基于多源立体卫星影像的南极格罗夫山三维建模研究

《International Journal of Digital Earth》：Research on 3D modelling of the grove mountains in Antarctica based on multisource stereo satellite imagery

　　

摘要：格罗夫山位于东南极冰盖伊丽莎白公主地腹地。格罗夫山三维建模对中国南极科学研究具有重要意义。通过本研究，建立了整个3200 km2格罗夫山区域的三维模型以及64座冰原岛峰的精细三维模型。提出了一种基于多源高分辨率立体卫星影像的格罗夫山三维建模方法。该方法包括四个主要步骤：针对积雪和蓝冰纹理的专项策略、异构影像融合流程、多影像联合平差（combined adjustment）以及基于面片的多视立体匹配（patch-based multiview stereo，PMVS）。实验结果表明，所提出的数字高程模型（DEM）与参考南极高程模型（Reference Elevation Model of Antarctica，REMA）之间的偏差（bias）、平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）均为最小。这些发现表明所提出的DEM与REMA最为相似。所提出的DEM与REMA具有最强的相关性，相关系数r为0.99906。利用实测GPS点对所提出DEM的绝对精度进行了验证，最小高程误差为?0.4972 m，出现在北盖尔陡崖（North Gale Escarpment）。

论文解读：基于多源立体卫星影像的南极格罗夫山三维建模研究

一、研究背景与问题

南极洲面积约14×10⁶ km²，超过98%的大陆被南极冰盖覆盖。格罗夫山是少数未被冰雪完全覆盖的山峰之一，位于东南极冰盖伊丽莎白公主地腹地，由3200 km²范围内的64座冰原岛峰组成。格罗夫山地区具有重要的科学研究价值：其一，该区域是世界上陨石储量最丰富的地区之一，美国、日本和中国发现的南极陨石数量分别位居前三；其二，格罗夫山为南极冰盖退缩提供了证据，自上新世以来冰川前缘已至少退缩450 km；其三，格罗夫山是中国设立的第一个南极特别保护区。

由于格罗夫山气候条件恶劣且区域面积广大，采用大地测量方法或无人机倾斜摄影方法对整个区域进行三维建模十分困难。近年来，WorldView、GeoEye、资源三号和高分七号等卫星立体摄影技术的发展极大促进了大规模场景三维建模研究的进展。然而，目前基于多源立体卫星影像的三维建模研究仍相对不足，多数方法依赖单一来源的立体卫星影像。

现有的南极数字高程模型产品各有局限：REMA虽实现了全南极DEM覆盖，但格罗夫山区域部分冰原岛峰存在数据空洞，且影像时间相对陈旧（超过90%的影像日期为2009至2017年），未对冰原岛峰区域进行专门的精细三维建模；TanDEM-X由干涉合成孔径雷达（InSAR）卫星生成，雷达波可穿透地表积雪达2~10 m深度，因此测得的并非雪面高度而是相位中心高度，导致高程通常低于实际表面；Bamber DEM基于早期卫星雷达测高仪数据插值生成，分辨率极低，通常为1~5 km；ICESat非成像传感器在格罗夫山存在轨道间显著间隙，在复杂山地地形中会引入较大插值误差。因此，有必要开展格罗夫山区域的高精度三维地形建模研究。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用WorldView、GeoEye和资源三号多源立体卫星影像，建立了3200 km²格罗夫山区域的高精度、高分辨率三维模型，并对64座冰原岛峰进行了精细三维建模。影像时间更新至2018~2022年。研究生成的全区域DEM面积为3705.85 km²。通过与无人机实拍照片对比，验证了典型冰原岛峰三维模型的准确性。

在精度验证方面，研究选取了7个稳定裸露基岩区域，计算了所提出DEM与REMA、TanDEM-X、ICESat和Bamber DEM之间的偏差、平均绝对误差和均方根误差。结果表明，所提出DEM与REMA的偏差、平均绝对误差和均方根误差均为最小，说明两者最为相似。相关系数计算显示，所提出DEM与REMA的相关性最强，相关系数r为0.99906。协方差矩阵分析表明，所提出DEM的方差最大，说明其地形起伏明显、纹理细节丰富。利用中国第19次南极考察期间建立的GPS控制点进行绝对精度验证，最小高程误差为?0.4972 m，出现在北盖尔陡崖。其中精度最高的检查点位于南盖尔陡崖，其高程方向固有误差σ_Z为0.0262 m，对应的高程误差为1.0655 m。研究还表明，仅使用WorldView和GeoEye立体影像进行三维建模时，相应区域内检查点的精度低于加入资源三号影像后的所提出DEM，说明资源三号影像的加入有助于提高最终DEM精度。

