ENVI地形分析.docx

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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，ALOS PRISM，CARTOSAT-1，FORMOSAT-2，IKONOS，KOMPSAT-2， OrbView-3， QuickBird，RapidEye， GeoEye-1，WorldView-1/2，SPOT 5/6，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。

地形建模

地形菜单

}

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。

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。

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）。

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—Open

NewFile。

点击“OK”，打开TopoModelParameters对话框（图）。

（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TopoModelParameters对话框

图ComputeSunElevationandAzimuth对话框

图地形模型图像

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

。

~

菜单命令

功能说明

DEMExtractionWizard

DEM自动提取向导

NEW

新建DEM自动提取向导工程

USEPreviousFile

（

打开DEM自动提取向导工程文件

SelectStereoGCPs

选择立体像对的地面控制点（GCP）

SelectStereoTiePoints

选择立体像对的连接点（Tie）

BuildEpipolarImages

创建核线图像

ExtractDEM

提取DEM，需要控制点文件、连接点文件等外部辅助文件。

EditDEMResult

—

编辑DEM结果

Stereo3DMeasurement

立体3D量测工具

Epipolar3DCursor

核线图像3D光标工具

（3）选择DEMExtractionWizard—New，打开DEMExtractionWizard对话框（图），包括9个小步骤。

（4）单击SelectStereoImages按钮，选择作为左视图像（Leftimage），作为右视图像（Rightimage）。

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-nadirviewing）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DEMExtractionWizardStep1对话框

第二步定义地面控制点

DEMExtractionWizard的Step2共有三种控制点定义方法（图）。

（1）NoGCPS（relativeDEMvalueonly）

无控制点，选择这个选项得到的DEM是相对高程。

（2）DefineGCPSInteractively

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）ReadGCPsFromFile

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NoGCPs（relativeDEMvalueonly），单击Next按钮，进入Step4操作。

图Step2选择定义地面控制点方式

第三步定义连接点

Step3提供了三种定义连接点的方法。

（1）GenerateTiePointsAutomatically

基于区域灰度匹配法自动寻找重叠区的连接点，如图所示。

以下是几个参数的说明：

连接点数目（NumberofTiePoint）：

60。

需要寻找连接点的数量。

搜索窗口大小（SearchWindowssize）：

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+1）x2。

~

移动窗口大小（MovingWindowsize）：

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9~15；

5~l0m分辨率图像，设置值的范围是11~21；

1~5m分辨率图像，设置值的范围是15~41；

小于1m分辨率图像，设置值的范围是21~81或者更高。

平均高程（RegionElevation）：

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（ExamineandEditTiePoint）：

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Step4自动寻找重叠区的匹配点

（2）DefineTiePointInteractively

!

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）ReadTiePointsFromFile

读取外部连接点文件（.pts）。

ExamineandEditTiePoints项如果选择“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GenerateTiePointsAutomatically。

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）。

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所示。

当连接点数量大于9个，且最大Y方向视差（MaximumYParallax）的值小于10（以像素为单位）时，单击Next按钮，进入Step6。

图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ShowTable，选择SortTableByError，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PredictLeft（或Right）预测功能可以提高效率。

3．可先单击DeleteALL删除所有点，再单击Restore加载提供的文件。

）

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

Goto

定位到当前选择的连接点

Add

将左右图像的光标定位到同一位置，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

DeleteAll

删除所有连接点

Show/HideTable

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

PredictLeft

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。

PredictRight

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。

Params

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），利用连接点计算生成核线图像（EpipolarImage）。

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（EpipolarReductionFactor），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），可以利用立体眼镜浏览3D效果。

