第三章数字高程模型数据获取方法

数字高程模型通过本章的学习，让大家了解DEM常见的数据来源，重点熟悉摄影测量、雷达获取数据的原理与方法，掌握常见的数据获取的流程等。第2页本章重点摄影测量获取DEM数据源雷达技术获取数据源各种DEM数据获取流程本章难点摄影测量与雷达获取高程数据的原理数字高程模型第3页第一节DEM数据源与摄影测量数据采集方法第二节合成孔径雷达干涉测量采集数据第三节机载激光扫描数据采集方法第四节地形图上采集数据方法与地面上直接数据采集方法及数据源的对比DEM数据与地理信息系统的数据一种，包括平面数据与高程数据。通过野外全站仪或GPS等进行测量；通过摄影测量与RS等获取。通常取决于数据源的可获得性，另一方面也由DEM的分辨率、精度要求、数据量大小及技术条件等决定。数字高程模型第5页地形图【topographicmap】指的是地表起伏形态和地物位置、形状在水平面上的投影图。具体来讲，将地面上的地物和地貌按水平投影的方法(沿铅垂线方向投影到水平面上)，并按一定的比例尺缩绘到图纸上，这种图称为地形图。如图上只有地物，不表示地面起伏的图称为平面图。？？数字高程模型第6页几乎世界上所有的国家都拥有地形图，这些地形图是DEM的主要数据源之一。对许多发展中国家来说，这些数据源可能由于地形图覆盖范围不够或因地形图高程数据的质量不高和等高线信息的不足而比较欠缺。数字高程模型第7页对大多数发达国家和某些发展中国家比如中国来说，其国土的大部分地区都有着包含等高线的高质量地形图，这些地形图无疑为地形建模提供了丰富、廉价的数据源。数字高程模型第8页从既有地形图上采集DEM涉及两个问题，一是地形图符号的数字化，再就是这些数字化数据往往不满足现势性要求。因为对于经济发达地区，由于土地开发利用使得地形地貌变化剧烈而且迅速，既有地形图往往也不宜作为DEM的数据源；但对于其他地形变化小的地区，既有地形图无疑是DEM物美价廉的数据源。数字高程模型第9页随着测绘科学技术的发展和进步，现代地形图的大量艰巨的测绘工作也已由传统的野外白纸测图转向室内的航空摄影测绘和航天遥感测绘，影像成为DEM的一种重要的数据源。数字高程模型第10页影像是地形测绘与更新的主要手段，具有效率高，精度好的特点，是DEM生产最有价值的数据源。利用影像，可快速地获取或更新大面积DEM数据，并具有现势性的优点。数字高程模型第11页遥感影像也能作为DEM的数据来源，但所获高程数据的相对精度和绝对精度都太低，只适合于小比例尺的DEM，对大比例尺DEM生产并没有太多的价值。但是，近年来出现的高分辨率遥感图像如1m分辨率的IKONOS图像、合成孔径雷达技术和激光扫描仪等新型传感器数据被认为是快速获取高精度、高分辨率DEM最有希望的数据源)。数字高程模型第12页SPOT5号假彩色合成图像（5米）美国IKONOSⅡ卫星美国华盛顿（1米）罗马斗兽场（0.7米，真彩色）罗马梵蒂冈大教堂,0.7m,真彩色12/19/2019数字高程模型第18页用全球定位系统全站仪或经纬仪配合袖珍计算机在野外进行观测获取地面点数据，经过适当变换处理后建成数字高程模型，一般用于小范围大比例尺(如比例尺大于1：2000)的DEM。数字高程模型第19页以地面测量的方法直接获取的数据能够达到很高的精度，常常用于有限范围内各种大比例尺、高精度的地形建模，如土木工程中的道路、桥梁、隧道、房屋建筑等。然面，由于这种数据获取方法的工作量很大，效率不高，加之费用高昂，并不适合于大规模的数据采集任务，比如在采集覆盖一个地区、一个国家的数据时，就不可能使用这种方法。数字高程模型第20页用气压测高法、水文站、气象站、地质勘探和重力测量等获取的观测数据得到地面稀疏点集的高程数据，这样建立的数字高程模型主要用于大范围且高程精度要求较低的科学研究。数字高程模型第21页摄影测量采集空间数据的方法是与摄影测量的发展过程紧密相关的。