基于雙張影像的城市建筑物高度提取方法

宋仁波,李文慧,王細(xì)元,王月香

(淮陰師范學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 淮安 223300)

基于雙張影像的城市建筑物高度提取方法

宋仁波,李文慧,王細(xì)元,王月香

(淮陰師范學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 淮安 223300)

針對(duì)現(xiàn)有城市建筑物高度提取方法存在的問題，提出一種基于雙張影像的城市建筑物高度簡易提取方法。利用高分辨率遙感影像和建筑物立面影像，分別提取樣本建筑物的陰影長度和高度，采用最小二乘法解算出影像陰影和建筑物高度的相關(guān)公式，通過陰影長度反算出建筑物的高度，從而實(shí)現(xiàn)大批量建筑物高度數(shù)據(jù)的獲取。通過建模實(shí)例和測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，方法具有操作簡單、快速的特點(diǎn)，能滿足較高的精度要求,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

遙感影像; 立面影像; 建筑物陰影; 建筑物高度

近年來，隨著各地?cái)?shù)字城市建設(shè)速度的加快，開發(fā)準(zhǔn)確、高效的建筑物高度提取方法并將其應(yīng)用于城市三維建模，已成為GIS、測(cè)繪和遙感等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的高度提取方法主要?dú)w納為4類：①利用GPS和全站儀野外測(cè)量的方法，技術(shù)十分成熟，但投資大、作業(yè)強(qiáng)度大；②利用攝影測(cè)量的方法，操作流程復(fù)雜，效率低[1-2]；③利用航空遙感結(jié)合雷達(dá)技術(shù)[3-4]，成本高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；④利用高分辨率遙感影像，通過測(cè)量影像中建筑物的陰影長度提取建筑物的高度[5-10]，這需要知道影像的具體拍攝時(shí)間和衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)，并需進(jìn)行復(fù)雜的公式計(jì)算。上述方法在推廣和應(yīng)用時(shí)都受到成本和技術(shù)條件的制約，所以有必要研究和開發(fā)簡單、高效且低成本的城市建筑物高度獲取方法。

實(shí)際上，許多高分辨率遙感影像經(jīng)過多次處理后，很難確定圖像的來源和精確的拍攝時(shí)間，單純依靠單張遙感影像獲取建筑物的高度具有一定的局限性,集成多源影像提取建筑高度信息是今后的發(fā)展趨勢(shì)[11]。因此，本文從城市三維建模需要快速獲取大量建筑物高度信息的實(shí)際需求出發(fā)，通過分析建筑物平面影像和立面影像的幾何關(guān)系，提出一種基于雙張影像的城市建筑物高度提取方法，利用高分辨率遙感影像和建筑物立面影像，通過對(duì)立面影像進(jìn)行簡單的幾何變換操作，就可快速提取建筑物高度信息。

1 基本原理和方法

高分辨率遙感影像中建筑物的幾何特征主要表現(xiàn)為建筑物的垂直投影邊界和陰影邊界，而立面影像呈現(xiàn)建筑物的頂面和底面邊界以及高度特征。根據(jù)攝影測(cè)量的原理，即利用對(duì)同一地物、不同拍攝角度且具有一定重疊度的兩張影像，可以還原出地物的三維信息。因此，通過對(duì)立面影像進(jìn)行簡單的幾何縮放操作，使其底邊界和遙感影像中建筑物的投影邊界重合，就可以實(shí)現(xiàn)建筑物高度信息的提取，如圖1所示。

圖1 相機(jī)、建筑物的立面影像和遙感影像的幾何關(guān)系

在城市三維建模中，由于建模區(qū)域內(nèi)的建筑物的數(shù)量非常大，不可能通過拍攝每一幢建筑物的立面影像來提取建筑物高度。在客觀世界中，太陽高度角不變的情況下，建筑物的陰影長度和建筑物的高度呈正比例關(guān)系，即建筑物的高度越高，其陰影長度越長，如圖2所示，在高分辨率遙感影像上，展現(xiàn)的也是一樣。因此，可以先采用少量建筑物作為樣本數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)方法求解出陰影長度與建筑物高度的數(shù)學(xué)模型，再利用陰影長度間接提取建筑物的高度。

圖2 建筑物、陰影和太陽高度角的空間關(guān)系

2 具體實(shí)現(xiàn)

2.1 工作流程

①利用高分辨率遙感影像和建筑物立面影像提取建筑物的高度作為樣本數(shù)據(jù)；②采用最小二乘法解算出陰影和建筑物高度的相關(guān)公式；③利用陰影長度反算出建筑物的高度，從而實(shí)現(xiàn)獲取大批量建筑物高度數(shù)據(jù)，流程如圖3所示。

圖3 高度提取工作流程

2.2 數(shù)據(jù)獲取和處理

試驗(yàn)區(qū)域選取淮陰師范學(xué)院北校區(qū)，該區(qū)域地形較為平坦，建筑物間距較大且多為平頂，有利于減少地形和建筑物之間的相互影響。一方面，采用Google Map下載器獲取高分辨率衛(wèi)星遙感影像，影像級(jí)別參數(shù)設(shè)定為19級(jí),下載的影像如圖4(a)所示。

另一方面，采用Google Earth軟件和相機(jī)拍攝的方法獲取試驗(yàn)區(qū)建筑物的立面影像。用相機(jī)拍攝時(shí)，選取高度較低的建筑物，注意相機(jī)盡可能離建筑物具有較遠(yuǎn)的距離，保持鏡頭與建筑物平行并對(duì)準(zhǔn)其立面中心。然后，篩除水平拍攝角度過大的影像，并利用Photoshop軟件裁剪掉建筑物邊界外多余影像。最后，利用鏡頭校正工具對(duì)圖像的水平投影進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，如圖4(b)所示。

