ENVI地形分析.docx

1、ENVI地形分析第11章 地形分析数字高程模型（Digital Elevation Model，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（Digital Terrain Model，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

2、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

3、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，S

4、POT5/6，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

5、.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（Open Topographic File）：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（USGS DEM）、空间数据转换标准（SDTS）格式的 USGS 数字高程模型（USGS SDTS DEM）文件以及 Shuttle Radar Topography Mission即航天飞机雷达地形测绘的数字高程模型（SRTM DEM）格式。地形建模（Topographic Modeling）：可以从地形数据中计算出一些地形模型，包括

6、坡度、坡向、凸面和曲率等。地形特征（Topographic Features）：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（DEM Extraction）：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。DEM Extraction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（Edit DEM Results）、立体3D量测工具（Stereo 3D Measurement）和核线图像3D光标工具（Epipolar 3D Cursor）。使用菜单中的其它地形工具可以进行以下操作：生成

7、山区阴影图像（Create Hill Shade Image）、替换数字高程数据中的坏值（Replace Bad Values）、不规则点栅格化（Rasterize Point Data）、将矢量地形图转化为栅格DEM（Convert Contours to DEM）及对地形数据进行3D曲面浏览（3D SurfaceView）等。11.1.2 地形建模使用Topographic Modeling 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（Shaded Relief）、剖面曲率（Profile Convex

8、ity）、水平曲率（Plan Convexity）、纵向曲率（Longitudinal Convexity）、横向曲率（Cross Sectional Convexity）、最小曲率（Minimum Convexity）、最大曲率（Maximum Convexity）及均方根误差（DEM Error）。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（Shaded Relief）：入射角的余弦；剖面曲率（Profile Convexity）：剖面曲率（与z轴所在的平面和坡面

9、相交）度量坡度沿剖面的变化速率；水平曲率（Plan Convexity）：（与XY平面相交）度量坡向沿平面的变化速率；纵向曲率（Longitudinal Convexity）：（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（Cross Sectional Convexity）：（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（Minimum Curvature）：计算得到整体曲率的最小值；最大曲率（Maximum Curvature）：计算得到整体曲率的最大值；均方根误差（RMS Error）：表示二次曲面与实际数字高程数据的拟合

10、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USGS DEM、USGS SDTS DEM、DTED、SRTM DEM等格式都需要通过FileOpen External fileDigital Elevation或者TopographicOpen Topographic File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TopographicTopographic Modeling，在弹出的Topo Model Input DEM对话框中，选择一个DEM文件。打

11、开一个新的DEM文件，选择File OpenNew File。点击“OK”，打开Topo Model Parameters对话框（图11.2）。（2）在Topo Model Parameters对话框中，选择地形核大小（Topographic Kernel Size）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）Select Topographic Measures to Compute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Compute Sun Elevation and Azi

12、muth按钮，在Compute Sun Elevation and Azimuth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11.2 Topo Model Parameters对话框图11.3 Compute Sun Elevation and Azimuth对话框图11.4 地形模型图像11.1.3 三维地形可视化ENVI

13、的三维可视化功能可以将DEM数据以网格结构（wire frame）、规则格网（ruled grid）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。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Topographic3D Surface View。选择SPOT图像文件的RGB三个波段，之后在Associated DEM Input File对话框中选择对

14、应的DEM文件（图11.5）。图11.5 Associated DEM Input File对话框（3）在3D Surface View Input Parameters对话框中（图11.6），需要设置以下参数：DEM分辨率（DEM Resolution）：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（Nearest Neighbor）法和象元聚合重采样（Aggrega

15、te）法。DEM最大/最小绘制值范围（DEM min plot value和DEM max plot value）：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（Vertical Exaggeration）：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（Image Resolution）：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11.6 3D Surface View Input Parameters对

16、话框图11.7 三维场景图（5）在3D Surface View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：（

17、1）在ENVI主菜单中，选择TopographicTopographic Features；在弹出的Topographic Feature Input DEM对话框中，选择DEM文件，点击OK按钮。打开Topographic Features Parameters对话框（图11.8）。图11.8 Topographic Features Parameters对话框（2）坡度容差（Slope Tolerance）：设置为1；曲率容差（Curvature Tolerance）：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

