ENVI地形分析

第11章地形分析数字高程模型（DigitalElevationModel，简称DEM），是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。DEM是数字地形模型（DigitalTerrainModel，简称DTM）的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生，如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性。DEM还可以计算地形特征参数，包括山峰、山脊、平原、位面、河道和沟谷等。建立DEM的方法有多种。按数据源及采集方式主要有：（1）直接从地面测量，例如用GPS、全站仪、野外测量等；（2）根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取，如立体坐标量测仪观测及空三加密法、解析测图、数字摄影测量等；（3）从现有地形图上采集，如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集，然后通过内插生成DEM等方法。DEM的内插方法很多，常用的有整体内插、分块内插和逐点内插三种。下表对比了几种创建DEM的主要方法。表11.1几种DEM创建方法汇总i方法优点缺点航空摄影测量成熟的方法，精度高，可获取大比例尺DEM。成本高，周期长，且受航空管制。高程点或者等高线差值成本低，操作简单。受数据源限制大，很多地区无高程点或等高线数据。卫星遥感可以大范围获取DEM。受天气影响较大，目前可获取的比例尺较小。干涉雷达技术可以大范围获取DEM，不受天气影响。目前获取大比例尺DEM较困难，随着德国高分辨率雷达卫星TanDEM-X的上天会有所突破。激光雷达技术精度高，可获取大比例尺DEM。起步阶段，技术门槛高。要想快速的获取大范围的DEM数据，卫星遥感是一种较好的方法。随着卫星传感器的飞速发展，获取的DEM精度越来越高。如目前商业卫星最高分辨率的0.41米GeoEye-1，在使用高质量控制资料时，垂直精度的中误差可达到0.5米，可满足1:5000的地图比例尺生产。可以立体成像的卫星主要有ASTER，ALOSPRISM，CARTOSAT-1，FORMOSAT-2，IKONOS，KOMPSAT-2，OrbView-3，QuickBird，RapidEye，GeoEye-1，WorldView-1/2，SPOT5/6，Pleiades，以及国产的资源三号、资源一号02C星、天绘卫星等。由于DEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国民经济和国防建设，以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。例如在工程建设上，可用于土方量计算、通视分析等；在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析，包括汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础；在无线通讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等。DEM还广泛用于生产地图产品，如等高线地图、正射地图等。在遥感应用方面，DEM用于制图、正射校正和土地利用分类；还可用于高速公路和铁路的规划中。11.1地形建模11.1.1地形菜单ENVI5.0的Topographic（地形）菜单可以对DEM数据进行打开、分析和输出等操作。图11.1地形菜单打开地形文件（OpenTopographicFile）：可以打开的格式有数字地形高程数据（DTED）、美国地质勘察数字高程模型（USGSDEM）、空间数据转换标准（SDTS）格式的USGS数字高程模型（USGSSDTSDEM）文件以及ShuttleRadarTopographyMission即航天飞机雷达地形测绘的数字高程模型（SRTMDEM）格式ii。地形建模（TopographicModeling）：可以从地形数据中计算出一些地形模型，包括坡度、坡向、凸面和曲率等。地形特征（TopographicFeatures）：可以生成一幅分类图像，其中显示河道、山脊、山峰、沟谷、水平面等。DEM扩展模块（DEMExtraction）：它能够简单、快速地从扫描、数字航空影像或者沿轨道方向、垂直轨道方向的推扫式卫星传感器等影像上创建DEM。DEMExtraction模块除了DEM自动提取向导外，还包括三个DEM工具：DEM编辑工具（EditDEMResults）、立体3D量测工具（Stereo3DMeasurement）和核线图像3D光标工具（Epipolar3DCursor）。使用菜单中的其它地形工具可以进行以下操作：生成山区阴影图像（CreateHillShadeImage）、替换数字高程数据中的坏值（ReplaceBadValues）、不规则点栅格化（RasterizePointData）、将矢量地形图转化为栅格DEM（ConvertContourstoDEM）及对地形数据进行3D曲面浏览（3DSurfaceView）等。11.1.2地形建模使用TopographicModeling选项可以对DEM数据进行处理，生成阴影地貌表面；计算地形模型参数信息，包括：坡度（Slope）、坡向（Aspect）、阴影地貌图像（ShadedRelief）、剖面曲率（ProfileConvexity）、水平曲率（PlanConvexity）、纵向曲率（LongitudinalConvexity）、横向曲率（CrossSectionalConvexity）、最小曲率（MinimumConvexity）、最大曲率（MaximumConvexity）及均方根误差（DEMError）iii。