摄影测量的发展可划分为四个阶段，即模拟摄影测量、数值摄影测量、解析摄影测量与数字摄影测量。数字高程模型第22页摄影术是19世纪中叶发明的，它在以后的地形勘测与空间数据获取中发挥了非常重要的作用。数字高程模型第23页最初用来绘制的地图只是些在高楼或塔顶上拍摄下来的照片，尤其是在城市拍摄的照片。但很快摄影师就试着将照相机吊在风筝或热气球上在空中进行拍照。数字高程模型第24页一位名叫埃梅·劳塞达的法国军官是摄影测绘领域里的先驱。1859年，劳塞达发明了一种带有经纬仪的特殊照相机。他从不同角度拍摄同一物体，从而确定它的位置。当有相当数量的物体的位置被确定时，这个区域中各个物体的相对位置就可以被清晰地描绘出来了。数字高程模型第25页1906年，一位名叫西奥多·施姆夫鲁格的奥地利人为空中摄影测绘设计了一种照相机。这架照相机有8个镜头，其中一个镜头是垂直的，另外7个在它周围围成圆圈。照相时，一次按下快门可以同时得到8张角度不同的照片，从而得到一物体的全景图。数字高程模型第26页但在1906年，这样的照相机还不是那么有用。当时航空器的发展也处在初级阶段，而且由于热气球的飞行十分不平稳，摄影师想从高空得到清晰的照片几乎是不可能的。第一次世界大战后，许多小商人买下了多余的战斗机，并将照相机安置其上，然后再将这些设备出租给政府、工程公司或资源开发公司，并且亲自为他们工作。很快，政府的测绘部门开始经常性地使用空中摄影测绘技术。在高空拍摄的照片回到地面还要经过多方面的处理和后期制作。数字高程模型第27页摄影测量学：是一门通过摄影，对所获取的影像进行测量（特别是测绘国家基本比例尺的地形图）的学科。具体的过程摄影量测影像上的二维坐标：x、y计算获得空间的三维坐标：X、Y、Z1.1摄影测量学摄影测量是由二维的影像三维空间的科学与技术它来源于测量中的前方交会12平面三角中的两角夹一边就是前方交会在测量中：前方交会是在两个已知点1、2上，安置经纬仪，对未知点A测定水平角、垂直角，就能测得未知点的坐标A（X、Y、Z）。O1A（X、Y、Z）2YZ1212X几何关系a1b1a2b2摄影测量是首先在两个已知点上，摄取两张影像，通过人的眼镜观测两张影像上的同名点的坐标a1(x1,y1)、a2(x2,y2)，就能求得空间对应点的坐标A（X、Y、Z）。S1a2a1S2A最简单的摄影测量仪器－－立体反光镜影像（像片）1.2摄影测量学的分类根据影像获取的位置，摄影测量基本可分为：③地面摄影测量(近景)；①航天摄影测量(卫星)；②航空摄影测量(飞机)；200km10km1km从680公里高空观测地面－－IKONOS台北中山纪念堂摄影测量学－－概述上海东方明珠塔（快鸟影像－－450km）航空摄影过程航空摄影时：相邻影像(不同位置摄取的两张影像)之间有一定的重叠度――称为航向重叠：60％，互相重叠部分构成一个“立体像对”。相邻航线影像之间也有一定的重叠度――称为旁向重叠，20％。重叠部分（立体像对）从而有多条航带、多（几十/几百/上千）张影像构成一个摄影区域。大坝施工测量工业零件测量建筑摄影测量地面（近景）摄影测量摄影测量的主要任务是测绘各种比例尺的地形图；航空摄影测量，可测绘各种比例尺地形图，如－－－1:5万、1:1万、1:5千、1:2千、1:1千、1:500；航天摄影测量主要测绘1:5万、1:1万地形图；地面（近景）摄影测量主要测绘大比例尺地形－－图、用于各种工程、工业、医学、建筑、－－考古等领域。模拟摄影测量解析摄影测量数字摄影测量1.3摄影测量发展的三个阶段模拟摄影测量的基本原理摄影－－测图航空摄影投影器替代摄影机两个投影器地面模型地形图模拟摄影测量仪器，通常两根交于一空间点（A）的金属导杆，代替两条摄影光线；人眼通过光学系统观测像片盘上的两张像片，观测同名点；作业员通过手轮X、Y、脚盘Z驱动金属导杆的交点A进行测图XYZ像片盘观测系统绘图桌金属导杆AXYZ像片盘观测系统绘图桌解析摄影测量仪器作业员通过手轮、脚盘将X、Y、Z输入计算机；实时计算机共线方程，求得x1、y1、x2、y2驱动像片盘的运动；人眼通过光学系统观测像片盘上的两张像片，观测同名点，实现测图；金属导杆？？