基于高分辨率立體影像的建筑區(qū)檢測研究

彭飛飛

1.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2.華中師范大學(xué)地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430079

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基于高分辨率立體影像的建筑區(qū)檢測研究

彭飛飛1，2

1.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2.華中師范大學(xué)地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430079

建筑區(qū)檢測是城市遙感領(lǐng)域的一項重要課題，高精度的建筑區(qū)信息具有重要的應(yīng)用價值。在高分辨率影像中，同物異譜與異物同譜現(xiàn)象導(dǎo)致光譜、紋理、形狀等平面特征對不同類地物的區(qū)分性降低，進而也降低了建筑區(qū)與非建筑區(qū)之間的區(qū)分性。建筑區(qū)的建筑物等地物通常高于周圍地表，而高度信息有利于提高不同類地物之間的區(qū)分性，因而高度信息有利于提高建筑區(qū)與非建筑區(qū)之間的區(qū)分性。結(jié)合高度與平面信息進行建筑區(qū)的聯(lián)合檢測，能提高建筑區(qū)檢測精度。

兼具平面與高度信息的高分辨率立體影像可作為建筑區(qū)檢測的數(shù)據(jù)源。眾多高分辨率衛(wèi)星具備立體觀測能力，例如WorldView-1/2/3，Pleiades-HR，ALOS-PRISM以及我國的資源三號、天繪一號衛(wèi)星，它們采集了大量衛(wèi)星立體影像。而且，許多大中城市每年都進行航空攝影測量，獲取了大量航空立體影像。從這些高分辨率衛(wèi)星和航空立體影像可以提取平面與高度信息，并聯(lián)合用于建筑區(qū)檢測，得到高精度的建筑區(qū)結(jié)果。與此同時，高分辨率立體影像具有一些復(fù)雜特點(例如目標(biāo)幾何形變、投影差、雙/多視角等)，它們給建筑區(qū)檢測帶來的影響也必須得以解決。論文的主要研究內(nèi)容如下：

(1) 提出了一種新的地形表達因子——立體像對視差指數(shù)(SPDI)。與基于數(shù)字高程模型(DEM)計算的傳統(tǒng)的地形因子不同，SPDI基于高分辨率立體影像匹配得到的視差計算而得。SPDI描述了地物和地表的視差高度變化劇烈程度，度量地表形態(tài)與地物空間分布。對于立體像對匹配的視差圖，基于一系列的偏移向量計算視差之差并檢測出興趣直線段，然后考慮興趣直線段的長度與邊緣視差突變值計算視差梯度指數(shù)，最后進行綜合生成SPDI圖。文中選取了3個有代表性的研究區(qū)的高分辨率立體影像作為試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果表明：SPDI指數(shù)能較好地反映建筑物等地物的空間分布情況。SPDI可用于建筑物與樹木檢測、以及建筑區(qū)檢測，并可與其他的紋理、形狀、光譜等平面特征結(jié)合使用。

(2) 提出了基于SPDI高度特征的立體像對建筑區(qū)檢測方法。該方法并不需要進行耗時耗力的數(shù)字表面模型(DSM)建模以及建筑物三維重建。該方法有效地解決了立體影像的復(fù)雜特點對建筑區(qū)檢測帶來的主要影響：SPDI基于視差之差計算而得，不受目標(biāo)幾何形變的影響；利用視差圖包含的同名點進行前方交會，消除投影差對建筑區(qū)幾何坐標(biāo)不準(zhǔn)確的影響；利用視差圖包含的同名點對齊并統(tǒng)一從不同觀測視角影像分別檢測得到的建筑區(qū)，最終得到一致的結(jié)果。利用該方法能得到可套合于原始的斜視立體影像的建筑區(qū)，也能得到可用于GIS的建筑區(qū)。選取了3個有代表性的研究區(qū)的高分辨率立體影像作為試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果表明：該方法對于紋理單一的、高大建筑物聚集的建筑區(qū)具有較好地適用性，而且比垂直投影下的基于歸一化數(shù)字表面模型高度特征的建筑區(qū)檢測方法的精度更高。

(3) 提出了融合高度與平面特征的立體影像建筑區(qū)檢測方法。該方法可以充分利用從立體影像自身或由它生成的DSM/DEM提取的高度特征信息，以及從立體影像自身或由它生成的正射影像提取的平面特征(例如光譜、紋理、形狀等)信息，利用互補信息進行聯(lián)合檢測，提高建筑區(qū)檢測精度。同樣選取了3個有代表性的研究區(qū)的高分辨率立體影像和多光譜影像作為試驗數(shù)據(jù)，進行了13組建筑區(qū)檢測對比實驗，試驗結(jié)果表明：與單獨利用高度或平面特征的方法相比，結(jié)合高度與平面特征的方法能取得更高的檢測精度。基于高度特征的建筑區(qū)檢測精度與研究區(qū)的建筑物大小與高度、以及立體影像的空間分辨率等有關(guān)。基于平面特征的建筑區(qū)檢測精度與立體影像的觀測傾角等有關(guān)，更適合應(yīng)用于垂直投影下的方法。光譜特征對建筑區(qū)檢測精度的提高幅度與研究區(qū)的植被分布情況有關(guān)。

Author：PENG Feifei (1986—), male, received his doctoral degree from Wuhan University on June 2016, majors in stereo image processing.

E-mail：feifpeng@mail.ccnu.edu.cn

Built-up Area Detection from High-resolution Stereo Imagery

PENG Feifei1，2

1.College of Urban and Environment Science, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; 2.Key Laboratory for Geographical Process Analysis & Simulation of Hubei Province, Central China Normal University, Wuhan 430079, China

彭飛飛.基于高分辨率立體影像的建筑區(qū)檢測研究[J].測繪學(xué)報，2017,46(3)：401.

10.11947/j.AGCS.2017.20160508.

PENG Feifei.Built-up Area Detection from High-resolution Stereo Imagery[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(3):401.DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160580.

P237.5

D

1001-1595(2017)03-0401-01

國家973項目(2012CB719906)；測繪遙感信息工程國家重點實驗室開放基金項目(16E03)；華中師范大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(CCNU16A05048)

2016-11-15

彭飛飛(1986—)，男，2016年6月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：龔健雅教授、王樂教授)，研究方向為立體影像處理。