基于DSM和DOM特征的城市變化檢測

郭容寰

(上海市測繪院，上海200063)

一、引 言

城市是地球上人類活動最為集中的區域，是人類社會、經濟、文化、政治等活動的中心。隨著城市化的發展，特別是進入20世紀90年代，我國城市化進程高速發展，城市發展和變化日新月異。如何及時掌握和發現城市的變遷和土地利用現狀變化，控制城市土地和房產有效利用和合理開發，控制產業合理發展，是各級城市規劃、國土管理等政府部門和相關研究機構十分關心的問題。

自遙感技術發展以來，人們一直在研究利用遙感信息發現和研究地球表面的變化。遙感已經大量應用于軍事偵察、城市發展和變遷、農業病蟲害防治和估產、防災減災、土地測繪等領域，但是傳統的利用遙感信息進行變化檢測的手段主要采用人工肉眼對比方式。近年來在影像自動對比發現變化方面也有許多研究成果，但這種方式存在效率低、強度大、誤差大、漏檢率高等問題[1]。隨著航測、遙感技術的不斷發展，利用不同時期的遙感影像生成的正射影像數據(digital orthophoto map，DOM)和包含城市建(構)筑物、植被的數字表面模型(digital surfacemodel，DSM)采用相應對比和發現變化的計算機軟件能夠大大提高變化檢測的效率和質量。DOM已經是一種成熟的產品，本文著重從DSM的獲取、DOM和DSM的應用加以研究。

二、DSM獲取

目前采用遙感方法獲取城市高分辨率DSM有兩種途徑，一種是基于數碼航測手段，通過數碼航攝、定向建模，生成核線影像，生成DSM;另一種是通過激光雷達(light detection and ranging，LiDAR)手段，LiDAR直接獲取三維激光點云，經過濾波和坐標轉換就形成了DSM[2]。

1．基于數碼航測手段

目前專業數碼航空攝影儀主要有美國Z/I公司的DMC、奧地利 Vexcel公司的 UCD、瑞士 Leica的ADS40/80、國產的JXDC等。航空攝影獲得航攝影像后，可利用數字攝影測量工作站如VirtuoZo、SSK、MapMatrix，或遙感影像自動化處理系統如DpGrid、像素工廠(Pixel Factory)、Realscape等。基于數碼航測手段的DSM生產流程如圖1所示。

圖1 基于數碼航測手段的DSM生產流程

基于數碼航測手段在獲得數碼影像后利用攝影測量工作站或遙感影像自動化處理系統，并依靠圖像處理和特征匹配來獲取城市三維信息。通過定向、建模，生成核線影像，核線影像經自動和密集匹配后，得到粗略的數字表面模型。城市DSM有其自身的特點，城市的建設和發展，大量建(構)筑物的建造，造成城市的地形地貌相比其他地區較為破碎，通常建(構)筑物的光滑表面和水面會干擾自動密集匹配成果，形成噪聲，所以，自動影像匹配所形成的粗略DSM還需利用各種現有的基礎地理信息，或在立體觀測條件下，對噪聲進行壓制和處理，使其正確反映城市地表的地形地貌特征。

2．基于機載LiDAR手段

機載LiDAR技術是一項自動化生成數字地形模型和數字表面模型的新技術。機載LiDAR已經成為提取空間高精度三維信息的有效手段。該技術具有高效率、高精度、全天候、低成本、信息豐富等特點，可以快速地生成高精度的DSM。目前國內擁有的機載LiDAR設備主要有徠卡公司的ALS50I/II、LiteMapper5600和 Optech公司的 ALTM3100/Gemini等。它融合了激光掃描儀、IMU慣性測量單元、差分GPS、攝影儀以及航飛控制與管理系統等多種設備和技術。

獲取原始激光掃描數據后，經過初級處理，將機載GPS數據、數據采集區域的GPS基準站數據、IMU慣性測量數據等，對激光掃描獲取的掃描儀中心到地面反射點的距離進行坐標反算，求得地面反射點坐標，形成地面點的坐標點云。地面點的點云數據經過濾波處理，去除明顯的噪聲點;航帶點云拼接，形成測區點云;重采樣，形成粗略城市DSM[3]。基于機載LiDAR手段的DSM生產流程如圖2所示，所獲得的DSM如圖3所示。

圖2 基于機載LiDAR手段的DSM生產流程

圖3 DSM圖像

機載LiDAR設備配備有航空攝影儀，其所獲得的航空影像同樣可以用攝影測量工作站或遙感影像自動化處理系統進行數據處理并獲取正射影像，不過機載LiDAR配備的攝影儀其成像質量與專業數碼航攝儀質量大相徑庭。

3．DSM獲取方法比較

數碼航測和機載LiDAR數據盡管都能經過處理，獲得DSM數據，但在DSM數據精度、數據處理周期和成本等方面存在很大差異。

1)LiDAR是一種主動式遙感，機載LiDAR數據獲取在不考慮影像數據的情況下，可全天候采集，不受氣候和晝夜的影響;機載 LiDAR獲取的DSM其精度高、噪聲小，能夠獲得較高精度的DSM數據。數碼航測是一種被動式遙感，航攝受氣候、季節和晝夜的影響因素較大，其精度相比機載Li-DAR獲取的精度要低，水面和光滑平坦的地物面等都會對航測手段獲取的DSM帶來噪聲。

