梁源川:覆盖全球的精准高程信息

2015-06-12 18:18:22

摘要:   6月10日,北京国家会议中心,以构筑地理信息新生态为主题的2015年全球地理信息开发者大会 (WGDC)在此拉开帷幕。WGDC自2012年起开始举办,四年时间里,伴随着中国地理信息产业的快速发展,WGDC已经成为位置与

  6月10日,北京国家会议中心,以“构筑地理信息新生态”为主题的2015年全球地理信息开发者大会 (WGDC)在此拉开帷幕。WGDC自2012年起开始举办,四年时间里,伴随着中国地理信息产业的快速发展,WGDC已经成为位置与空间领域最具影响力的技术创新盛会。

  6月11日,地理信息开发者大会智慧城市分论坛开幕,会上空客防务与空间的SAR业务拓展经理梁源川做出了题为“覆盖全球的精准高程信息-助力智慧决策”的精彩报告。以下为演讲实录(未经本人确认)

梁源川:覆盖全球的精准高程信息

  梁源川:各位上午好,非常荣幸代表空客防务与空间技术公司给大家带来这么一个报告,关于空客,最新的全球高程模型产品的这么一个报告。这个视频是空客公司最新的雷达产品TerraSAR和TanDEM星座的一个组合。我今天给大家带来的报告是基于这个TanDEM卫星平台的全球高精度、高精细度、高程产品,名字叫WorldDEM。空客这两颗卫星目前是在轨的,全球第一颗高精度,高分辨率的商业雷达卫星。这两个卫星采用高精密度的伴飞模式进行协同工作,来采集全球的高程模型数据。大家可以看到整个的卫星是这么一个轨道飞行的示意图。请切换到下一个示例,请大家看一下咱们这个全球高程产品应用的一个示例。这个全球高程模型和TerraSAR卫星是来自于咱们AIRBUS,就是空客的集团公司。

  空客集团公司的业务主要分成三个主要部分,第一、大家熟知的民用客机这块业务。第二、是咱们欧洲直升机。第三块是我们防务与空间技术公司。大家看到的是空中客车,防务与空间技术公司最新的全球DEM产品的一个实际应用的模拟的视频,这一块展示的是我们上部的全球DEM产品和下面的SRTM产品精细度的对比,可以看到精细度非常高。这个全球DEM产品实际应用的一个模拟的视频,这个就是它的一个野外的模拟。这一块展示的是我们上部的全球DEM产品和下面的SRTM产品精细度的对比,可以看到精细度非常高。这个高程数据产品,广泛应用航空器材的导航,高精度的导航,因为它的精度很高,而且全球的DEM产品,全球每一寸陆地,这个数据产品都会覆盖,这是野外直性脊的一个助教场的模拟。

  这个数据产品具有这么几个特点,第一、它是一个大尺度的产品,全球每一寸的土地,包括两极的冰川,全部被这个产品覆盖了。另外,它是一个精度非常高的高程模型产品,而且精细度也很高,这个是基于高程模型大尺度影像产品的拼接的这么一个示例,看到整个海峡。那么,这个数据可以广泛的应用野外未探知的区域的探索的路线的这么一个规划模拟,以及它的一个野外观测的提前的规划模拟,包括一些军事应用,比如远程的巡航导弹的导航。这是大尺度全球高程数据模型。

  我现在给大家简单介绍一下全球DEM产品,WorldDEM是空客的一个注册商标,大家看到WorldDEM这个词,指的是空中客车的全球DEM产品。WorldDEM是基于空客公司的高精度的雷达卫星平台TerraSAR和TanDEM两颗卫星,第一个视频播放的就是它这个卫星平台的这么一个工作的模式。那么,这个介绍主要分三部分,第一、简单介绍一下TanDEM这个星座采集的模式,以及我们对WorldDEM生产的过程。第二、介绍一下WorldDEM的系列产品它的分类,以及每个级别的参数特点。第三、WorldDEM数据是一个高精细度的、全球高程模型产品,这个高精度和高精细度是从何而来,我们空客公司怎么验证这个高精度,这个过程给大家介绍一下。

