基于ENVI5.1的“资源三号”立体像对DEM提取
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2016-06-01
1.概述
数字高程模型(Digital Elevation Model)，简称DEM，它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除了包括地面高程信息外，还可以派生地貌特性，包括坡度、坡向等，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，从数据源及采集方式主要有：根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获；野外测量或者从现有地形图上采集高程点或者等高线，后通过内插生成DEM等方法。
资源三号搭载了四台光学相机，包括一台地面分辨率2.1m的正视全色TDI CCD相机、地面分辨率3.5m的前视和后视全色TDI CCD相机、一台地面分辨率5.8m的正视多光谱相机。其中前正后视全色相机，推扫成像形成三线阵立体像对，可用于DEM提取。经过测试发现，前视和正视，或后视和正视，可以组成立体像对进行DEM提取，效果较好，优于前视和后视提取的DEM。
2.详细操作步骤
DEM Extraction工具分为9个步骤，总体上我们可分为6个步骤，如下图所示。
图1.1 DEM提取流程
第一步：输入立体像对
（1）单击File->Open，以正视和后视图像为例。打开"ZY3_01a_hsnnavp_*"和"ZY3_01a_hsnbavp_*"文件夹内的tif文件。
（2）在Toolbox中，双击/ Terrain/DEM Extraction/DEM Extraction Wizard: New。
（3）单击Select Stereo Image按钮，选择正视图像（NAVP）为Left Image，后视图像（BAVP）为Right Image。
注：1、ENVI一般能自动识别RPC文件，否则需要手动选择RPC文件。
2、左影像选择垂直观测的影像，或者观测角度小的影像。可以简单通过对比立体像对两幅影像的地面分辨率，分辨率高的当作左影像。
（4）单击Next按钮。
图2.1 Step 1 of 9输入立体像对
第二步：定义地面控制点
提供三种定义地面控制点方式：不定义（No GCPs (relative DEM values only)）、交互式定义（Define GCPs Interactively）和读取控制点文件（Read GCPs From File）。由于缺少地面控制点数据，这里选择不定义控制点，单击Next按钮。
注：不定义地面控制点得到的DEM是相对高程，即以卫星地势面为基准。
图2.2 Step2 of 9定义地面控制点
第三步：定义连接点
（1）提供三种定义连接点方式：自动寻找、交互式手工定义和外部读取控制点文件。选择选择自动寻找，参数设置如下所示，
图2.3 Step 4 of 9自动选择Tie点参数设置
注：几个参数的设置说明如下说明：
1)大于等于10 米分辨率图像，设置值的范围是9~15。
2)5~10 米分辨率图像，设置值的范围是11~21。
3)1~5米分辨率图像，设置值的范围是15~41。
4)小于1米分辨率图像, 设置值的范围是21~81 或者更高。
（2）单击Next按钮，进入Step 5/9步骤。
（3）本例子中，自动找到414个Tie点，Maximum Y Parallax（Y视差）=2.3394，小于10即可进行下一步处理。从点的分布来看，有部分地区没有Tie点，下面手动交互添加一些Tie点。
注：如果Maximum Y Parallax（Y视差）>10，单击Show Table，选择Sort Table By Error，误差大的点排在前面，逐个选择Tie点查看精度，将偏离较大的点进行微调或者直接删除。
图2.4 5 of 9自动选择Tie点及分布
1）单击"Params…"按钮修改两个窗口大小为481和101。
2）在左边图像的无Tie点区域，定位一个点，单击Predict Right按钮，自动在右边图像上定位一个点，确认两个点是同名点，单击Add按钮添加。
注：一般预测的点都很准确，个别不准确可以由右边图像上的点来预测左边图像（Predict Left按钮）的同名点。
3）重复以上步骤，手动增加一些Tie点，尤其是地形起伏较大区域。
（4）当误差达到一定范围，如这里的3.4373（Maximum Y Parallax<10），单击Next按钮。