2)由于LiDAR數據處理方法簡單，經過簡單的坐標轉換、航線數據拼接和濾噪處理就能獲得DSM數據;航測獲取數據后需要經過空三處理、影像的密集匹配、噪聲過濾和DSM模型拼接等處理過程。相比航測數據處理過程，機載LiDAR的數據處理的周期更短。

3)遙感影像，包括航測影像目前仍然是基礎地理信息的主要內容之一，相比機載LiDAR獲取的數據，航測獲取的遙感影像應用矢量數據的采集、城市三維模型數據的采集、生產正射影像圖等，其直接和間接的產品有廣泛的應用領域。就目前來說，航測方法相比機載LiDAR方法具有更好的投入產出比。

三、DOM和DSM的變化檢測應用

城市的快速發展使得城市的變化日新月異，城市規劃、建設和管理亟需一種科學的，發現城市變化的手段，利用不同時期的航空影像生成DOM和DSM，定期檢測變化，指導城市規劃、建設和管理。圖4為相同區域、不同時段的兩個DSM的對比，從中可以發現變化情況。

圖4 相同區域、不同時段的DSM的對比

1．變化檢測的數據獲取

遙感影像加工處理，生成兩個不同時段的DOM和DSM模型，根據兩個DSM模型的高度差和DOM的色差可以發現的變化區域。從遙感影像到DSM數據處理過程中都存在一定誤差，但人工建(構)筑物至少在3m以上，可以通過設置一定的高差閾值和面積閾值濾除誤差、噪音以及應用所不關心的微小變化。在差值DSM上對其進行二值化提取，邊緣跟蹤等基本的圖像處理手段，可以獲取在差值DSM上的待選變化區域[1]，也就是高度發生變化的區域;在賦予DOM色彩的DSM上，在限定DSM差值范圍內，同樣可以根據色差提取變化區域，通過設定的色差閾值濾除兩次攝影太陽高度角和季節不同帶來的色差，通過邊緣跟蹤等基本圖像處理手段獲取待選變化區域。

用于實現變化檢測的DOM和DSM對原始遙感數據具有最基本的要求：一是新老數據應具有相近的攝影比例尺和相同的攝影儀，非相近攝影比例尺范圍的DSM無法進行有效比較;二是不同時期攝影的像主點應較為接近，較為接近的遙感數據能夠獲取兩個具有相一致的攝影死角的遙感數據，獲得相接近的DOM和DSM，除非采用了高重疊度的遙感數據獲取策略，獲得真正射影像(true digital orthophotomap，TDOM)和全像素DSM，避開了攝影死角帶來的模型不一致的問題。這些最基本要求目前還只是定性分析，還需進一步理論分析和試驗證明。

2．變化檢測數據分析

變化檢測區域既有人工建(構)筑物的變化，如樓房、道路等，亦有地貌的變化，如河道、灘涂和植被等。既有高度變化，亦有色彩變化，所以應區分處理。對于人工建(構)筑物等多為規則幾何形狀，反映在某一投影面上是直線的，可采用經典的Hough變換提取新、老DSM模型中的直線特征，并以匹配算法對檢測區域進行匹配檢測，也可采用灰度匹配的檢測方法或基于梯度方向直方圖的檢測方法實現變化檢測。圖5為以DOM為背景并套合了變化檢測結果的系統界面。其中左面是新的DOM并套合了檢測新增地物;右面是老的DOM并套合了檢測拆除地物。從變化檢測結果中可以一目了然地找到新增的建筑物、輕軌線路和車站、拆除的村莊和經過改道的河流等。

3．變化檢測成果的應用

利用DSM和DOM進行變化檢測可以應用于城市規劃，以發現城市的變遷、發展態勢和城市土地利用變化情況;應用于國土和水利管理，調查土地使用和變化情況、灘涂和河道變化情況，發現并定量分析違法土地使用;應用于房產管理，可以調查建筑物的新建、拆除、改建情況，發現并定量分析違章建筑情況;應用于城市綠化管理，可以分析植被生長情況;應用于測繪，可以發現城市大面積變化情況，指導有目的的測繪更新。

圖5 變化檢測結果的系統界面

利用DSM和DOM進行變化檢測應用的領域是十分廣泛的，如何充分應用這一信息資源值得作進一步深入的調查研究和分析，作為重要的基礎地理信息資源，可以將DOM和DSM成果部署在地理信息公共服務平臺，通過平臺的影響力并結合城市規劃、建設和管理各行業的專業特點，發現應用的領域，拓展成果的應用。

四、結束語

本文論述了利用DOM、DSM進行變化檢測，獲取DOM、DSM的方法，進行變化檢測的基本原理和應用領域。DSM既開拓了遙感影像生成的產品種類，也為利用遙感信息資源進行變化檢測，進一步拓展該信息資源的應用價值和應用深度探索了新途徑，較以往利用遙感信息資源變化檢測手段，更能夠充分挖掘遙感信息資源的利用價值，實現計算機自動處理和發現變化。

[1]劉直芳，張繼平，張劍清，等，基于DSM和影像特征的城市變化檢測[J]．遙感技術與應用，2002，17(5)：240-244．

[2]穆里娜，李發紅．城市DSM的獲取技術與應用[J]．陜西師范大學學報：自然科學版，2008，36(專輯)：117-131．

[3]汪承義，趙忠明．基于LIDAR數據的城市數字表面模型生成技術[J]．計算機工程，2008(1)：59-63．