基于LiDAR DSM和等值線分析的高樓統(tǒng)計方法研究

潘桂穎，李佐宇，李頌

(廣西壯族自治區(qū)測繪地理信息檔案資料館，廣西 南寧 53023)

基于LiDAR DSM和等值線分析的高樓統(tǒng)計方法研究

潘桂穎*，李佐宇，李頌

(廣西壯族自治區(qū)測繪地理信息檔案資料館，廣西 南寧 53023)

利用了LiDAR 數(shù)據(jù)生成的數(shù)字地面模型(DSM)和數(shù)字高程模型(DEM)，經(jīng)過柵格運算分析和系列等值線分析，對南寧市部分范圍內超過特定高度值的高層建筑進行了統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結果與規(guī)劃部門的數(shù)據(jù)作比較分析，結果表明該方法方便可靠，能夠用于一般的城市區(qū)域高樓統(tǒng)計。

LiDAR；DSM；柵格運算；等值線分析

1 引 言

LiDAR(Light Detection and Ranging)即激光探測與測量。該系統(tǒng)一般以全球定位系統(tǒng)(GPS)、激光測距儀(Laser Scanner)和慣性導航系統(tǒng)(INS)為主進行集成，利用飛機作為平臺，獲取地面三維位置信息。其所測得的數(shù)據(jù)為數(shù)字表面模型(Digital Surface Model，DSM)的離散點表示，數(shù)據(jù)中含有空間三維信息和激光強度信息。LiDAR是近十年來攝影測量與遙感領域最具革命性的成就之一。城市是人口最集中、人口密度最大、生產(chǎn)生活活動最頻繁的地區(qū)，是經(jīng)濟和社會發(fā)展的中心。城市的發(fā)展速度越來越快，最顯著的特征之一就是建筑物的高度和數(shù)量的持續(xù)增加。高層建筑物信息的獲取因此顯得越來越重要。

LiDAR以其快速、精確、直接獲取三維信息的特點，在對城市高層建筑物的研究中扮演著日益重要的角色。曾齊紅[1]以機載小光斑脈沖測距激光雷達系統(tǒng)為研究對象，分析了機載激光雷達系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的特點，并提出了一系列激光雷達點云數(shù)據(jù)的過濾與分類方法。在此基礎上，開展了基于激光雷達點云的建筑物提取與三維重建研究。陳朋[2]針對地面三維激光點云包含大量冗余數(shù)據(jù)，特征信息不明顯等問題，提出一種建筑物點云特征線提取方法。劉修國[3]提出一種基于點云數(shù)據(jù)生成距離影像，而后引入對比度紋理輔助的點云數(shù)據(jù)建筑物快速提取方法。于海洋[4]在LiDAR點云數(shù)據(jù)法向量分析及曲率計算的基礎上，采用曲率最小點作為種子點，以點云法向量角度差和灰度值差作為生長條件，構建LiDAR點云數(shù)據(jù)的建筑物頂面面片區(qū)域增長分割方法，并進一步對分割面片的鄰接點進行處理，用于建筑物三維模型的重建。任自珍[5]利用LiDAR數(shù)據(jù)生成DSM(數(shù)字地面模型)等高線，然后根據(jù)等高線形狀特征參數(shù)，從DSM等高線中提取由建筑物點云形成的等高線(建筑物等高線)。最后，根據(jù)拓撲關系簡化建筑物等高線，再利用建筑物輪廓線相互垂直或平行的特點，對建筑物等高線進行規(guī)則化，提取建筑物。該方法精度較高，但對于一些快速應用來說略顯煩瑣。

綜上所述，本文在參考大量文獻的基礎上，以LiDAR數(shù)據(jù)為基礎，通過柵格運算、等值線分析等遙感與GIS技術手段的處理，實現(xiàn)了對城市地區(qū)高層建筑物信息的快速獲取與統(tǒng)計分析。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