图显示核线图像

（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）。

单击Next按钮，进入Step8。

（

图Step7设定输出DEM的投影参数、像元大小和范围

Step8可以设定DEM输出参数（图）。

（1）需要设定如下参数：

最小相关系数阈值（MinimumCorrelation）：

范围为0~1，用以评价两个点匹配好坏。

阈值越大，匹配精度越高，能得到的匹配点越少。

一般设定为~。

背景值（BackgroundValue）：

DEM的背景像素值。

外边界清理焊缝（EdgeTrimming）：

范围为~。

设定输出DEM外边界清理焊缝宽度，用占整个DEM的百分比来表示。

移动窗口大小（MovingWindowSize）：

定义计算两图像相关性的范围大小，用来执行图像匹配，值越大越可靠，精确的匹配结果越少，计算量越大。

地形地貌（TerrainRelief）：

分为Low、Moderate和High三个级别。

Low用于覆盖区域地形平坦；Moderate用于大多数地形；High用于山区，地形、地貌变化明显的区域。

地形细部（TerrainDetail）：

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（OutputDataType）：

16位的Integer和32位的FloatingPoint。

<

（2）选择DEM输出路径及文件名。

（3）单击Next按钮，执行DEM生成过程，进入Step9（图）。

第五步输出DEM及检查结果

Step9已经产生了DEM结果（图），单击LoadDEMResulttoDisplay按钮，可将产生的DEM结果显示在Display窗口中（图）。

图Step8设定生成DEM参数

图Step9产生DEM结果

图生成的DEM

{

第六步编辑DEM

在Step9（图）中，单击LoadDEMResulttoDisplaywithEditingTools按钮，出现编辑窗口，对生成的DEM可以进行编辑（具体操作见下一节）。

单击Save按钮，将整个操作流程保存为工程文件；单击Finish按钮，完成整个DEM的提取流程。

编辑DEM

在中编辑DEM有两种方法，一种是在DEM自动提取向导的Step9中，单击LoadDEMResulttoDisplaywithEditingTools按钮，可以打开DEM编辑工具并将DEM数据显示在Display中。

另一种是在主菜单中，选择Topographic—DEMExtraction—EditDEMResult，打开DEM编辑工具。

DEM编辑工具提供如下表所列的7种DEM数据高程值编辑方法。

表编辑DEM高程值的7种方法

方法

\

说明

Replacewithvalue

用指定的值替换感兴趣区内的高程值，需要设定一个替代常量。

Replacewithmean

用感兴趣区内原来的平均高程值替换整个感兴趣区内的高程值。

Smooth

对感兴趣区内做低通卷积滤波，需要设定一个卷积核，默认为3x3。

MedianFilter

对感兴趣区内做中值卷积滤波，需要设定一个卷积核，默认为3x3。

NoiseRemoval

：

如果感兴趣区内原高程值大于其周围高程值的标准差，则用周围高程值的中值代替。

Triangulate

用三角内插算法对感兴趣区内的高程值重新插值。

ThinPlateSpline

用薄板样条插值算法对感兴趣区内的高程值重新插值。

编辑DEM的具体操作步骤如下：

（1）在主菜单中，选择Topographic—DEMExtraction—EditDEMResult，在文件选择框中选择需要编辑的DEM数据，打开DEM编辑工具（图11.20）。

（2）选择ROI定义窗口（Window）：

本实验中选择Image。

（3）选择ROI定义类型（Type）：

选择Polygon。

[

（4）选择像素值编辑方法（Method）：

选择Replacewithmean。

（5）在Image窗口单击鼠标左键绘制多边形，单击鼠标右键闭合多边形。

（6）在DEMEditingTool对话框中，单击ApplytoRegionofInterest按钮，执行编辑。

（7）在Image窗口中，单击鼠标中键删除已绘制的ROI区域，重复上述5-6步骤继续编辑其它区域的DEM。

（8）在Undo功能区内显示了编辑次数，利用UndoLastEdit或者UndoAllEdit按钮可以取消之前或所有的编辑操作。

（9）完成所有的DEM编辑区域后，单击SaveChanges按钮，保存修改结果。

图11.20DEM编辑窗口

立体3D量测工具

立体3D量测工具（TheStereoPair3DMeasurementTool），可以从两幅立体像对中量测一个点的高程信息，并可以输出为ASCII文件、EVF矢量文件和ArcView3Dshapefi1e文件。

&

具体操作过程如下：

（1）在主菜单中，选择File—OpenImage选择和文件打开。

（2）在主菜单中，选择Topographic—DEMExtraction—Stereo3DMeasurement，选择作为左视图像（LeftStereoPairImage），选择作为右视图像（RightStereoPairImage）。

打开Stereo3DMeasurementTool对话框（图）。

（3）在左图像或右图像窗口中，用Zoom的十字光标定位到需要收集的点位。

单击Pre-

dictRight或者Predictleft按钮可以预测另外一个图像上对应位置。

如果预测精度太差，单击Params按钮，将SearchWindowsize的值调大一些，或者手动进行调整。

（4）单击GetMapLocation按钮，获取当前位置坐标。

（5）单击ExportLocation按钮，导出坐标信息（图11.22）。

（6）在ENVIPointCollection对话框中，可以查看所有收集的点坐标信息。

选择File—SavePointAs选择一种保存格式。

》