18、度容差，并且垂直方向曲率必须大于曲率容差。增加坡度容差及减少曲率容差将导致分类输出图像中的山峰、沟谷和平原的数量增多。（3）地形核大小（Topographic Kernel Size）：7。可以使用不同的核尺寸提取多尺度地形信息。核尺寸越大，处理速度越慢。（4）在Select Feature to Classify列表中，选择所有的地形特征。（5）选择输出路径及文件名，单击OK按钮，执行地形特征提取。（6）得到分类图像（图11.9）。图11.9 输出的分类图像11.3 立体像对DEM自动提取在ENVI中，利用立体像对自动提取DEM时，首先需要确认是否拥有DEM Extraction扩展模块的使

19、用许可。它的流程总体上分为六步。如下所示：一、输入立体像对需要两个具有重叠区的黑白影像，带有RPC文件。RPC文件用来产生Tie点（连接点）和计算立体图像之间的关系。二、定义地面控制点如果没有地面控制点信息，DEM自动提取向导执行的结果是以卫星默认的地势面作为基准面的相对DEM；在有地面控制点信息情况下，可以得到绝对DEM。三、定义连接点采用手动或者自动的方式在两个影像上寻找同名点。四、设定DEM提取参数参数包括坐标投影、像元大小、插值算法和参数等。五、输出DEM并检查结果六、编辑DEM获取的DEM属于DSM（数字表面模型)，根据需要可去除如树高、房子高度等信息，将DSM变成真正的DEM。如果

20、影像上有厚云，这部分区域的DEM实际上是云的高度，也需要进行局部的修改。11.3.1 DEM自动提取操作步骤本节内容采用文献4中以CARTOSAT-1（P5）数据为例介绍从立体像对中提取DEM的详细操作步骤。表11.3是数据文件的详细说明。表11.3 CARTOSAT-1（P5）数据文件说明BANDA.TIF左影像图像文件BANDA_MET.TXT左影像元数据文件BANDA_RPC.TXT左影像RCP文件BANDF.TIF右影像图像文件BANDF_MET.TXT右影像元数据文件BANDF_RPC.TXT右影像RCP文件Tie.pts连接点文件P5GEOTIFF.DOC数据格式说明文件第一步 输

21、入立体像对（1）在主菜单中，选择FileOpen Image选择BANDA.TIF和BANDF.TIF文件打开。（2）在主菜单中，选择TopographicDEM Extraction打开DEM Extraction模块功能命令，菜单命令及其功能说明如下表所示。表11.2 DEM Extraction模块菜单命令及其功能说明菜单命令功能说明DEM Extraction WizardDEM自动提取向导NEW新建DEM自动提取向导工程USE Previous File打开DEM自动提取向导工程文件Select Stereo GCPs选择立体像对的地面控制点（GCP）Select Stereo Ti

22、e Points选择立体像对的连接点（Tie）Build Epipolar Images创建核线图像Extract DEM提取DEM，需要控制点文件、连接点文件等外部辅助文件。Edit DEM Result编辑DEM结果Stereo 3D Measurement立体3D量测工具Epipolar 3D Cursor核线图像3D光标工具（3）选择DEM Extraction WizardNew，打开DEM Extraction Wizard对话框（图11.10），包括9个小步骤。（4）单击Select Stereo Images按钮，选择BANDA.TIF作为左视图像（Left image）， B

23、ANDF.TIF作为右视图像（Right image）。一般推荐垂直获取图像（nadir- viewing）或者观测角度小的影像作为左视图，非垂直方向（off-nadir viewing）获取图像作为右视图。也可以通过简单对比立体像对两幅影像的地面分辨率，分辨率高的作为左视图。（5）系统自动根据自带的星历参数文件获得图像区域的最大高程和最小高程，也可以根据已知信息手动输入。（6）单击Next按钮，进入Step2操作。图11.10 DEM Extraction Wizard Step1对话框第二步 定义地面控制点DEM Extraction Wizard 的Step2共有三种控制点定义方法（图1

24、1.11）。（1）No GCPS（relative DEM value only）无控制点，选择这个选项得到的DEM是相对高程。（2）Define GCPS Interactively交互式选择控制点。选择这个选项后，单击Next按钮，打开交互定义地面控制点界面。控制点的选择过程与几何校正相似。（3）Read GCPs From File从外部文件（.pts）中读取控制点。由于缺少地面控制点数据，故本实验中选择No GCPs（relative DEM value only），单击Next按钮，进入Step4操作。图11.11 Step2选择定义地面控制点方式第三步 定义连接点Step3提供了三