坡度（Slope）：以“度”或者百分比为单位，在水平面上为0度；坡向（Aspect）：以“度”为单位，ENVI将正北方向的坡向设为0度，角度按顺时针方向增加；阴影地貌图像（ShadedRelief）：入射角的余弦；剖面曲率（ProfileConvexity）：剖面曲率（与z轴所在的平面和坡面相交）度量坡度沿剖面的变化速率；水平曲率（PlanConvexity）：（与XY平面相交）度量坡向沿平面的变化速率；纵向曲率（LongitudinalConvexity）：（相交于包含坡度法线和坡向方向平面）度量沿着下降坡面的表面曲率正交性；横向曲率（CrossSectionalConvexity）：（与包含坡度法线和坡向垂线的平面相交）度量垂直下降坡面的表面曲率正交性；最小曲率（MinimumCurvature）：计算得到整体曲率的最小值；最大曲率（MaximumCurvature）：计算得到整体曲率的最大值；均方根误差（RMSError）：表示二次曲面与实际数字高程数据的拟合好坏。ENVI地形模型工具使用图像格式的DEM文件，而不是原始的USGS格式的DEM数据。例如USGSDEM、USGSSDTSDEM、DTED、SRTMDEM等格式都需要通过File—OpenExternalfile—DigitalElevation或者Topographic—OpenTopographicFile选择一种格式打开，ENVI自动将原始格式的DEM转换为ENVI标准栅格文件。具体地形建模步骤如下：（1）在ENVI主菜单中，选择Topographic—TopographicModeling，在弹出的TopoModelInputDEM对话框中，选择一个DEM文件。打开一个新的DEM文件，选择File—OpenNewFile。点击“OK”，打开TopoModelParameters对话框（图11.2）。（2）在TopoModelParameters对话框中，选择地形核大小（TopographicKernelSize）为5。更改地形核尺寸的目的是为了提取多尺度地形信息，可以使用不同的变化核提取多尺度地形信息。需要注意的是地形核越大，处理速度越慢。（3）SelectTopographicMeasurestoCompute列表中，选择要计算的地形模型信息，本实验选择了全部。（4）单击ComputeSunElevationandAzimuth按钮，在ComputeSunElevationandAzimuth对话框中（如图1l.3），输入日期和时间：GMT为16:45:14，Lat（纬度）为31度，Lon（经度）为110度。单击OK按钮，ENVI将自动计算出太阳高度角和方位角。（5）选择输出路径及文件名，单击OK按钮，执行地形建模。（6）得到的结果是一个多波段图像文件，每一个地形模型形成一个波段（如图1l.4）。图11.2TopoModelParameters对话框图11.3ComputeSunElevationandAzimuth对话框图11.4地形模型图像11.1.3三维地形可视化ENVI的三维可视化功能可以将DEM数据以网格结构（wireframe）、规则格网（ruledgrid）或点的形式显示出来，或者将一幅图像叠加到DEM数据上构建简单的三维地形可视化场景。这两个文件的空间分辨率不必相同。若这两个文件都经过定位，它们的投影也可以不必相同，ENVI将在飞行浏览中对DEM进行重新投影，使其与图像投影相匹配iv。三维地形场景的生成步骤如下。（1）分别将SPOT数据和DEM数据文件打开。（2）在Toolbox中，选择Topographic—3DSurfaceView。选择SPOT图像文件的RGB三个波段，之后在AssociatedDEMInputFile对话框中选择对应的DEM文件（图11.5）。图11.5AssociatedDEMInputFile对话框（3）在3DSurfaceViewInputParameters对话框中（图11.6），需要设置以下参数：DEM分辨率（DEMResolution）：使用较高DEM分辨率将会减慢可视化的速度。可以选择多个不同的DEM分辨率，在三维场景可视化时根据实际需求来回切换。通常，当确定最佳飞行路线时，可以选择最低的分辨率（64）；然后，在显示最终三维曲面飞行时，再选择较高的分辨率。重采样方法（Resampling）：最邻近重采样（NearestNeighbor）法和象元聚合重采样（Aggregate）法。DEM最大/最小绘制值范围（DEMminplotvalue和DEMmaxplotvalue）：可选项。这些值可从DEM数据中选取（用来去除背景像素值，或限制DEM高程范围）。需要注意的是低于最小值或者高于最大值的DEM值将不会绘制在三维场景中。垂直夸张系数（VerticalExaggeration）：作用于垂直方向的比例放大系数。值越大，夸张程度越高。图像纹理分辨率（ImageResolution）：原始大小（Full）和设定值（Other）。（4）单击OK按钮，创建三维场景（图11.7）。图11.63DSurfaceViewInputParameters对话框图11.7三维场景图（5）在3DSurfaceView窗口中，交互浏览三维场景。单击鼠标左键，并沿着水平方向拖动鼠标，这将使得三维曲面绕着Z轴旋转。点击鼠标左键，并沿着垂直方向拖动鼠标，这将会使三维曲面绕着X轴旋转。单击鼠标中键，并拖动鼠标，可以在相应的方向平移（漫游）图像。单击鼠标右键，并向右拖动鼠标，可以增大缩放比例系数。点击鼠标右键，并向左拖动鼠标，可以减小缩放比例系数。11.2地形特征提取ENVI能够从DEM中提取地形特征，包括山峰（Peak）、山脊（Ridge）、平原（Pass）、水平面（Plane）、山沟（Channel）和沟谷（Pit）。提取地形特征的具体操作如下：（1）在ENVI主菜单中，选择Topographic—TopographicFeatures；在弹出的TopographicFeatureInputDEM对话框中，选择DEM文件，点击OK按钮。打开TopographicFeaturesParameters对话框（图11.8）。图11.8TopographicFeaturesParameters对话框（2）坡度容差（SlopeTolerance）：设置为1；曲率容差（CurvatureTolerance）：设为0.l。这两个容差用来区分像元是山峰、沟谷、平原还是河道、山脊。被区分为山峰、沟谷或平原的像元，其对应坡度值必需小于坡度容差，并且垂直方向曲率必须大于曲率容差。增加坡度容差