1.引言

除了传统的航空摄影测量外，卫星遥感影像成为DEM生产的主要途径。目前在运行且提供立体测图功能的卫星平台主要有：IKONOS、SPOT、GeoEye-1、IRS-P5、WorldView、RapidEye、ASTER以及资源三号等卫星数据，所有这些国内外高分辨率卫星的发射，为DEM以及其它地图产品的生产提供了丰富的数据资源。

随着数据的逐渐丰富，数据的处理方法和应用也在不断地更新，英国学者 R.G.Ley 基于Meridian软件对SPOT影像进行了高程自动提取实验；加拿大学者AL-ROUSANN和CHENG P．设计并开发了EASI/PACE系统，并对SPOT 影像进行DEM提取和影像的正射纠正[1]；德国学者K.Jacobsen利用RASCOR软件对SPOT HRS影像进行了DEM提取，得到地势较开阔地区最高精度可达5m[2]；土耳其学者 Kocak基于IKONOS立体像对进行了DEM自动提取实验，由于受到辐射畸变等影响，高程精度仅为5.8m[3]。我国学者张瑞军等利用SPOT影像数据进行DEM生产，实验得出精度可达到10m以内，而星载INSAR生成DEM的高程精度可达到米级，并且平坦地区的精度优于山区精度[4]；夏涛等人基于PCI Geomatica软件对ASTER立体像对数据进行DEM的自动提取和DOM制作，并通过与当地实测1:50 000地形图比较，得出在平坦地区ASTER DEM与实测地形图吻合较好，而在高程变化较大的区域则存在一定差异，但总体上可以满足中小比例尺(1：500 000-1：1 000 000)地图应用[5]；董胜光利用GeoEye-1立体影像在少量控制点条件下进行实验，得出该技术能用于1：5 000 以上的大比例尺DEM和DOM的生产[6]；王红平等利用RFM校正模型和不同数目的地面控制点对IRS-P5进行定位分析，得出定位精度可达到4.0 m左右，另外，实验还表明在缺少控制点的情况下，使用补偿模型也能使RFM模型达到相当的校正精度[7]；闫利等人也利用TerraSAR-X数据对高精度的正射影像制作进行研究，并对1m和3m分辨率的正射影像进行精度评定，结果显示精度都优于3个像素[8]。

综上，基于不同遥感立体影像生产DEM的共同点有两个：一是在控制点数据充足的情况下获得DEM的精度比无或者缺少地面控制点时要高；二是在相同控制点条件下，地势较平坦地区比高山等地势较复杂地区的精度要高。因此，如何在缺少地面控制点条件下和在高山地区获得高精度的DEM数据成为该领域研究的一个热点和方向。

2.数据

2.1遥感影像

本研究采用的是IRS-P5立体影像，成像区域为山东即墨市东北部的鳌山湾，本地区属于渤海沿海区域，气候类型属于北温带季风气候，周围有鳌山镇、温泉镇和田横镇三个乡镇，地理位置在N 36°17′-36°32′，E 120°37′-120°58′之间，沿海区域较平坦，往陆地方向有一定的起伏，一般海拔在300m以内。

740-230-F影像                  740-230-A影像

图1  IRS-P5立体像对

IRS-P5卫星，是印度政府于2005年5月5日发射的全球第一颗高分辨率的专业立体测图卫星，搭载有两个分辨率为2.5m的全色传感器，采用连续推模式形成同轨立体像对，其获取的数据主要用于地形图制图、高程建模、地籍制图以及资源调查等方面。IRS-P5卫星产品类型主要有三种：1是立体产品，该产品可供提取数字高程模型，制作高精度的DEM产品；2是预正射产品，提供的预正射产品只对图像做过辐射校正，但同时可提供RPC文件；3是增值产品，提供以IRS-P5作为主数据源覆盖全国的分省、分县的影像底图产品。

2.2地面控制点

本研究所采用的地面控制点(GCP)均来自于野外测量，使用的仪器是型号为BHZ2-SF-2040G双频RTG接收机，该仪器采用StarFire 差分系统能够实时提供全球分米级精度的定位数据，标称精度为水平小于15cm、高程小于30cm。