图2.5手动添加一些Tie点的分布
第四步：设定DEM提取参数
（1）Step 6 of 9，ENVI会生成核线图像，可以用于立体观测，选择一个路径分别输出，单击Next。
图2.6 Step 6 of 9 输出核共线图像
（2）在Step 7 of 9中，设置DEM输出投影参数。这里直接设置为UTM坐标，输出像元大小为10m（记得回车自动计算输出像元行列数，否则结果会带很多黑背景），单击Next。
注：这里输出的像元大小没有一个明确的规定，一般可选择 10或者15米输出。
（3）在Step 8 of 9中，设置DEM输出参数：
（4）选择输出路径和文件名。
图2.7 Step7 of 9、8 of 9DEM输出投影与输出参数设置
第五步：输出DEM并检查结果
在Step 9 of 9中，单击Load DEM Result to Display按钮加载生成DEM结果。
图2.8 DEM结果
第六步：编辑DEM
生成的DEM有些地方如果有厚云等，对获得的地形有影响，可以通过手动编辑来更改这些区域的高程数据。
（1）在Step 9 of 9中，单击Load DEM Result to Display with Editing Tool按钮，打开DEM编辑工具。
（2）在Image 窗口中绘制需要编辑的区域，在Method中选择一种修改方法，单击Apply to Region of Interest或者Apply to Entire Band进行修改。几种修改方法说明如下表：
（3）单击Save按钮，保存为工程文件。
表 2.2 编辑DEM高程值的7种方法
如下图是利用相同的流程和参数，使用其他资源三号数据提取得到的DEM结果。
图2.9资源三号立体像对提取的DEM结果
3.常见问题解答
3.1整体效果差
问题描述：呈现大范围"三角形"状，地形不平滑
解决方法：1、可能Tie点太少造成，增加Tie数量。
2、可能立体像对拍摄夹角太大，如选择前视和后视作为立体像对时。
3.2部分地区地形插值不平滑
问题描述：如下图所示，主要产生的原因是地形起伏较大，尤其是山体存在阴影情况。
解决方法：增加Tie点。
图3.1 DEM结果局部不平滑
3.3处理速度慢
设置地形地貌（Terrain Relief）和地形细部（Terrain Detail）级别太高，如设置Terrain Relief：High和Terrain Detail：Level 7。
一般设置Terrain Relief：Moderate和Terrain Detail：Level 6即能满足大部分处理要求。
3.4内存溢出
问题描述：提示错误类似Unable to allocate memory: to make array。
解决方法：设置的分块大小太大导致。在ENVI Classic中，File – Preferences 面板中（如下图），建议设置Cache Size为内存大小的50%；Image Tile Size设置可参考：
图3.2 ENVI Classic分块大小设置
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102uzfx.html
数字高程模型(Digital Elevation Model)，简称DEM，它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除了包括地面高程信息外，还可以派生地貌特性，包括坡度、坡向等，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，从数据源及采集方式主要有：根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获；野外测量或者从现有地形图上采集高程点或者等高线，后通过内插生成DEM等方法。
资源三号搭载了四台光学相机，包括一台地面分辨率2.1m的正视全色TDI CCD相机、地面分辨率3.5m的前视和后视全色TDI CCD相机、一台地面分辨率5.8m的正视多光谱相机。其中前正后视全色相机，推扫成像形成三线阵立体像对，可用于DEM提取。经过测试发现，前视和正视，或后视和正视，可以组成立体像对进行DEM提取，效果较好，优于前视和后视提取的DEM。
2.详细操作步骤
DEM Extraction工具分为9个步骤，总体上我们可分为6个步骤，如下图所示。
图1.1 DEM提取流程
第一步：输入立体像对
