LIDAR輔助遙感影像建筑物分類(lèi)識(shí)別和提取研究

張澤琛

【摘 要】 隨著我國(guó)城市的不斷擴(kuò)建，城市建筑物的增加，數(shù)字化城市的需求越來(lái)越多，如何從高分辨遙感影像中自動(dòng)快速提取建筑物成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文從LIDAR的基本組成和工作原理以及建筑物識(shí)別和提取技術(shù)出發(fā)，介紹了如何利用LIDAR技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑物識(shí)別和提取。

【關(guān)鍵詞】 LIDAR 遙感影像 建筑物

1 引言

隨著傳感技術(shù)的發(fā)展以及航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，遙感技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)期：由靜態(tài)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)，速度加快，分辨率變得越來(lái)越高甚至達(dá)到厘米級(jí)別，平臺(tái)多樣化等等。尤其是一些商用衛(wèi)星的升空大大提升了高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)信息的提供能力，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足高分辨率影像的信息提取和處理的能力。而遙感技術(shù)和機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)因?yàn)榫哂休^低的成本和較高的信息處理能力，得到了大量研究和實(shí)踐探索。

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)（LIDAR）起步較晚，發(fā)展歷程數(shù)十年，然而它在攝影與遙感的發(fā)展領(lǐng)域中具有里程碑意義。利用全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）等技術(shù)，系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的資料進(jìn)行掃描，并在激光掃描器和距離傳感器中進(jìn)行內(nèi)部處理，將所測(cè)得的距離和角度等信息進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。然后通過(guò)相關(guān)軟件還原出所測(cè)對(duì)象的表面形態(tài)和三維模型。這種遙感技術(shù)在一些信息獲取比較困難的地區(qū)（如荒漠、森林）具有很高的效率和精度。

2 LIDAR的系統(tǒng)組成和工作原理

LIDAR遙感信息獲取系統(tǒng)由許多個(gè)嚴(yán)格按照一定順序放置的部件所構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)包括了三個(gè)部分：GPS、INS和激光記錄器件。LIDAR遙感信息獲取系統(tǒng)和高分辨率的攝像機(jī)被安放在飛機(jī)上，它們都有一個(gè)飛機(jī)固定坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上，各個(gè)布置嚴(yán)格的部件的坐標(biāo)就可以得到很好確定，方便信息處理。

利用地面及其覆蓋物反射的電磁波，激光掃描系統(tǒng)能夠接收到地面目標(biāo)的信息并記錄下來(lái)，記錄方法可以是“首次脈沖”，也可以是“末次脈沖”。一般情況下，發(fā)射的激光脈沖只產(chǎn)生一次反射，這時(shí)兩種記錄方法都可使用，然而在植被茂密的森林中可能反射兩次或更多，這時(shí)一般采用“首次脈沖”的記錄方式。這種測(cè)量距離的方式是利用短波電子信號(hào)的傳播特點(diǎn)，它在同一均勻介質(zhì)中速度不會(huì)改變，而遇到兩個(gè)介質(zhì)之間的分解面時(shí)就會(huì)發(fā)生反射。被測(cè)對(duì)象的角度參數(shù)是利用INS系統(tǒng)來(lái)測(cè)量出來(lái)的，它與系統(tǒng)所測(cè)得的距離和時(shí)間兩個(gè)參數(shù)一起就能夠測(cè)量出目標(biāo)的空間位置。

3 建筑物識(shí)別提取技術(shù)

建筑物識(shí)別提取技術(shù)是在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，利用一定的理論和算法等，從衛(wèi)星和航空所拍攝的影像中獲取建筑物信息，包括其形狀，地理位置等。利用眼睛，人們可以很容易在圖像中檢測(cè)出建筑物，得到其基本信息，但是利用計(jì)算機(jī)來(lái)識(shí)別和提取建筑物將會(huì)十分困難，它涉及到多領(lǐng)域科學(xué)，包括圖像處理、機(jī)器視覺(jué)、模糊識(shí)別、光學(xué)等等。因此，建筑物自動(dòng)識(shí)別和提取技術(shù)仍處于開(kāi)發(fā)研究和技術(shù)探索的初級(jí)階段，它也是遙感影像技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

