Quickbird遙感影像提取建筑物陰影信息的方法改進

劉小光，蘇幼坡，王正，劉益良

(河北聯(lián)合大學(xué)河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

0 引言

近年來，隨著越來越多的高分辨率遙感衛(wèi)星發(fā)射升空，有關(guān)利用高分辨率遙感衛(wèi)星提取建筑物高度信息的研究也越來越盛行，何金國［1］等人利用SPORT全色遙感圖像數(shù)據(jù)提取出建筑物陰影從而直接計算出建筑物高度。這些方法的普及及應(yīng)用說明了遙感應(yīng)用技術(shù)越來越趨于完善和成熟，伴隨著高分辨率遙感衛(wèi)星quickbird的發(fā)射和民用化普及，快速、準確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源和處理越來越都到廣泛關(guān)注。并且在城市規(guī)劃、指揮、管理等方面和數(shù)字地球應(yīng)用等方面的應(yīng)用越來越受到重視。因此，利用高分辨率遙感衛(wèi)星影像快速、準確、高效的提取出建筑物的高度信息必將成為數(shù)字地球化的非常重要的信息來源之一，同時也會極大促進各種配套信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

在GIS分析平臺上，借助GIS矢量分析計算功能，選擇國家重點發(fā)展的典型城市，利用當(dāng)前主流的高分辨率遙感衛(wèi)星圖像提取出城市生活居住區(qū)的空間信息，并通過建筑物高度特征信息等進行城市數(shù)字規(guī)劃，是當(dāng)前數(shù)字地球研究的熱點領(lǐng)域［2］。計算出建筑物高度是核心內(nèi)容，而陰影長度可以計算出建筑物高度，同樣，陰影長度也可以反映出建筑物平面在太陽方位上的面積投影，也就是說在固定的一個區(qū)域范圍內(nèi)建筑物陰影的面積與陰影的長度和寬度總存在一種相互的關(guān)系，所以通過GIS分析平臺可以得出建筑物陰影面積與陰影的長度和寬度的相關(guān)關(guān)系，因此，形成了一種新的建筑物高度計算方法—陰影面積法［3］。

1 建筑物信息提取原理和方法

高分辨率遙感影像由于其獨有的特點，使得在其上提取城市建筑物的一些基本屬性信息成為可能，這些基本屬性信息包括建筑物的地理位置、建筑物的高度和建筑物的面積等。而建筑物的陰影在其中扮演了重要角色，因為通過提取建筑物的陰影，可以計算其投影長度，再通過對太陽、衛(wèi)星、建筑物和陰影的相對幾何位置關(guān)系進行三角函數(shù)運算［4］，進而求得建筑物的高度、面積等屬性信息。

陰影提取建筑物信息的條件［5］:(1)建筑物處于平原地帶，且四周地表平坦，無地形因素的干擾，如有些建筑物，因為其地基在道路以下，其在道路上的陰影發(fā)生偏移，此種情況陰影估算肯定會受到影響;(2)建筑物外部結(jié)構(gòu)比較簡單，而且垂直地表。此種情況有很多，如很多建筑物屋檐都有女兒墻等，或者建筑物外形不是規(guī)則的矩形，而是呈一定的曲線形狀。(3)建筑物垂直于地球表面。設(shè)建筑物的高度為H，建筑物陰影的實際長度為S，建筑物陰影可見長度為L2，衛(wèi)星高度角為α，太陽高度角為β。

如圖1，當(dāng)太陽和衛(wèi)星的方位相同，即太陽和衛(wèi)星位于建筑物的同一側(cè)時，建筑物陰影的實際長度S=H/tanβ，遙感圖像上可見的陰影長度為:

可以求得這種情況下建筑物高度H和可見陰影長度之間的公式為:

圖1 太陽和衛(wèi)星位于建筑物同一側(cè)

如圖2，當(dāng)太陽和衛(wèi)星的方位相反，即太陽和衛(wèi)星位于建筑物的兩側(cè)時，建筑物陰影的實際長度S和遙感圖上可見的陰影長度L2相等，此時L1=0。所以這種情況下建筑物高度H和可見陰影長度之間的公式為:

圖2 太陽和衛(wèi)星分別位于建筑物兩側(cè)

綜合以上兩種情況的分析可以得知通過陰影求建筑物高度的兩種方法:1.如果已知遙感衛(wèi)星圖片中衛(wèi)星的相關(guān)參數(shù)信息，如太陽高度角，太陽方位角和衛(wèi)星高度角等，便可結(jié)合遙感圖像中建筑物陰影的可見長度利用公式(1)和公式(2)求出實際建筑物的高度。2.如果遙感衛(wèi)星圖片的衛(wèi)星參數(shù)未知，在這種情況下，同一幅遙感圖像內(nèi)的衛(wèi)星參數(shù)信息相同，設(shè)

無論在哪種情況下，K1和K2都為常數(shù):