（1）单击File->Open，以正视和后视图像为例。打开"ZY3_01a_hsnnavp_*"和"ZY3_01a_hsnbavp_*"文件夹内的tif文件。
（2）在Toolbox中，双击/ Terrain/DEM Extraction/DEM Extraction Wizard: New。
（3）单击Select Stereo Image按钮，选择正视图像（NAVP）为Left Image，后视图像（BAVP）为Right Image。
注：1、ENVI一般能自动识别RPC文件，否则需要手动选择RPC文件。
2、左影像选择垂直观测的影像，或者观测角度小的影像。可以简单通过对比立体像对两幅影像的地面分辨率，分辨率高的当作左影像。
（4）单击Next按钮。
图2.1 Step 1 of 9输入立体像对
第二步：定义地面控制点
提供三种定义地面控制点方式：不定义（No GCPs (relative DEM values only)）、交互式定义（Define GCPs Interactively）和读取控制点文件（Read GCPs From File）。由于缺少地面控制点数据，这里选择不定义控制点，单击Next按钮。
注：不定义地面控制点得到的DEM是相对高程，即以卫星地势面为基准。
图2.2 Step2 of 9定义地面控制点
第三步：定义连接点
（1）提供三种定义连接点方式：自动寻找、交互式手工定义和外部读取控制点文件。选择选择自动寻找，参数设置如下所示，
- 连接点数目（Number of Tie Points）：1000。
- 搜索窗口大小（Search Windows Size）：481。
- 移动窗口大小（Moving Window Size）：101。
- 最小相关系数（Minimum Correlation）：0.90。
- 平均高程（Region Elevation）：自动从影像读取。
- 是否检查连接点（Examine and Edit Tie Points）：Yes。
图2.3 Step 4 of 9自动选择Tie点参数设置
注：几个参数的设置说明如下说明：
- 搜索窗口大小（Search Windows Size）：大于或等于21的任意整数，并且必须比移动窗口大。该参数的值越大，找到匹配点的可能性也越大，但同时也要耗费更多的计算时间。大致确定搜索窗口大小的方法：在立体像对（带有粗略地理坐标）两个图像上找到一个同名点，量测两个图像上同名点的距离D（像素单位），搜索窗口最小设置为（D+1）*2。
- 移动窗口大小（Moving Window Size）：在搜索窗口中进行检查，寻找地形特征匹配的小区域。移动窗口大小必须是奇数。最小的移动窗口大小是5，即为5×5像素。使用较大的移动窗口将会获得更加可靠的匹配结果，但也需要更多的处理时间。移动窗口的大小跟图像空间分布率有关系，根据如下所列设置：
1)大于等于10 米分辨率图像，设置值的范围是9~15。
2)5~10 米分辨率图像，设置值的范围是11~21。
3)1~5米分辨率图像，设置值的范围是15~41。
4)小于1米分辨率图像, 设置值的范围是21~81 或者更高。
（2）单击Next按钮，进入Step 5/9步骤。
（3）本例子中，自动找到414个Tie点，Maximum Y Parallax（Y视差）=2.3394，小于10即可进行下一步处理。从点的分布来看，有部分地区没有Tie点，下面手动交互添加一些Tie点。
注：如果Maximum Y Parallax（Y视差）>10，单击Show Table，选择Sort Table By Error，误差大的点排在前面，逐个选择Tie点查看精度，将偏离较大的点进行微调或者直接删除。
图2.4 5 of 9自动选择Tie点及分布
1）单击"Params…"按钮修改两个窗口大小为481和101。
- 预测参数设置
2）在左边图像的无Tie点区域，定位一个点，单击Predict Right按钮，自动在右边图像上定位一个点，确认两个点是同名点，单击Add按钮添加。
注：一般预测的点都很准确，个别不准确可以由右边图像上的点来预测左边图像（Predict Left按钮）的同名点。
3）重复以上步骤，手动增加一些Tie点，尤其是地形起伏较大区域。
（4）当误差达到一定范围，如这里的3.4373（Maximum Y Parallax<10），单击Next按钮。
图2.5手动添加一些Tie点的分布
第四步：设定DEM提取参数
（1）Step 6 of 9，ENVI会生成核线图像，可以用于立体观测，选择一个路径分别输出，单击Next。