  第一张,首先,介绍一下TanDEM卫星的星座和WorldDEM高程模型产品。WorldDEM是迄今为止第一种覆盖全球所有每一寸陆地,包括两极的高精度,高清晰度,高程的产品,它的原始数据,要生产高程数据需要原始的卫星影象数据,这个原始数据是由空客公司的TerraSAR和TanDEM两颗卫星,合成叫TanDEM-X,就是星座来进行采集的。这两颗卫星是以一种非常精密的伴飞模式进行协同工作,来采集这个影像队,这个影像队不是传统说的立体测量的影像队,它采用的是一种InSAR单车技术进行高程测量。

  那么,这个任务起始于第二颗卫星,TanDEM 2010年发射,这个任务起始于2010年下半年,它初期的任务周期规划是3.5年。那么,整个的计划,由DLR和空中客车集团公司两个单位进行共同的合作。那么,它的商业市场,就是WorldDEM的数据,高程模型数据它的商业市场的开发是完全由空中客车公司来负责的,也就是AIRBUS公司负责。从2014年开始,在世界范围之内,WorldDEM这个持续开始陆续的发售了。

  那么,在TanDEM整个项目的执行过程中,DLR和AIRBUS公司各司其职,它们是一种公私合营的方式进行合作,来生产DEM数据。DLR负责整个卫星星座的发射,影像数据的采集和整个系统的运维,包括它初始数据相对采集之后,它的SAR图象处理和后期的干涩,生成初始高程模型的这么一个处理过程。AIRBUS公司负责后期的DSM数据的增值处理以及整个商业市场的分发。

  WorldDEM这个数据,它应用领域的划分,德国宇航中心负责科研领域的用户,也就是以科学研究为目的的这种用户。AIRBUS公司负责整个商业市场,除了科研单位之外,都由AIRBUS公司负责WorldDEM产品的后期的市场开发和投放。德国宇航中心DLR在数据生产过程中负责对原始数据进行SAS图象处理和初始的干涩处理以及后期分条带的子集DSM生成之后进行大区域的融合处理。然后,在融合之后,它会根据用户需求,或者按照经纬度的地理坐标格网,将大区域的WorldDEM以地理格网分附的形式发送给空客公司。它的目的是在三到四年之间,覆盖整个的全球的每一寸土地,包括两极。它的覆盖的形式并非是一种简单的,就是条带和条带按照相邻区域去覆盖,因为卫星星座的运行有它轨道的分布特点,会基于它的这个轨道,以最快的速度,以最大的覆盖范围进行这么一个覆盖采集影像数据。那么,它的最终的目标是地球上的每一寸土地都覆盖两次以上,采集两次以上的原始影像数据,对精度比较差的区域,比如高程起伏比较大的区域,比较困难的区域,会覆盖第三次和第四次。

  这个就是空客公司和德国宇航中心完成了对全球每一寸土地首次覆盖直勾生产出的初始的DSM数据进行拼接之后它的一个相对高程误差的分布图,大家可以看到,这个颜色是有绿色和红色,绿色是零米开始,红色大概是十米。为什么要全球覆盖两次以上,也就是把你覆盖一次之后,它的数据冗余度是不足的,比如相对误差有些区域是比较高的,可以看到中国的西南部地球,高程起伏比较大的地方,相对误差是比较大的。所以,为了能够有效的降低它的高程数据的误差,所以我们制定了重复采集,增大数据冗余度的策略。

  这个示意图就是全球所有土地蔡季良次以上的这么一个误差的分布图,可以看到,这个颜色是一样的,绿色是零米,红色是十米,可以看到,它的相对误差也有显著的降低了,这就是我们采用了这么一个能够有效降低数据误差的这么一个采集手段来保证数据的冗余度。

  简单的一个统计图,表格的第一行采用全球第一次覆盖之后,可以看到坡度小于20%的这个区域,它的这么一个统计,它的相对精度优于2米的百分比是66%全球。当坡度大于20%的情况下,它的相对精度优于4米的区域是占79%。经过第二次采集之后,第二行的时候,这两个指标分别提高到75%和84.9%,这是咱们多次重复采集的这么一个目的所在,就是有效的降低咱们的误差,提高咱们数据的精度。

  这张图简单的解释了一下,德国宇宙中心在TanDEM计划里面负担的生产任务,整个卫星的平台研发、发射,包括数据采集,整个系统的运维,到前期数据的初期处理,生成远视的子集DSM,然后以大洲的规模进行一个拼接,将远视的子集DSM数据进行拼接,将初始的拼接好的大区域的DSM数据交付给空客公司。

