[发明专利]一种基于地表不变特征的矿区DEM变化检测方法

说明书

本发明公开了一种基于地表不变特征的矿区DEM变化检测方法，通过对点、线、面等地形特征基元的相似度测量，建立适合矿区地形特点的地表不变特征判断规则，不仅能够为DEM的变化检测提供准确的基准信息，且能够为DEM配准法方程的建立与平差解算提供初始与基准参数，继而实现DEM的变化信息解算；引入矿区地表不变特征建立顾及DEM地形结构的配准模型，将地表不变特征和特征的几何约束用于构建DEM配准模型，既可以顾及地形几何特点，又可以提高配准准确性；利用地形特征基元相似度测量方法可实现对地表不变特征判断与变化特征的同步提取，特别适用于地形复杂多变的矿区。

技术领域

本发明涉及一种DEM变化检测方法，具体是一种适用于因采矿活动导致的地形变化、地表破坏严重区域的基于地表不变特征的DEM变化检测方法，属于矿区地形测量与监测技术领域。

背景技术

数字高程模型(Digital Elevation Model)简称DEM，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达)，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通常作为进行地形分析与相关科学研究的基础数据模型。

矿区地表由于受到开采扰动影响，导致地表形变灾害频发，地形变化相对复杂，然而地形图更新远赶不上地物目标的实地变化速度，利用卫星遥感影像进行DEM变化检测，不仅能够缩短现有的地形测量周期，还能保证救灾防灾及安全生产对数据的及时性要求。

矿区DEM是进行矿区地表变形灾害监测与环境规划治理的基础数据，常被作为高程基准对影像进行正射校正，但DEM数据与进行变化检测所使用的影像通常无法同时获取，如果高程信息发生变化，它将对二维变化检测的结果产生影响。

现有地形三维变化大多采用D-InSAR或LiDAR方法，前者可以实现高精度的形变检测，但在地形起伏剧烈的区域相位解缠困难，高分辨率D-InSAR实施中，常使用外部DEM以减少相位解缠误差与地理编码误差；后者地面观测范围有限，大范围机载LiDAR观测目前价格昂贵，难以大面积实施，且目前利用高分辨率卫星影像建立的DEM精度还不足以达到厘米级，但是我国自主研制的资源三号(ZY-3)卫星几何定位精度可达到平面优于2m，高程优于3m的定位精度，高于常被使用的ASTER GDEM(Advanced Spaceborne Thermal Emissionand Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model)和SRTM(Shuttle RadarTopography Mission)数据精度，因此利用周期性卫星立体影像研究DEM的变化，不仅是三维变化检测的有力补充，还能为其他相关科学研究提供更为准确的基准数据。

传统DEM变化检测通常是根据地形变化前后的DEM进行求差获取，先对DEM配准，然后进行变化检测，没有考虑地形变化对配准算法的影响，也没有考虑水平位置变化对DEM高程的影响；由于获取途径、成像方式与时间、轨道参数、影像匹配、尺度、DEM插值等差异，不同时相间的DEM配准并不严格，导致DEM出现虚假变化；另外，矿区内自然地形与人工地形交错，突变地形与渐变地形共生，地形复杂多变，即便是布设的控制点，也会受开采扰动影响而发生变化，影响DEM与变化检测精度。

DEM变化检测与DEM配准密不可分，目前配准方法通常以点特征配准为主，如经常使用的最近邻点算法(Iterative Closest Point，ICP)及改进算法，以点、线相似不变性或者线特征实现城区航空影像与机载激光雷达点云的配准；也有利用虚拟控制点的方法改进传统相关系数匹配算法用于机载LiDAR点云和POS数据共同辅助的航空影像连接点自动匹配；或者利用点云数据中建筑物的三维轮廓线构建建筑物角特征与影像上的直线特征进行配准实现LiDAR点云与航空影像的配准，然而现有配准大多基于最小二乘的全局匹配，并没有考虑不同时相条件下的变化信息对配准精度的影响。

发明内容