建筑物提取是建立建筑物空間立體模型的根基，這是城市數(shù)字化和全球數(shù)字化的重要技術(shù)。利用影像來(lái)代替了實(shí)地勘測(cè)，可以大幅度提高建筑物提取的效率。使用高分辨率圖像來(lái)直接提取建筑物是常用的方法，它包括早前使用的線(xiàn)段邊緣檢測(cè)算法和當(dāng)前使用的面向?qū)ο蟮姆指罘椒?。基于線(xiàn)段特征的建筑方法主要是利用建筑物邊緣的線(xiàn)性特征以及相應(yīng)的識(shí)別算法，先識(shí)別并提取建筑物邊緣，再將提取的直線(xiàn)按照一定的規(guī)則分組，然后利用這些直線(xiàn)來(lái)獲取建筑物模型。這種方法較傳統(tǒng)，適用于形狀不復(fù)雜、周邊環(huán)境較簡(jiǎn)單的建筑物提取，它的識(shí)別率不高，不能用于復(fù)雜環(huán)境的城市建筑物中。面向?qū)ο蟮姆指罘椒ㄖ饕菍D形進(jìn)行分割，形成不同的影像對(duì)象，根據(jù)建筑物的光譜特性以及形狀和紋理的信息等完成提取工作。然而這種方法使用的是二維圖像，沒(méi)有建筑物高度信息，如果建筑物周?chē)h(huán)境十分復(fù)雜、其紋理和頂部形狀不規(guī)則或者光譜信息不單一時(shí)，這種提取方式往往精度不高，效果不令人滿(mǎn)意。

4 LIDAR輔助遙感影像建筑物分類(lèi)識(shí)別和提取

LIDAR系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)是離散的、分布不規(guī)則的一系列點(diǎn)，它含有建筑物地理位置和高度等信息。

4.1 直接從LIDAR數(shù)據(jù)中提取建筑物

可以利用LIDAR的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成距離影像，通過(guò)對(duì)比來(lái)較快地提取建筑物。首先將系統(tǒng)獲得數(shù)字表面模型（DSM）中去除實(shí)物的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，得到比較規(guī)整的表面模型，從而能得到建筑物的輪廓；然后在規(guī)整的數(shù)字表面模型中使用灰度共生矩陣來(lái)統(tǒng)計(jì)豎直和水平兩個(gè)方向的高度信息，從而實(shí)現(xiàn)建筑物的提取。

直接從LIDAR數(shù)據(jù)中提取建筑物的算法還在研究階段，一般均采用數(shù)字表面模型等灰度圖像來(lái)完成工作，使用某種圖像處理算法來(lái)對(duì)表面模型或規(guī)整后的表面模型進(jìn)行處理，然后進(jìn)行形狀、灰度分析和邊緣檢測(cè)，以確定建筑物的位置。此方法適用于中高層（10m以上）的建筑物提取，具有較高的精度和分辨率。

4.2 高分辨率圖像與LIDAR數(shù)據(jù)結(jié)合提取建筑物

主要是先利用LIDAR云點(diǎn)數(shù)據(jù)所提供的高程信息隔離出地面上的點(diǎn)，然后在非地面上的點(diǎn)中提取出建筑物的點(diǎn)，然后再利用遙感影像的邊緣信息來(lái)提取建筑物。這種方法結(jié)合高分辨率圖像和LIDAR數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了高分辨率圖像沒(méi)有高程數(shù)據(jù)和LIDAR缺少色彩和紋理信息的不足，具有較高的提取分辨率和精度。

5 結(jié)語(yǔ)

LIDAR技術(shù)的發(fā)展給建筑物識(shí)別和提取帶來(lái)了新的方法和途徑，雖然目前仍處于理論研究和技術(shù)探索階段，但是它的高分辨率和高精度提取能夠滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖黾拥男枨?，所以，它將是未?lái)遙感技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[2]曾齊紅.機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與建筑物三維重建[D].上海：上海大學(xué)，2009.

[3]徐花芝.基于航空LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物提取研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.endprint