  第二部分,介绍完了WorldDEM这个产品它简单的一个生产过程,是怎么生产出来的。下一部分简单的介绍一下这个产品的分级,根据它不同的技术指标进行一个分级。WorldDEM产品目前来讲,它分成三个级别。第一个级别,就是绿色的这两行,第一个级别叫WorldDEM core。WorldDEM core指的是一个精细度粗一些的远视的DSM数据,是由德国宇航中心初期交付给空客公司的这么一个产品级别。这个级别它的特点就是未经任何后期编辑,这个数据里面有可能会包含一些由雷达成像的噪声所导致的小的一些噪声信息,高程噪声信息,比如小的突起,小的下陷。

  第二个级别,叫标准的WorldDEM数据,也是DSM数据,这个数据级别包含对噪声的一些抑制,比如突起和下陷的一些过滤,对无效象素值的内差和修补,以及对于水体,咱们知道在自动生成提取DSM的过程中,水体是一个比较困难的区域,也就是它自动生产的高程肯定是错误的,在第二级别里对水体进行一个有效的编辑。

  第三个级别,WorldDEM再往前延伸一个级别,就是咱们要去除掉地表的人工建筑和植被,比如由DSM表面模型数据把它变成一个DEM数据,咱们所的地面高程模型,是这么一个级别分类。

  DSM core这个数据,这个数据右侧有一张示范图,在初始的DSM产品结构里面会有很多噪声,包括水体,蓝色的箭头指示的一个水面。这个水面看起来像沸腾了一样,这是由雷达影像成像特殊的特性决定的。这个级别的产品它的特点包含了噪声,包含了非自然高程的水体平面,包含了一些有雷达的自身,比如谍眼或者鹰眼造成的无效值的区域。

  这个初期产品,DEM产品会伴随高程数据文件,会伴随辅助图层,这些辅助图层会包含生产高程数据的雷达影像队的一些数据信息,比如它的一些影像强度数据的普及信息图层,包括它的一些质量图层。也就是咱们在生成干涩的过程当中会有相干性的图层,相干性的图层,可以作为高程产品的一个质量指示图层。

  标准的DEM 产品,就是DEM core这个级别,经过后期的编辑,生成标准的WorldDEM这个产品,这个产品级别,大家可以看到,在相同的区域,跟刚才是一样的这么一个区域,这是一个湖泊,这是一个水面,刚才带WorldDEM core里水面是非常粗糙的,是非自然的这么一个状态。那么,在经过编辑之后,大家可以看到,湖泊的表面是一个平滑的表面,包括由雷达自然成像的这些特效引起的一些谍眼、鹰眼造成的无值的区域也进行了一些内差,或者人工修补,这个总体来讲,WorldDEM这个标准级别,它和WorldDEM core比较起来,它是一个比较平滑,很好的DSM数据,它还是一个表面模型。

  这是编辑前后的对比,右侧是初始的WorldDEM core,左侧是WorldDEM这个产品。标准的WorldDEM这个产品包,它除了包含WorldDEM core远视的图层之外,还增加了一下的这些质量控制图层,质量辅助图层,这些质量辅助图层包含咱们由WorldDEM core和WorldDEM这个级别的,所有后期处理的编辑和掩膜层,比如哪些象素是初始生产的,哪些是后期编辑的,最后有一个掩膜层来指示这种操作的一个痕迹。还有和后期的水体的掩膜层,包括它的内差之后,哪些象素是内差之后生成的高程值,所有这些区域都有相应的掩膜层进行一个指示,方便用户后期对数据的使用。

  那么,第三个级别,实际上是WorldDEM DTM这个级别。这个级别一般是根据用户的需求和他的指定区域进行一个定制生产,因为这个DSM到DTM可能是一个比较复杂的生产过程,所以这个是需要根据用户的需求进行定制生产,来滤除掉地表以上的建筑物和植被的一些东西,生成一个DTM,咱们国内所说的DEM数据。

  简单的介绍一下精度验证这个过程,作为一个全球的高程基础测绘产品,咱们所说的全球的高程模型产品,它的精度,WorldDEM这个产品是非常优秀的。目前来讲,这个精度并不是我们通过初始的任务设计,产品设计能够得到的,我们空客公司采用和全世界很多第三方的测绘公司进行合作,来通过这些测绘公司采用他们的现地的存档的参考数据来考察WorldDEM的绝对精度。