本文以廣西南寧市區(qū)內的一幅1∶1萬標準圖幅(F49G029006)范圍為研究區(qū)域，面積大約為 28 km2。研究區(qū)內有各種建筑物、道路、橋梁、河流、湖泊，研究區(qū)地形有平坦，也有山體起伏。研究采用了航空LiDAR點云數(shù)據(jù)，通過規(guī)則格網(wǎng)重采樣建立數(shù)字表面模型，并按照高程進行灰度量化生成DSM深度影像。經(jīng)處理后DSM的地面分辨率為 1 m，高程精度為 0.1 m。為了對LiDAR DSM數(shù)據(jù)進行規(guī)則化還采用了DEM數(shù)據(jù)，地面分辨率為 5 m，高程分辨率為 0.1 m。本研究還使用了規(guī)劃部門提供的同一時期的研究范圍內的高樓統(tǒng)計數(shù)據(jù)，作為實際數(shù)據(jù)參考。

3 工作流程

本研究的主要工作包括LiDAR點云數(shù)據(jù)預處理(網(wǎng)格化成DSM距離影像)、DEM數(shù)據(jù)預處理(包括坐標轉換、重采樣)、DSM規(guī)則化、生成地物高度數(shù)據(jù)(柵格)、建筑物輪廓線提取、面積濾除非建筑物、樓高統(tǒng)計等。工作流程如圖1所示：

4 關鍵技術與實現(xiàn)手段

4.1 DSM規(guī)則化

為了去除地面起伏對建筑物輪廓提取的影像，同時也為了得到排除地面高程后的建筑物高度(建筑物地面以上部分的高度)，采用了原始DSM減去地形DEM的方法，對DSM數(shù)據(jù)進行規(guī)則化。由于本文采用的DEM數(shù)據(jù)與DSM數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)和空間分辨率均不相同，在進行DSM規(guī)則化之前，需對地形DEM數(shù)據(jù)進行坐標轉換和重采樣處理。

DSM規(guī)則化的示意如圖2所示，規(guī)則化前后的DSM對比分別見圖3(a)和圖3(b)，可以看到圖3(a)DSM影像右下角由于受到山體地形影響，山體上的建筑物無法在圖像上顯示出來，經(jīng)規(guī)則化以后的影像如圖3(b)，可見經(jīng)規(guī)則化后的影像地物輪廓更清晰了。

圖2 DSM規(guī)則化示意圖

圖3 DSM處理與建筑物輪廓提取

4.2 建筑物輪廓提取

等值線是在表示連續(xù)現(xiàn)象(如高程、溫度、降雨量、污染程度或大氣壓力)的柵格數(shù)據(jù)中連接等值位置的線。這些線要素會將柵格數(shù)據(jù)集中具有同一常量值的像元連接在一起。等值線也可擁有特定的術語稱謂，這取決于測量的對象。本文測量的對象是高程，因此也可稱為等高線。常用的GIS軟件(如ArcGIS、Surfer、SuperMap等)均提供等值線提取的功能。本文采用了ArcGIS 10.3的等值線序列(Contour List)分析功能，全自動提取 20 m、 40 m、 60 m、 80 m、 100 m、 120 m系列等高線。經(jīng)過規(guī)則化的DSM數(shù)據(jù)，實際上是以地物高度為柵格值的柵格數(shù)據(jù)。城市建筑物絕大部分是四周陡峭的多面體結構。對規(guī)則化的DSM柵格進行系列等值線分析，即繪制系列特定高度的地物等高線，實際上就可以自動提取出特定高度處的建筑物輪廓線(橫截面輪廓)。

如圖3(c)是20 m以上地物等高線的提取，圖3(d)和圖3(e)分別是 40 m處和 60 m處等高線的提取?？梢钥闯鲭S著地物等高線增高，提取出的建筑物輪廓線逐漸減少。需要說明的是，在相同的比例尺下，柱狀的建筑物在不同高度處的輪廓大小一致，而塔狀的建筑物低處的輪廓比高處更大。

4.3 面積濾除

讀者可以從圖3(c)、(d)、(e)上看到，地面上高度較高的樹木和建筑物頂部的塔架結構會在輪廓線圖上形成一些碎斑。這些斑點的存在會極大地影響到建筑座數(shù)的統(tǒng)計。因此在統(tǒng)計之間必須消除這些碎斑。

樹木和房頂塔架的水平斷面面積均較小，以此可采用面積閾值法濾除碎斑。經(jīng)過對已形成的碎斑的研究，發(fā)現(xiàn)設定 100 m2的閾值可以將絕大部分碎斑濾除，并不會對建筑物輪廓線產(chǎn)生影響。如圖3(f)是對 20 m高度輪廓線圖3(c)進行面積閾值法濾除的結果，可見碎斑已被消除。