即建筑物實際高度和其在遙感圖像中在太陽光投射方向上的陰影長度成正比。在這種情況下，可以通過獲得當(dāng)?shù)啬骋唤ㄖ锏膶嶋H高度來反求Ki，從而計算出其他建筑物的高度信息。

2 陰影提取

陰影在高分辨率衛(wèi)星遙感圖像中具有明顯的光譜特征信息［6］，即具有比較低的灰度值，而且不同陰影之間的灰度值有較強的統(tǒng)一性?？梢哉J為，高分辨遙感影像中的陰影具有大致的灰度集，充分利用這一特點，就可以實現(xiàn)對陰影的提取目的。對此，相關(guān)學(xué)者做了許多研究工作。黃浩，張友靜等采用波譜角度映射表，設(shè)定一定的閾值，來提取建筑物的陰影;許妙忠，于志惠等運用基于共生矩陣的紋理分析方法，一定程度上解決了水體，植物等一些與陰影的光譜特征相似的地物干擾提取精度的問題。此外，還有學(xué)者運用一些遙感圖的直方圖具有雙峰或者多峰的特性，通過選取適當(dāng)?shù)拈撝祦矸指顖D像。此類圖像其目標(biāo)或背景內(nèi)部相鄰像素間的灰度值高度相關(guān)，但處于目標(biāo)和背景交界處兩邊的像素在灰度值上有很大的差別，適合用閾值方法實現(xiàn)較好的分割，但畢竟不是所有的遙感圖像都會呈現(xiàn)此類雙峰或多峰的特征。

本文采用的是基于目標(biāo)樣本的計算機自動分類法，首先對典型的陰影區(qū)域進行樣本的提取、訓(xùn)練，在此基礎(chǔ)上選用適當(dāng)?shù)姆诸惙ㄟM行分類，之后進行一系列的后處理，以實現(xiàn)對陰影的提取。由于目前一系列商用遙感圖像處理軟件的成熟開發(fā)和普遍應(yīng)用，已經(jīng)能基本滿足一般遙感圖像的處理分析，故本文對遙感圖像的處理采用的是現(xiàn)有通用遙感圖像處理軟件。

3 提取成果與討論

本文以曹妃甸工業(yè)區(qū)建筑某幾個建筑為例提取出建筑物陰影并利用以得出的數(shù)值關(guān)系進行陰影信息泛酸，計算出建筑物的高度信息，并加以討論，如圖3、4所示。

將建筑物陰影按照常規(guī)方法提取出來之后，經(jīng)過一些列的后處理過程可以得到較好的陰影圖，將陰影圖在GIS平臺上矢量化可以得到矢量化的陰影，由于有些建筑物并不是特別規(guī)則的四邊形，因此獲得其長度S比較困難而且不盡精確，對此，可以修正一下陰影長度S的計算方法，可以在太陽光投射方向上拉出一系列平行直線，使其與各陰影矢量圖相交，取這些直線與各陰影矢量的交集，也就是截斷陰影矢量圖以外的直線，這些矢量內(nèi)的線段長度便是陰影的可見長度，計算過程在GIS中進行，這些截斷后線段的長度可以在GIS中通過查詢輕松獲得，并且整個陰影的面積A也可以獲得，進而可以求出由adce圍成的規(guī)則矩形的面積A1，取矩形各邊三條線段的平局長度:

然后用總面積A1和平均變長j2可以得出另一個邊的邊長j3:

陰影長度取j1和j3的平均值，即可得到比較精確的陰影長度S:

通過上述算法的改進可以獲得較精確的建筑物陰影長度，進而進行反算計算出建筑物的高度。通過與現(xiàn)場實地測量得出的真實建筑物高度相比誤差很小。采用曹妃甸工業(yè)區(qū)七處建筑物進行GPS測量測得其高程如下表1:

表1 實驗區(qū)建筑物高度隨機抽樣

百分比誤差均值=1.61，由此可以說明，得出的數(shù)據(jù)誤差小且以較之以前的方法要穩(wěn)定許多。

4 結(jié)論

1)本文提出了一種計算高分辨率遙感衛(wèi)星影像投影長度的新方法，較之于以前的計算方法能得到更加精確、穩(wěn)定的計算結(jié)果，并運用一幅試驗區(qū)的quickbird遙感影像闡明了陰影提取和計算的過程，通過對實地測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)的分析比對，本文提出的計算模型精確性、穩(wěn)定性較高，能夠滿足城市規(guī)劃和數(shù)字地球工作的需要，并且避免了大量繁瑣數(shù)據(jù)參數(shù)的運用，在缺乏很多遙感衛(wèi)星參數(shù)的情況下可以迅速得出建筑物陰影長度

2)本文并沒有對陰影面積和長度計算中的誤差進行修正，今后的工作中，需要考慮以上因素引起的誤差，以求進一步提高建筑物高度計算的精度。

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