计算机数字摄影测量工作站（DPW）作业员通过手轮、脚盘将X、Y、Z输入计算机；实时计算机共线方程：求得x1、y1、x2、y2驱动数字影像（或测标）的运动；人眼通过立体眼镜（或由计算机）观测像片盘上的两张数字影像，观测同名点，实现测图；1.最少在两个位置，摄取两张影像（一般多于2张）；2.观测同名（影像）点a1、a2；3.恢复这两条对应直线的空间方位，最后获得空间点A的坐标；4.………..根据上述摄影测量的基本要点模拟、解析摄影测量－－恢复摄影光线的方位；而同名点是通过目视实现的数字摄影测量则实现了自动(半)识别同名点(1)摄影机与内方位元素摄影机有两大类：①量测相机②非量测相机光学航空相机航空数码相机地面摄影相机2.摄影测量学的一些基本原理量测相机与非量测相机的主要差别：相机的内方位元素，它与相机在空间的位置与方位无关，如右图所示。oy0x0fS相机的内方位元素：x0、y0、f－－摄影中心S到像面的垂线主光轴－－摄影中心S到像面的垂足主点－－f－焦距，主光轴的长度－－x0、y0－主点在像面上的位置。Sx0fy0o是否已知相机的内方位元素？相机内方位元素是通过相机检校畸变差也属于相机的内方位元素：一个矩形的影像不是矩形，直线的影像不是直线量测相机是在出厂之前由工厂作检校；非量测相机是由用户自己进行检校。畸变差改正由于像机的畸变差的影响－－－直线发生弯曲(2)摄影机的外方位元素它由摄影中心S在空间坐标系中的位置（三个坐标）ZYA(X,Y,Z)yxzSoa(x,y)X与主光轴So的三个姿态角、、组成XSZSYSXS、YS、ZS(3)共线方程ZYXyxzo它是通过摄影机的内、外方位元素，描述三点共线的数学方程式：A(X,Y,Z)地面点Aa(x,y,-f)像点aS摄影中心S共线方程的解析表达式a1、a2、a3、b1…..是由三个角元素、、，构成的旋转（正交）矩阵的9个系数：x0、y0、f－内方位元素XS、YS、ZS－外方位元素一条空间直线，是由两个“分式线性方程”)()()()()()()()()()()()(33322203331110SSSSSSSSSSSSZZcYYbXXaZZcYYbXXafyyZZcYYbXXaZZcYYbXXafxx333222111Rcbacbacba解析测图仪或数字摄影测量工作站就是由共线方程实现的共线方程x、y输出X、Y、Z输入XZY)()()()()()()()()()()()(33322203331110SSSSSSSSSSSSZZcYYbXXaZZcYYbXXafyyZZcYYbXXaZZcYYbXXafxx(4)获得外方位元素空间后交会外方位元素则不同，对每张影像都不一样。获得（恢复）影像的外方位元素的方法：①一张影像;－－－－空间后交会②两张影像(一个立体像对);③多(甚至上千)张影像;－－空中三角测量；④在摄影过程中直接获取。由于：内方位元素通过检校－已知，每张影像都相同在测量中，在两个已知点上观测一个未知点，称为前方交会（如前所述）；若在一个未知的O上，观测三个已知点A、B、C观测它们之间的夹角、，就能求得未知的O的位置（坐标）。这就是测量中的“后方交会”测量中的后方交会相似后方交会及它的几何原理图OABC摄影测量的空间后交会aCBcbS(XS、YS、ZS)AXZY当已知（至少）三个空间已知点A、B、C，与它们在影像上的三个对应点a、b、c，就能求得影像的6个外方位元素。其理论基础为：共线方程，一个点有两个方程，已知三个点可列6个方程，因此可以解得6个外方位元素。(1)平面摄影测量①影像与地图的关系、影像地图fHSpPAa(a)地面水平、像片水平此时，像片就是地面按比例尺缩小的地图，但是它不是