5 結果與討論

5.1 統(tǒng)計結果

統(tǒng)計結果如圖4所示，樓高大于20 m的建筑物有 4 124座比規(guī)劃部門提供的數(shù)據(jù)多出495座，準確率達到86.36%；樓高大于 40 m的有727座比規(guī)劃部門提供的數(shù)據(jù)多出58座，準確率達到91.30%；大于 60 m的有455座比規(guī)劃部門提供的數(shù)據(jù)多出9座，準確率達到97.96%；大于 80 m的有297座比規(guī)劃部門提供的數(shù)據(jù)多出3座，準確率達到98.98%；大于 100 m148座比規(guī)劃部門提供的數(shù)據(jù)多出1座，準確率達到99.50%、大于 120 m只有6座，準確率達到100%?？梢娫谘芯繀^(qū)內越高的樓數(shù)量越少，符合一般規(guī)律；同時統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，本辦法對高度越高的建筑物有更高的統(tǒng)計精度。

圖4 統(tǒng)計結果

本方法對于較低矮的建筑物的統(tǒng)計數(shù)據(jù)準確率較低，原因主要是兩方面：①受到樹木、廣告牌、信號塔等障礙物的干擾；②較低矮的建筑物更容易出現(xiàn)(違章)加建或拆除的情況，從而與規(guī)劃部門提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)生差距。

5.2 結論與展望

本研究利用航空LiDAR數(shù)據(jù)生成DSM，規(guī)則化、生成輪廓線、面積濾除等步驟，按不同樓高等級提取出建筑物的水平輪廓，并結合GIS技術統(tǒng)計出各高度等級的建筑物個數(shù)和面積。經(jīng)與同時期的規(guī)劃部門數(shù)據(jù)對比觀察發(fā)現(xiàn)該統(tǒng)計結果基本符合實際。實踐證明這是一個研究城市高層建筑分布特點的快捷方法。

由于本研究僅限于對建筑物個數(shù)的統(tǒng)計，對建筑物輪廓線和面積提取的精度要求不高，因此只能用于高樓座數(shù)的快速統(tǒng)計分析。對于更深入的應用，如建筑物三維重建等，應考慮使用其他方法對生成的輪廓線進行進一步的精細化處理。

[1] 曾齊紅. 機載激光雷達點云數(shù)據(jù)處理與建筑物三維重建[D]. 上海：上海大學，2009.

[2] 陳朋，譚曄汶，李亮. 地面三維激光掃描建筑物點云特征線提取[J]. 激光雜志，2016(3).

[3] 劉修國，張靖，高偉等. LiDAR點云數(shù)據(jù)中建筑物的快速提取[J]. 地球科學，2006(5).

[4] 于海洋，余鵬磊，謝秋平等. 機載LiDAR數(shù)據(jù)建筑物頂面點云分割方法研究[J]. 測繪通報，2014(6).

[5] 任自珍，岑敏儀，張同剛等. 基于等高線形狀分析的LIDAR建筑物提取[J]. 西南交通大學學報，2009(1).

[6] 郝明，史文中，張華. 一種基于LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物自動提取方法[J]. 測繪通報，2014(4).

[7] 趙小陽，孫穎. 基于LiDAR點云的建筑物邊界提取及規(guī)則化[J]. 地理空間信息，2016(7).

[8] 徐文學，楊必勝，董震等. 標記點過程用于點云建筑物提取[J]. 武漢大學學報·信息科學版，2014(5).

Research on High-rise Statistics Method Based on LiDAR DSM and Contour Analysis

Pan Guiying，Li Zhouyi，Li Song

(Guangxi Archive of Surveying，Mapping and Geographic Information，Nanning 530023，China)

In this study，the Digital Surface Model (DSM) and Digital Elevation Model (DEM) that generated by LiDAR were used to analyze the high - rise buildings over a certain height in some areas of Nanning city through raster analysis and contour analysis. Analyze results compared with those from urban planning department，showing that this method is convenient and reliable，and can be used in the general statistics of urban high-rise.

LiDAR；DSM；raster computing；contour analysis

1672-8262(2017)04-105-03

P234.4

B

2017—01—03

潘桂穎(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事遙感與GIS應用研究。