨率 一次飞行中，通过不同视角

25、改变对同一区域成像SARSAR成像模式成像模式Scan(扫描模式):信号处理非常复杂ISAR(逆SAR)雷达静止, 目标运动雷达干涉测量模式雷达干涉测量模式 三种工作方式或工作模式，即距离向干涉测量（across-track interferometry）方位向干涉测量（along-trackinterferometry）和重轨干涉测量(repeat-pass interferometry) 。 距离向干涉测量距离向干涉测量是飞行平台上同时装载两个天线，其中一个负责发射并接收雷达波束，另一个则只负责接收，这样基线固定，只要能准确确定平台位置，就有利于获得高质量的干涉测量数据和高程计算结果 雷达

26、干涉测量模式雷达干涉测量模式 方位向干涉测量目前只是在飞机平台上采用的一种方式。与距离向不同的仅在于两个天线安置的位置是一前一后，而不是飞机的一侧或两侧。 重轨干涉测量只需要一个天线，在尽可能短的时间内，在大致相同的轨道上，两次获取同一地区的数据，这种方式最适合800公里以上高空的卫星。目前ERS-1/2双星重轨模式因只相隔一天，成为INSAR的主要方式获得成功。 SAR传感器SAR原始数据单视SAR数据处理运动补偿定位定向数据GPSINS生成复型数据影像配准生成配准后的复型数据相位差的相干系数计算生成相干系数图相位差数据处理滤波处理根据相干系数处理生成干涉图相位解缠生成解缠后的干涉图由相位数

27、据计算高程地 学 编码校正生成DEM干涉图生成干涉图生成 在完成数据配准之后，每一点上的观测数据为 这是分别由两组实部数据和虚部数据形成的。由每点的两组数据可以计算出 将相位数据单独显示出来，即干涉图 111jeuu 222jeuu )(212121int1221jjjeuueueuuuuintintarctan Im() Re()uu相位解缠与相位解缠与DEMDEM生成生成生成的相位数据是有缠数据，必须进行解缠基于解缠后的相位数据，利用某种方法进行DEM的计算SRTM DEMSRTM DEM SRTM数据主要是由美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的，SRTM的全称

28、是Shuttle Radar Topography Mission，即航天飞机雷达地形测绘使命，2000年2月11日上午11时44分，美国“奋进”号航天飞机在佛罗里达州卡那维拉尔角的航天发射中心发射升空，“奋进”号上搭载的SRTM系统共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取北纬60度至南纬56度之间，面积超过1.19亿平方公里的 9.8万亿字节的雷达影像数据，覆盖全球陆地表面的80%以上，该计划共耗资3.64亿美元，获取的雷达影像数据经过两年多的处理，制成了数字地形高程模型，该测量数据覆盖中国全境。SRTM DEMSRTM DEMhttp:/seamless.usgs.gov/ SRT

29、M DEMSRTM DEM提提 纲纲航天航天摄摄影影测测量量航空航天雷航空航天雷达达干涉干涉测测量量23航空航空摄摄影影测测量量1航空激光雷航空激光雷达测达测量量4光光学学和和LIDARLIDAR对对比比提供提供.更好的屋更好的屋顶顶面片信息面片信息不不规则规则的点的点有限有限的信息的信息 光光学学和和LIDARLIDAR对对比比提供提供. 丰富的信息丰富的信息通常比通常比较较好的好的边边界信息界信息阴阴影影/遮遮挡挡Optical ImageryLiDARAirborne LIDAR (Airborne LIDAR (机载激光雷达机载激光雷达) ) LIDAR是一种集激光,全球定位系统和惯性

30、导航系统三种技术于一身的空间测量系统 。是一种新型传感器，具有十分广泛的应用范围和应用前景。 其应用已超出传统测量，遥感所覆盖的范围，成为一种独特的数据获取方式。原理原理激光信号接收器激光器目标目标传输时间 T目前激光测距主要采用计算光传输时间差目前激光测距主要采用计算光传输时间差的方式进行；的方式进行；在高精度的测距时，需要采用更为复杂的在高精度的测距时，需要采用更为复杂的技术，如：干涉激光测量等。技术，如：干涉激光测量等。设设 备备POS系统GPS惯性测量单元(IMU)激光器激光信号接收处理装置计算机飞机Initial LaserPulseBottom ReturnSurface Retu

31、rnAirborne Lidar Bathymetry (ALB)Scanning MechanismsFigure modified from: Nikolaos 2006MechanismGround patternMost common pattern (Leica, Optech) sawtooth典型地区典型地区LIDARLIDAR观测点观测点TIN DEMTIN DEM等高线等高线LidarLidar优势优势 能够提供密集的点阵数据(点间距可以小于1米); 能够穿透植被的叶冠; 不需要或很少需要进入测量现场; 可同时测量地面和非地面层; 数据的绝对精度在0.30米以内; 具有迅速获取数据的能力。LiDARIFSARIFSAR10m USGS DEMStreamsLandslideLiDARStreamsLandslideChannel Hydraulics / Flood Plain MappingUrban Transportation Complex StructuresUrban Transportation Complex Structures森林地区点云森林地区点云 单棵树提取单棵树提取 与光学结合：数码城市与光学结合：数码城市