图2.6 Step 6 of 9 输出核共线图像
（2）在Step 7 of 9中，设置DEM输出投影参数。这里直接设置为UTM坐标，输出像元大小为10m（记得回车自动计算输出像元行列数，否则结果会带很多黑背景），单击Next。
注：这里输出的像元大小没有一个明确的规定，一般可选择 10或者15米输出。
（3）在Step 8 of 9中，设置DEM输出参数：
- 最小相关系数阈值（Minimum Correlation）：0.7。值的范围是0~1，这个参数是评价两个点匹配好坏。这个阈值越大，匹配精度越高，能得到的匹配点越少。一般设定在0.65~0.85之间。
- 背景值（Background Value）：-999。设定DEM的背景像素值。
- 外边界清理焊缝(Edge Trimming)：0。值的范围是0.0~0.6。设定输出DEM外边界清理焊缝宽度，用占整个DEM的百分比来标示。
- 移动窗口大小（Moving Window Size）：13x13。定义计算两图像相关性的范围大小，于来执行图像匹配，值越大越可靠，精确的匹配结果越少，计算量越大。
- 地形地貌（Terrain Relief）：Moderate。三个级别——Low、Moderate和High。Low用于覆盖区域地形平坦；Moderate用于大多数地形；High用于地形起伏较大的山区，地形地貌很明显区域。
- 地形细部（Terrain Detail）：Level 6。设置DEM地形细节等级。等级越高，生成的DEM越精细，处理时间越长。
- 数据输出类型（Output Data Type）：Integer。16bit的Integer和32bit的Floating Point。
（4）选择输出路径和文件名。
图2.7 Step7 of 9、8 of 9DEM输出投影与输出参数设置
第五步：输出DEM并检查结果
在Step 9 of 9中，单击Load DEM Result to Display按钮加载生成DEM结果。
图2.8 DEM结果
第六步：编辑DEM
生成的DEM有些地方如果有厚云等，对获得的地形有影响，可以通过手动编辑来更改这些区域的高程数据。
（1）在Step 9 of 9中，单击Load DEM Result to Display with Editing Tool按钮，打开DEM编辑工具。
（2）在Image 窗口中绘制需要编辑的区域，在Method中选择一种修改方法，单击Apply to Region of Interest或者Apply to Entire Band进行修改。几种修改方法说明如下表：
（3）单击Save按钮，保存为工程文件。
表 2.2 编辑DEM高程值的7种方法
如下图是利用相同的流程和参数，使用其他资源三号数据提取得到的DEM结果。
图2.9资源三号立体像对提取的DEM结果
3.常见问题解答
3.1整体效果差
问题描述：呈现大范围"三角形"状，地形不平滑
解决方法：1、可能Tie点太少造成，增加Tie数量。
2、可能立体像对拍摄夹角太大，如选择前视和后视作为立体像对时。
3.2部分地区地形插值不平滑
问题描述：如下图所示，主要产生的原因是地形起伏较大，尤其是山体存在阴影情况。
解决方法：增加Tie点。
图3.1 DEM结果局部不平滑
3.3处理速度慢
设置地形地貌（Terrain Relief）和地形细部（Terrain Detail）级别太高，如设置Terrain Relief：High和Terrain Detail：Level 7。
一般设置Terrain Relief：Moderate和Terrain Detail：Level 6即能满足大部分处理要求。
3.4内存溢出
问题描述：提示错误类似Unable to allocate memory: to make array。
解决方法：设置的分块大小太大导致。在ENVI Classic中，File – Preferences 面板中（如下图），建议设置Cache Size为内存大小的50%；Image Tile Size设置可参考：
- 内存 – 2G，Image Tile Size – 1M
- 内存 – 4G，Image Tile Size – 4~10M
- 内存 – 8G及以上，Image Tile Size – 50~100M
图3.2 ENVI Classic分块大小设置
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102uzfx.html