三、关键技术方法

研究人员提出的三维建模方法主要包括四个步骤。第一，针对积雪和蓝冰纹理的专项策略，采用Wallis局部自适应滤波调整像素，利用尺度不变特征变换（SIFT）在裸露基岩区提取高可靠特征点作为种子面片，通过空间传播将可靠深度和法向信息扩散至周围蓝冰区域，采用多视协同验证抑制蓝冰引起的误匹配，并利用移动最小二乘法（MLS）保持面片分布一致性。第二，异构影像融合过程，以高分辨率WorldView和GeoEye影像为主重建64座冰原岛峰三维模型，以广域资源三号影像增强整体三维模型的几何强度，采用基于影像分辨率的加权方案，权重与地面采样距离（GSD）的平方成反比，在PMVS计算归一化互相关（NCC）时采用自适应重采样和双三次插值。第三，多影像联合平差，包括有理函数模型（RFM）建模、自由网平差和区域网平差三个步骤，以仿射变换系数和地面点坐标为未知数，加入地面控制点（GCP）和有理多项式系数（RPC）参数进行整体区域网平差。第四，基于面片的多视立体匹配（PMVS）算法，通过特征点匹配、扩散和滤波三个主要步骤生成密集点云。此外，研究还进行了DEM配准处理，包括消除接边不连续、消除空间变化倾斜以及三维配准。

四、研究结果分述

数据源与影像配置：研究使用WorldView-2（星下点分辨率0.5 m）、WorldView-3（星下点分辨率0.3 m）、GeoEye-1（星下点分辨率0.5 m）和资源三号系列卫星立体影像。WorldView采用侧摆立体成像，侧摆角为20°。共选取16个区域影像集用于冰原岛峰精细三维建模。资源三号01星前后视分辨率3.5 m、正视分辨率2.1 m，资源三号03星前后视分辨率优化至2.7 m。中国第19次南极考察队在格罗夫山建立了7个GPS控制点，均设置在稳定基岩上，位置不受时间和环境影响。

积雪和蓝冰纹理专项策略：针对南极低纹理/无纹理场景，采用从“点对点”到“连续面片”的转换策略。PMVS算法将研究对象定义为具有空间属性的面片，每个面片包含中心点三维坐标和法向量，假设冰面局部连续平滑。即使某像素点无纹理，只要邻域存在弱信号，面片即可通过最优邻域传播策略填补空洞。PMVS对“弱梯度”高度敏感，积雪表面细微的风蚀纹理也能在密集匹配窗口下产生足够的代价区分度。

异构影像融合：采用高分辨率影像为主、低分辨率影像为辅的融合方案。WorldView和GeoEye影像在平差中被赋予较高权重，资源三号影像主要辅助交会和扩大覆盖范围。由于格罗夫山GCP数量较少，从WorldView和GeoEye影像中提取的同名点被用作虚拟GCP以消除异构传感器间的系统误差。在PMVS核心阶段引入视角质量因子Q，高分影像的NCC权重更高，交会角过小（<5°）或过大（>60°）的影像对被剔除。特征点优先从WorldView和GeoEye影像中提取作为种子点，资源三号影像作为验证视角参与代价聚合。

多影像联合平差：以仿射变换系数为未知数进行自由网平差建立稳定自由网，再加入GCP和RPC参数，将仿射变换系数与地面点坐标作为未知数联合求解进行区域网平差，输出稀疏点云。

DEM配准：为消除所提出DEM与参考数据集之间的空间变化倾斜、接边不连续和陡坡上的小水平偏移三类典型配准误差，分别采用基于平滑权重函数的羽化方法、基于RANSAC的二阶多项式拟合以及基于高程差与地形坡度关系的三维配准方法进行处理。

五、讨论与结论

现有DEM在格罗夫山特定环境下各有局限：REMA存在部分冰原岛峰数据空洞且影像时间陈旧；TanDEM-X雷达波穿透积雪导致高程偏低；Bamber DEM分辨率极低；ICESat存在轨道间隙导致插值误差。本文提出的方法通过多源立体卫星影像联合平差和PMVS匹配，有效解决了上述问题。

研究的主要创新点在于：利用WorldView、GeoEye和资源三号多源立体卫星影像建立了3200 km²格罗夫山区域的高精度高分辨率三维模型，对64座冰原岛峰进行了精细三维建模；提出了包含积雪和蓝冰纹理专项策略、异构影像融合、多影像联合平差和PMVS匹配算法四个步骤的多源立体卫星影像三维建模方法。精度验证表明，所提出DEM与REMA相关性最强（r=0.99906），GPS检查点验证的最小高程误差为?0.4972 m，加入资源三号影像显著提高了最终DEM精度。该研究填补了格罗夫山区域精细三维模型的空白，为中国南极科学研究和陨石考察提供了重要的基础地理数据支撑。