城市無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用研究

摘 要：無疑是既省時(shí)，又省錢，效率高，同時(shí)又為執(zhí)法部門提供科學(xué)客觀定量的依據(jù)。本文基于筆者多年從事無人機(jī)遙感的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以城市建筑變化監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象，提出了基于無人機(jī)遙感平臺(tái)的城市建筑快速變化監(jiān)測(cè)方法，論文一并探討了遙感數(shù)據(jù)的選擇和處理流程，全文是筆者長期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：DSM 變化檢測(cè) 遙感監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（c）-0038-02

改革開放30年來，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn)，城市面貌日新月異。與此同時(shí)，城市中一些區(qū)域的違法建設(shè)越來越突出，違法搭建、插建擴(kuò)建屢禁不止。為掌握城市的變化，實(shí)施有效的管理，各級(jí)政府城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門迫切需要掌握城市中的合理規(guī)劃布局、土地使用、違法建筑區(qū)域、非法占地等方面的信息。常規(guī)的違法建設(shè)發(fā)現(xiàn)手段主要是依靠執(zhí)法部門的現(xiàn)場(chǎng)巡視和群眾舉報(bào)，然而畢竟巡查力量和巡查時(shí)間有限，難免出現(xiàn)紕漏。同時(shí)存在調(diào)查取證困難的問題。通過遙感變化檢測(cè)的手段獲取城市空間地理信息，進(jìn)行城市違章建筑的快速監(jiān)測(cè)，無疑是既省時(shí)，又省錢，效率高，同時(shí)又為執(zhí)法部門提供科學(xué)客觀定量的依據(jù)。

1 遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)

遙感按照飛行高度分類分為一下幾類：航天遙感，航空遙感，低空遙感，地面遙感。

目前航天遙感技術(shù)，在獲取數(shù)據(jù)方面，一個(gè)最大的特點(diǎn)是高時(shí)間分辨率，時(shí)間分辨率已經(jīng)提高到1～3天。由于衛(wèi)星遙感影像的重訪周期短，既可以在短時(shí)間內(nèi)得到新的地面現(xiàn)勢(shì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而保證了圖像具有一致性的優(yōu)點(diǎn)，又可以長期獲取穩(wěn)定的地表覆蓋數(shù)據(jù)流，因而被廣泛地應(yīng)用于變化檢測(cè)中，但是衛(wèi)星影像的分辨率相對(duì)還是要低些，主要應(yīng)用在自然環(huán)境的變化監(jiān)測(cè)，城市的整體性擴(kuò)張，對(duì)于需要分辨出相對(duì)細(xì)節(jié)的變化的應(yīng)用場(chǎng)合往往不能夠滿足高精度分析的要求。而城市的違章建筑監(jiān)測(cè)要求具體到每一棟每一層違建的房屋。在這一點(diǎn)上，航天遙感影像數(shù)據(jù)顯得力不從心。

航空遙感影像分辨率高，數(shù)據(jù)質(zhì)量好可以滿足城區(qū)的變化檢測(cè)。但是航空遙感影像獲取周期長且成本高，故航測(cè)資料存在間斷性，很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)、動(dòng)態(tài)的城市地理變化檢測(cè)，難以滿足城市管理部門對(duì)數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性的要求。

低空遙感數(shù)據(jù)獲取方式主要的幾種方式：低空輕型機(jī)攝影、無人機(jī)航攝、無人飛艇航攝，本文采用無人機(jī)遙感平臺(tái)。低空遙感數(shù)據(jù)獲取方面有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）低空遙感受大氣條件影響較小，即使在有薄霧的情況下也可以進(jìn)行拍攝。（2）高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)獲取能力，同時(shí)由于航飛高度較低拍攝的影像受大氣影響較弱故比常規(guī)航拍影像更清晰。（3）機(jī)動(dòng)快速的響應(yīng)能力。低空遙感設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)輸便利、升空準(zhǔn)備時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單，可快速到達(dá)監(jiān)測(cè)區(qū)域，遙感設(shè)備可以在短時(shí)間內(nèi)快速獲取遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果。（4）使用成本低，運(yùn)營成本低，系統(tǒng)易于運(yùn)行和維護(hù)。

2 變化檢測(cè)方法的比較與選擇

利用航天遙感影像和航空遙感影像進(jìn)行變化檢測(cè)方法有許多種，包括圖像相減法，主成分分析法等，針對(duì)衛(wèi)星遙感和航空遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)將變化檢測(cè)方法歸結(jié)為兩類。第一類基于小比例尺影像（衛(wèi)星遙感影像）的變化檢測(cè)方法：基于分類的變化檢測(cè)方法、直接比較的變化檢測(cè)方法。但是由于目前多光譜影像的分辨率較低以及城區(qū)光譜特性的復(fù)雜性，基于分類的方法無法用于城市細(xì)節(jié)的變化檢測(cè)。直接比較的方法要求精確的時(shí)域標(biāo)準(zhǔn)化和圖像配準(zhǔn)，因而也不適合城市變化檢測(cè)。第二類基于大比例尺影像（航空遙感影像）的變化檢測(cè)方法：?jiǎn)畏跋衿ヅ涞淖兓瘷z測(cè)方法；立體像對(duì)生成數(shù)字表面模型的變化檢測(cè)方法。單幅影像匹配的方法也對(duì)影像的時(shí)域標(biāo)準(zhǔn)化和圖像配準(zhǔn)的要求較高。立體像對(duì)生成數(shù)字表面模型（DSM）的變化檢測(cè)方法的的思路是用差值DSM來檢測(cè)城市地區(qū)的變化，即利用立體像對(duì)來進(jìn)行城市區(qū)域的變化檢測(cè)。該方法充分利用了城市區(qū)域的變化主要是人工建筑物的搭建和拆遷這一特點(diǎn)，通過立體像對(duì)生成DSM可以更加準(zhǔn)確地檢測(cè)出城市區(qū)域中人工建筑物的變化情況。該方法充分利用高分辨率航空影像的數(shù)據(jù)資源，提高了建筑物的提取速度和準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高建筑物變化檢測(cè)的精度。

