无控制DEM匹配与差异探测及其在泥石流灾害地区的应用

论文摘要

准确的地表形变信息是进行泥石流等自然灾害的预测、预报和防治等工作的基础数据。多时相遥感影像及其DEM产品是获取地表形变信息的主要数据来源。研究无控制DEM差异探测技术，利用多时相DEM监测地表变化，既可减少野外建立和维护控制点的工作，节省经费，又可提高地表变化监测的自动化程度，满足对自然灾害事件的快速响应要求，而且可将其应用范围拓展到过于危险、不易到达和缺乏明显地貌特征等难以建立控制点的地区。另外，该技术还能够利用由于年代久远而无法建立有效地面控制的灾前数据，充分发挥历史资料的价值。从表面上看，无控制DEM差异探测技术是利用表面匹配过程来替代建立控制点的过程，实际上在没有探测到表面差异时是不可能获得精确的表面匹配的，而精确的匹配结果是正确识别表面差异的前提。因此，表面匹配与表面差异探测是一个问题的两个方面，它们相互影响，使问题变得复杂困难。目前的研究成果尚不能够完全满足泥石流灾害地区应用的要求。本文以成都-昆明铁路线的普歪沟泥石流灾害地区为对象，研究自动探测大面积地表变形的无控制DEM匹配算法。选取适合DEM匹配的算法是研究工作的前提。通过试验分析现有的2种代表性算法，最小高差算法（LZD）和最近点迭代算法（ICP），证实了LZD算法的综合性能指标更适合DEM匹配。接着提出建立DEM表面点对应关系的法向对应准则，与LZD组合，使得LZD算法在拉入范围、迭代收敛性等方面的性能得到了全面的改善。要探测DEM差异，先要判断观测量是否具有粗差可发现和可定位能力。运用误差与可靠性理论中的粗差可发现和可定位判断矩阵，证明了LZD算法判断矩阵中零列向量的个数等于LZD算法系数阵列秩亏数，试验验证了LZD算法匹配方程具备粗差发现和定位能力，为DEM差异探测算法提供了理论支持。根据泥石流地区山脊附近区域受泥石流影响小的特点，提出了基于广义控制点的分块区域匹配算法（MSPM）。它借助地性线提取算法来确定广义控制点。试验结果显示使用M-LZD的MSPM算法非常适合泥石流灾害地区存在大面积地表面变形的DEM匹配差异探测。现有的差异探测算法忽略了表面变形与粗差之间的区别，将表面变形作为粗差处理，仅考虑它们的数值大小，没考虑它们的相互联系。因此，顾及地表变形的特点，结合高崩溃污染率的截尾最小二乘估计（LTS），提出基于差分模型的差异探测算法（DM-LZD），进一步提高了在大面积变形情况下的DEM表面差异探测能力和匹配精度。模拟试验结果显示DM-LZD算法能够探测的变形面积超过50％，优于现有的M-LZD和LMS-LZD算法。在多时相DEM上提取向同大小的DEM子块，通过匹配DEM子块来获得整体DEM的转换参数初值，使得DM-LZD算法能够处理坐标系统相互独立的多时相DEM。利用普歪沟1957DEM和1987DEM的实际数据，DM-LZD算法定量测定了普歪沟30年来地表侵蚀和堆积的土方量，探测到的地表形变面积约为匹配DEM流域面积的58.6％，为今后普歪沟泥石流灾害的定量监测和评估奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 研究的重要性
• 1.2 三维表面匹配差异探测研究现状
• 1.2.1 特征匹配
• 1.2.2 最小二乘表面匹配
• 1.2.3 差异探测
• 1.3 研究目标
• 1.4 需要研究的问题
• 1.5 论文结构
• 第2章 现有表面匹配算法试验分析
• 2.1 DEM的表达形式
• 2.2 DEM匹配算法比较
• 2.2.1 LZD与ICP算法原理
• 2.2.2 试验结果及分析
• 第3章 最小法向距离DEM匹配算法
• 3.1 表面法线的计算方法
• 3.2 对应关系的建立
• 3.3 试验结果及分析
• 3.3.1 试验数据
• 3.3.2 试验结果
• 第4章 LZD算法的改进
• 4.1 改进方案
• 4.2 转换点的确定
• 第5章 LZD算法匹配方程中的粗差发现和定位能力分析
• 5.1 LZD算法模型及其判断矩阵
• 5.2 判断矩阵中零列向量的个数与LZD算法系数阵秩的关系
• 5.3 粗差的可探测和可定位能力分析
• 第6章 基于广义控制点的DEM差异探测
• 6.1 DEM差异探测算法
• 6.1.1 稳健估计
• 6.1.2 M-LZD和LMS-LZD算法
• 6.1.3 分块区域匹配算法
• 6.2 广义控制点的自动确定
• 6.2.1 山脊线提取
• 6.2.2 孤点剔除和短枝修剪
• 6.2.3 广义控制点的选取
• 6.3 模拟试验
• 6.3.1 试验数据
• 6.3.2 广义控制点选取
• 6.3.3 试验结果及分析
• 第7章 基于差分模型的DEM差异探测
• 7.1 基于差分模型的DEM表面差异探测算法
• 7.1.1 表面变形与粗差的区别
• 7.1.2 差分模型
• 7.1.3 基于差分模型的权函数设计
• 7.1.4 孤立观测值处理
• 7.1.5 稳健估计的选择
• 7.1.6 算法模型
• 7.2 性能分析
• 7.2.1 差异探测能力
• 7.2.2 算法精度
• 7.2.3 总体分析
• 7.3 参数选择
• 7.3.1 试验数据
• 7.3.2 试验结果分析
• 7.4 模拟试验
• 7.4.1 试验数据
• 7.4.2 试验结果分析
• 第8章 实际应用
• 8.1 普歪沟多时相DEM
• 8.1.1 原始资料
• 8.1.2 DEM生成
• 8.2 模拟试验
• 8.2.1 试验数据
• 8.2.2 试验结果分析
• 8.3 普歪沟形变探测
• 8.3.1 试验结果
• 8.3.2 精度分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果