  第三张是我们和CompassData这个公司合作的范例,我们和各个大洲,我们和很多第三方的合作伙伴进行一个合作,这只是其中的一个案例。这个验证的过程,我们采用的参考数据,全部都是高精度的,绝对精度非常高的,包括地面的GPS点,包括存档的Lidar的点阵的高程数据,包括其他的咱们所说的航飞的生成的高精度的高程数据进行绝对数据的一个对比。

  那么,CompassData公司这个案例,它在每周一共是对我们8个WorldDEM数据的分幅进行绝对精度的检验,它采用的是插缝(音译)GPS的控制点,这种控制点位于各种不同的地形,比如不同的坡度,甚至不同的气候带,以及不同的地形范围之内。那么,准确验证,实际的结果一共是8个分幅,每个分幅采用10个绝对控制点,这10个控制点一共是80个点,这个是CompassData公司给我们空客的反馈,绝对精度标准差和最高温差都是优于一米的,全球的DEM这个数据,绝对精度是非常高的,这个是通过空客第三方合作伙伴在全世界的范围之内采用不同的参考数据源,对不同的地形区域,不动的坡度区域进行绝对精度的验证之后的结果。

  目前空客公司全球DEM数据,标准格式是这样的,垂直方向或水平方向的绝对精度分别优于4米,90%的线性误差,是一个绝对精度,相对精度优于2米。目前来讲,采样间隔是12米,数据类型是32比特的数据,GeoTIFF格式,参考坐标系全部都是标准的世界通用的WGS84这种坐标系(音译),高程模型是EGM2008(音译),便于咱们在全球范围内进行通用的推广。

  这是一个事例,咱们截取了一小部分,咱们左侧的全球DEM数据和右侧LiDAR的DSM数据进行对比,咱们截取对应的高程数据的象素,读取它的高程值,我们WorldDEM这个数据和LiDAR数据的高差非常小,高程值非常接近。虽然长间隔要大于航飞的数据,但是实际上它的绝对精度可以相提并论,非常接近的。

  这个是展示WorldDEM数据的精细程度,这是WorldDEM数据的一个实例,地面所有的地物都能够被清晰的被识别出来,在12米的采样间隔情况下,可以非常清楚的看到公路、路网、建筑物所有这些,包括植被、河流这些东西,数据的精细度非常高,得益于它非常高的相对精度。

  数据精细度的另外一个例子,目前我们有一个比较热的应用,应用高程模型对海平面抬升,有些沿海城市面临海水倒灌的问题,海平面抬升之后,高于沿海城市海岸线的时候,海水会倒灌到城市里面。这种应用一般采用高精细度的DSM进行模拟。可以看到,我把海平面抬升之后,左侧是WorldDEM的产品,右侧是30米的ASTER进行对比、演示,可以看到海平面抬升到3米的时候,左侧的WorldDEM会非常明显,会看到很多毛细效应,但是右侧基本没有什么反映。再提高到5米的时候,可以看到左侧整体抬升的效应,右侧略微看到一些效果,如果再提高到10米之后,区别就非常明显了,左侧的毛细效应体现了WorldDEM的精细程度,所有的街道、建筑物都能看的非常清晰,它的淹没情况一目了然。但是,右侧就是一个比较模糊的结果,这就是咱们所说的数据的精细程度。

  为了方便所有的用户了解WorldDEM产品的生产进度,目前WorldDEM原始数据的采集已经基本接近尾声,但是后期会有一个数据的生产过程,是一个全自动化的生产过程。它是按照大洲为单位进行生产,大家可以访问这个网站,来查询全球的高程数据的生产进度,这个网站绿色区域是已经生产完毕的高程数据,黄色是有待生产,进度也是比较快的,这应该是今年年初大概3、4月份的进度。

  这个是一个简单的时间表,全世界WorldDEM产品起售的时间,中国大概是2015年第二季度到第三季度,中国的数据就基本上可以开始订购。谢谢大家!

[责任编辑:唐天石]
声明:泰伯网登载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其描述,文章内容仅供参考。

第一时间获取位置服务与空间信息领域新鲜资讯、深度商业资本观察,请在微信公众账号中搜索「3sNews」or「www.3snews.net」,或用手机扫描左方二维码,即可获得3sNews每日精华内容推送和最优搜索体验,并参与编辑活动。

猜你喜欢

泰伯网官方微信

泰伯智库官方微信

泰伯网官方微信

京ICP备05007579号 | 经营许可证编号:京ICP证110169号 | 京公网安备11010802009008 | Copyright © 2005-2015 3sNews.net