25、种定义连接点的方法。（1）Generate Tie Points Automatically基于区域灰度匹配法自动寻找重叠区的连接点，如图11.12所示。以下是几个参数的说明：连接点数目（Number of Tie Point）：60。需要寻找连接点的数量。搜索窗口大小（Search Windows size）：481。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，但同时要耗费更多的计算时间。大致确定搜索窗口大小的方法是：在立体像对（带有粗略地理坐标）的两个图像上找到一个同名点，量测这两个图像上同名点间的距离D（像素单位），搜索窗口大小可设置为(D+

26、1)x2。移动窗口大小（Moving Window size）：41。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5x5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辨率有关系，参照如下设置：大于等于10m分辨率图像，设置值的范围是915；5l0m分辨率图像，设置值的范围是1121；15m分辨率图像，设置值的范围是1541；小于1m分辨率图像，设置值的范围是2181或者更高。平均高程（Region Elevation）：自动从图像读取，根据提供的RPC文件计算得到。是否检查连接点（E

27、xamine and Edit Tie Point）：Yes。如果选择“Yes”，单击Next按钮，进入查看/添加/编辑连接点步骤（Step5）；选择No，直接跳过查看/添加/编辑连接点步骤（Step5）。图11.12 Step4自动寻找重叠区的匹配点（2）Define Tie Point Interactively人工交互式定义连接点（至少需要定义9个连接点）。选择此选项单击Next按钮进入查看/添加/编辑连接点步骤（Step5）（图11. 12）。（3）Read Tie Points From File读取外部连接点文件（.pts）。Examine and Edit Tie Points项

28、如果选择“Yes”，单击Next按钮，进入查看/添加/编辑连接点步骤（Step5）；选择No，直接跳过查看/添加/编辑连接点步骤（Step5）（图11. 12）。本例中选择的是Generate Tie Points Automatically。按照上述内容设置好参数后单击Next按钮，进入查看/添加/编辑连接点步骤step5（图11.13）。利用这个对话框上的功能按钮手动添加新的连接点，编辑已选择的连接点。每个按钮命令的功能说明如表11.4所示。当连接点数量大于9个，且最大Y方向视差（Maximum Y Parallax）的值小于10（以像素为单位）时，单击Next按钮，进入Step6。图11

29、.13 Step5查看/添加/编辑连接点 注：1如果最大Y方向视差大于10，需要编辑自动寻找的Tie点。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。2自动寻找的Tie点分布有间隙，可以手动增加一些点，充分利用Predict Left（或Right）预测功能可以提高效率。3可先单击Delete ALL删除所有点，再单击Restore加载提供的Tie.pts文件。表11. 4 查看/添加/编辑连接点界面按钮命令及功能说明按钮名称功能Go to定位到当前选择的连接点Add将左右图像的光标定位到

30、同一位置，单击此按钮新增连接点。Update选择一个需要编辑的连接点，移动左右图像的Zoom窗口的十字光标重新定位一个新位置。单击此按钮，用当前位置更新连接点的位置。Reset重设当前选择的连接点回到最初位置，取消之前对该点的所有编辑。Delete删除当前选择的连接点Delete All删除所有连接点Show/Hide Table打开/关闭连接点列表Save将定义的连接点保存为外部文件Restore打开外部连接点文件Predict Left在右图像定位一个连接点后，利用此按钮可在左图像上预测大概位置。Predict Right在左图像定位一个连接点后，利用此按钮可在右图像上预测大概位置。Par

31、ams设置预测点参数，包括搜索窗口和移动窗口的大小。在Step6中（图11.14），利用连接点计算生成核线图像（Epipolar Image ）。核线图像描述了立体像对之间的像素关系，可以利用立体眼镜浏览3D效果。图11.14 Step6输出核线图像该模块包括：（1）分别为左、右核线图像选择保存路径及文件名。（2）核线图像缩放系数（Epipolar Reduction Factor），默认值为1（不缩放）。（3）单击RGB=Left、Right、Right或者RGB=Right、Left、Left按钮，在Display窗口中显示核线图像（图11.15），可以利用立体眼镜浏览3D效果。图11.15 显示核线图像（4）单击Next按钮。进入设定输出参数步骤Step7。第四步 设定输出参数Step7可设定输出DEM的投影参数、像元大小和范围（图11.16）。单击Next按钮，进入Step8。图11.16 Step7设定输出DEM的投影参数