僅僅使用單幅影像進(jìn)行城市變化檢測(cè)只利用了灰度信息，城市區(qū)域的變化主要是人工建筑物的變化情況，而人工建筑物的變化情況主要表現(xiàn)在高度上的變化。有人提出用數(shù)字表面模型（DSM）提取建筑物的方法。筆者做過相似的討論和試驗(yàn)，但是由于該方法所需要的數(shù)據(jù)主要來自傳統(tǒng)的航空攝影，其更新速度慢很難滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。同衛(wèi)星遙感與航空遙感相比，低空遙感結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)：既有航空攝影的高分辨率，由于其操作簡(jiǎn)便成本低，同時(shí)低空遙感靈活機(jī)動(dòng)快速的響應(yīng)能力可以提供想要區(qū)域的現(xiàn)勢(shì)性數(shù)據(jù)，因而可以將低空遙感數(shù)據(jù)作為采用提取數(shù)字表面模型來進(jìn)行違章建筑監(jiān)測(cè)的方法數(shù)據(jù)，為城市違章建筑的監(jiān)測(cè)提供了精確可靠而又實(shí)時(shí)的客觀科學(xué)依據(jù)。

3 試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

本文利用低空遙感數(shù)據(jù)提取DSM做城市違章建筑快速監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的說明，本文特別選擇了一塊城中村改造的區(qū)域作為研究區(qū)，在兩次拍攝前后該區(qū)域拆遷，變化巨大，可以更好地檢驗(yàn)本文所用方法的有效性。為了更好地、有針對(duì)性地進(jìn)行快速建筑物變化（可能違章）的監(jiān)測(cè)我們先建立工作流程圖如（圖1）所示。

3.1 立體像對(duì)的處理

利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的原理對(duì)兩個(gè)不同時(shí)期影像進(jìn)行處理，生成不同時(shí)期的數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字正射影像。在立體像對(duì)下根據(jù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中共線方程求出影像上點(diǎn)三維坐標(biāo)即可生成數(shù)字表面模型。根據(jù)數(shù)字地面模型及相關(guān)的參數(shù)，利用構(gòu)像方程，可以從原始非正射投影的數(shù)字影像獲取正射影像。

3.2 變化檢測(cè)-DSM相減

本文通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用數(shù)字表面模型上高程的變化來進(jìn)行區(qū)域的變化檢測(cè)，可以非常精確地提取到高度的變化，但提取的區(qū)域的高度變化不僅是由房屋的變化引起的，植被的增高也是一個(gè)嚴(yán)重的干擾因素。

大量的研究表面植被的光譜特性與人工建筑物存在很大差別，根據(jù)植被的光譜特征，對(duì)植被進(jìn)行分類，可以較好的將植被提出。在DSM相減后的結(jié)果上將植被所在區(qū)域的變化去除，剩下的結(jié)果就是主要由房屋引起的高程變化。該結(jié)果再利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法把相鄰的待選變化的區(qū)域合并去除一些小的孤立區(qū)域，然后對(duì)待變化區(qū)域內(nèi)進(jìn)行邊緣檢測(cè)，這樣變化檢測(cè)的結(jié)果也更加可靠。

變化檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果如（圖4，圖5）所示。

為了評(píng)價(jià)變化檢測(cè)的結(jié)果，下面給出了（表1）變化檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出利用該方法檢測(cè)的絕對(duì)概率為（288+76）/402=90.5%，由此可見，該方法是可行的、有效的。

4 討論

在城市違章建筑監(jiān)測(cè)方面，現(xiàn)有的航天遙感數(shù)據(jù)分辨率較低，精度不夠，不能夠滿足房屋變化監(jiān)測(cè)的需求，而航空攝影測(cè)量雖然可以得到較高的精度，但是其數(shù)據(jù)獲取周期太，不能夠根據(jù)需求提供現(xiàn)勢(shì)數(shù)據(jù)，無法滿足房屋變化監(jiān)測(cè)的及時(shí)發(fā)現(xiàn)的要求。低空遙感以其靈活機(jī)動(dòng)，成本低的特點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)航天遙感和航空遙感的各自不足，既可以將結(jié)果保持一定的精度又可以按照需求獲得現(xiàn)勢(shì)數(shù)據(jù)。本文討論了航天航空遙感數(shù)據(jù)以及低空遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需求提出利用飛艇數(shù)據(jù)立體像對(duì)與分類相結(jié)合進(jìn)行建筑物變化監(jiān)測(cè)的方法。

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