圖4 試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)遙感影像和建筑物立面影像

2.3 建筑物高度的提取

2.3.1 提取建筑物樣本高度

先將處理過的建筑物立面影像導(dǎo)入SketchUp，并利用位置工具提取出建筑物所在區(qū)域遙感影像。然后，通過平移、比例縮放調(diào)整立面影像的底邊界，直至與遙感影像中建筑物的投影邊界重合。最后，通過測(cè)量工具提取建筑物立面邊界的高度，可得到建筑物的高度數(shù)據(jù)，操作如圖5所示。

圖5 高度提取演示(m)

在此基礎(chǔ)上，利用該方法提取出建模區(qū)域內(nèi)其它建筑物的高度數(shù)據(jù)。為保證提取的速度和條理性，可采用由南向北順序依次提取，提取結(jié)果如圖6所示。

圖6 高度提取結(jié)果(m)

2.3.2 相關(guān)公式求解

采用最小二乘法求解建筑物的陰影和高度的數(shù)學(xué)模型，并選定簡單的線性函數(shù)模型描述建筑物陰影和高度的函數(shù)關(guān)系，其算式為

y=a+bx.

(1)

式中：x表示建筑物的陰影長度；y表示建筑物的高度；a，b為待定系數(shù)。先利用測(cè)量工具提取出建筑物樣本的陰影長度數(shù)據(jù)，然后連同前面提取的建筑物樣本高度數(shù)據(jù)一同合并到Excel工作表中預(yù)以存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示。

表1 提取的建筑物樣本高度 m

最后，利用MataLab程序求解出相關(guān)公式y(tǒng)= 0.859 7 +0.883 1x，擬合出的直線如圖7所示。

圖7 最小二乘法擬合的直線圖

2.3.3 陰影提取建筑物高度

參照建模區(qū)域全局影像，逐一選擇和提取建模區(qū)域內(nèi)建筑物的遙感影像，并通過測(cè)量工具提取陰影長度，最后利用Excel計(jì)算出建筑物高度數(shù)據(jù)。

3 建模案例和測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

利用上面介紹的提取建筑物高度的方法獲得的建筑物高度值，結(jié)合建筑物測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建建筑物三維模型,結(jié)果如圖8所示。

圖8 構(gòu)建的建筑物三維模型

此外，為驗(yàn)證本文方法的正確性，利用該方法對(duì)城市的典型高層建筑物的高度進(jìn)行測(cè)量,并與網(wǎng)絡(luò)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 計(jì)算值與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)值對(duì)比

本文方法獲取建筑物高度的高度誤差主要來自4個(gè)方面:①立面影像邊界和遙感影像邊界的匹配，實(shí)現(xiàn)二者重合的判定；②糾正立面影像的投影產(chǎn)生的誤差；③最小二乘法求解過程產(chǎn)生的誤差；④陰影長度測(cè)量本身的誤差?？赏ㄟ^以下措施減少誤差: ①對(duì)遙感影像和建筑物立面影像進(jìn)行影像邊界提取，以提高目視匹配的準(zhǔn)確性；②采用專業(yè)攝影相機(jī)獲取建筑物立面影像，其拍攝質(zhì)量可得到更加充分的保障；③用該方法對(duì)同一建筑物的陰影獲取高度數(shù)據(jù),求其平均值;④建筑物高度的獲取精度很大程度上取決于陰影長度的測(cè)量, 這要求對(duì)遙感影像的陰影進(jìn)行前處理[12], 使得其邊界范圍清晰, 易于識(shí)別。

4 結(jié) 論

建筑物高度提取一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，已開發(fā)出多種基于單張遙感影像的建筑物高度提取方法。通過系列實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)利用數(shù)碼相機(jī)拍攝建筑物立面影像，并結(jié)合高分辯率衛(wèi)星遙感影像，通過最小二乘法提取建筑物高度，能夠快速提取出建筑物高度，具有操作簡單、成本低的特點(diǎn)，可滿足城市三維建模大批量建筑物高度數(shù)據(jù)提取的要求。

2)對(duì)于高度較低的建筑物，其陰影重疊的幾率很小。隨著建筑物高度的增加，遙感影像上相鄰建筑物陰影會(huì)出現(xiàn)局部重疊的情形，可采用影像增強(qiáng)和邊界提取的處理方法，識(shí)別出不同建筑陰影的邊界信息，再進(jìn)行高度的提取。

3)相機(jī)攝影角度和距離，衛(wèi)星空間方位和拍攝姿態(tài)，建筑物屋頂形狀以及地形起伏等因素都會(huì)影響獲取的建筑物高度的誤差和精度，如果前期對(duì)遙感影像做校正(如影像正射糾正)，高度提取誤差還會(huì)進(jìn)一步減少。

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[責(zé)任編輯：張德福]

A method of extracting urban building heights from double images

SONG Ren-bo， LI Wen-hui，WANG Xi-yuan，WANG Yue-xiang

(School of Urban and Environmental,Science of Huaiyin Normal University, Huaian 223300, China)

Because the existing urban building height extraction method is cumbersome and complex, a simple method based on double images is proposed.First, the shadow lengths and heights of the sample buildings are extracted from the high-resolution remote sensing images and building section images; next, the least squares method is used for calculating the relation formula of the image shadow lengths and building heights; then, the shadow lengths are used for calculating the building heights conversely to acquire large quantities of building height data.The modeling and measuring contrast experiments show this method has simple and fast merits, which can meet the high accuracy requirements and have a certain application value.

remote sensing image; section image; building shadow; building height

2013-08-09

宋仁波(1974-)，男，講師，博士.

P237

：A

：1006-7949(2014)09-0066-04