3.实验

本研究根据参与DEM提取的控制点数目不同安排了0个、1个、6个、9个和12个5种方案开展实验，分别对生成DEM的精度影响进行讨论分析。

3.1 无GCP的DEM精度分析

选择景号为740-230的IRS-P5立体像对作为数据源，基于有理函数模型(RFM)，在无地面控制点条件下，选取10个约束点，如图2，进行DEM数据的生成；然后选取外业实测的19个点作为检查点，基于任意点模型，采用中误差和最大误差指标对生成的DEM进行精度评定。

左影像右影像

图2  控制点分布图

经计算，在无地面控制点情况下，基于有理函数模型生成的DEM，最大误差为90.852m，中误差为51.937m。

3.2 多个GCP的DEM精度分析

（1）1个GCP的DEM精度分析

应用1个地面控制点，基于RFM模型生成DEM，地面控制点分布情况如图3所示，经计算，其检查点的最大误差为10.693m，中误差为4.723m，19个点中有18个点的高差在之内，较无地面控制点时的51.937m有一个显著的提高。

图3  1个控制点分布情况

（2）6个GCP的DEM精度分析

应用6个地面控制点，基于RFM模型生成DEM，地面控制点分布情况如图4所示。经计算，其检查点的最大误差为5.018m，中误差为2.201m，19个点中有16个点的高差在之内，较有1个地面控制点时的4.723m有了进一步的提高。

图4  6个控制点分布情况

（3）9个GCP的DEM精度分析

在6个地面控制点的基础上增加到9个（如图5），经计算，其检查点的最大误差为4.033m，中误差为1.821m，19个点中有17个点的高差在之内，较有6个地面控制点时的2.201m有了提高，但提高的不明显。

图5  9个控制点分布情况

（4）12个GCP的DEM精度分析

当地面控制点增加到12个时（如图6），检查点的最大误差为4.572m，中误差为1.742m，19个点中有18个点的高差在之内，较有9个地面控制点时的1.821m有了提高，但提高幅度不大。

图6  12个控制点分布情况

4.结论

本文应用0个、1个、6个、9个和12个地面控制点5种方案、基于同一RPC文件和相同TP点生成的DEM，并分别对其精度进行了讨论分析，得出：在无地面控制点时，其检查点中误差为51.937m，增加一个控制点后，中误差迅速降到4.723m,对照表2-2的精度标准可知，已经达到了平原地区1:5万的精度要求；当控制点数目为6个时，其最大误差和中误差分别降到5.018m和2.201m；当控制点增加到9个和12个时，中误差分别为1.821m和1.742m，都达到了平原地区1:1万的精度要求。通过以上讨论分析，可得出以下结论：

（1）应用实验区分辨率为2.5米的IRS-P5遥感立体像对、基于RPC模型和1个地面控制点生成的DEM，其精度即可达到平原地区1:5万的精度要求；

（2）随着地面控制点数目的增加，其精度也有所提升，当控制点数目为9个时，完全可以达到平原地区1:1万的精度要求，之后再继续增加地面控制点，DEM的精度提升不大。

参考文献：

[1]张艳．线阵列推扫式影像的数字摄影测量处理[D]．郑州：中国人民解放军信息工程大学，2003

[2]K．Jacobsen．DEM Generation by SPOT HRS [J]．ISPRS Congress，2004，July．

[3]Güven K．K．，Gürcan B．H．，Karsten J．N．．Analysis of Digital Elevation Models Determined by High Resolution Space images [J]．ISPRS Congress，2004，July．

[4]张瑞军，杨武年，刘汉湖，等．数字高程模型(DEM)的构建及其应用[J]．工程勘察，2005　(5)：61-64．

[5]夏涛，杨武年，刘汉湖，等．利用ASTER立体像对提取相对DEM及正射影像地图制作[J]．测绘科学，2007，5 ，32(3)：144-146．

[6]董胜光．GeoEye-1影像的空间信息提取及其三维地图制作技术研究[D]．长沙：长沙理工大学，2010．

[7]王红平，刘修国，罗红霞，等．基于RPC模型的IRS-P5影像正射校正[J]．地球科学，2010，5，35(3)：485-489．

[8]闫利，李振．TerraSAR-X高精度正射影像制作和精度评价研究[J]．测绘通报，2010(8)：1-3．