基于雙張影像的城市建筑物高度提取方法

宋仁波,李文慧,王細元,王月香

(淮陰師范學院 城市與環境學院，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,王細元,王月香

(淮陰師范學院 城市與環境學院，江蘇 淮安 223300)

針對現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公式，通過陰影長度反算出建筑物的高度，從而實現大批量建筑物高度數據的獲取。通過建模實例和測量對比實驗表明，方法具有操作簡單、快速的特點，能滿足較高的精度要求,具有一定的應用價值。

遙感影像; 立面影像; 建筑物陰影; 建筑物高度

近年來，隨著各地數字城市建設速度的加快，開發準確、高效的建筑物高度提取方法并將其應用于城市三維建模，已成為GIS、測繪和遙感等領域的研究熱點?，F有的高度提取方法主要歸納為4類：①利用GPS和全站儀野外測量的方法，技術十分成熟，但投資大、作業強度大；②利用攝影測量的方法，操作流程復雜，效率低[1-2]；③利用航空遙感結合雷達技術[3-4]，成本高，數據處理復雜；④利用高分辨率遙感影像，通過測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間和衛星姿態參數，并需進行復雜的公式計算。上述方法在推廣和應用時都受到成本和技術條件的制約，所以有必要研究和開發簡單、高效且低成本的城市建筑物高度獲取方法。

實際上，許多高分辨率遙感影像經過多次處理后，很難確定圖像的來源和精確的拍攝時間，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展趨勢[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際需求出發，通過分析建筑物平面影像和立面影像的幾何關系，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，通過對立面影像進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為建筑物的垂直投影邊界和陰影邊界，而立面影像呈現建筑物的頂面和底面邊界以及高度特征。根據攝影測量的原理，即利用對同一地物、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，通過對立面影像進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，就可以實現建筑物高度信息的提取，如圖1所示。

圖1 相機、建筑物的立面影像和遙感影像的幾何關系

在城市三維建模中，由于建模區域內的建筑物的數量非常大，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，展現的也是一樣。因此，可以先采用少量建筑物作為樣本數據，結合數學方法求解出陰影長度與建筑物高度的數學模型，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系

2 具體實現

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據；②采用最小二乘法解算出陰影和建筑物高度的相關公式；③利用陰影長度反算出建筑物的高度，從而實現獲取大批量建筑物高度數據，流程如圖3所示。

圖3 高度提取工作流程

2.2 數據獲取和處理

試驗區域選取淮陰師范學院北校區，該區域地形較為平坦，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星遙感影像，影像級別參數設定為19級,下載的影像如圖4(a)所示。

另一方面，采用Google Earth軟件和相機拍攝的方法獲取試驗區建筑物的立面影像。用相機拍攝時，選取高度較低的建筑物，注意相機盡可能離建筑物具有較遠的距離，保持鏡頭與建筑物平行并對準其立面中心。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圖像的水平投影進行適當調整，如圖4(b)所示。

圖4 試驗區域內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入SketchUp，并利用位置工具提取出建筑物所在區域遙感影像。然后，通過平移、比例縮放調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據，操作如圖5所示。

圖5 高度提取演示(m)

在此基礎上，利用該方法提取出建模區域內其它建筑物的高度數據。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，提取結果如圖6所示。

圖6 高度提取結果(m)

2.3.2 相關公式求解

采用最小二乘法求解建筑物的陰影和高度的數學模型，并選定簡單的線性函數模型描述建筑物陰影和高度的函數關系，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。先利用測量工具提取出建筑物樣本的陰影長度數據，然后連同前面提取的建筑物樣本高度數據一同合并到Excel工作表中預以存儲，數據內容如表1所示。

表1 提取的建筑物樣本高度 m

最后，利用MataLab程序求解出相關公式y= 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

參照建模區域全局影像，逐一選擇和提取建模區域內建筑物的遙感影像，并通過測量工具提取陰影長度，最后利用Excel計算出建筑物高度數據。

3 建模案例和測量對比實驗分析

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，結合建筑物測量數據構建建筑物三維模型,結果如圖8所示。

圖8 構建的建筑物三維模型

此外，為驗證本文方法的正確性，利用該方法對城市的典型高層建筑物的高度進行測量,并與網絡數值進行對比，如表2所示。

表2 計算值與網絡數據值對比

本文方法獲取建筑物高度的高度誤差主要來自4個方面:①立面影像邊界和遙感影像邊界的匹配，實現二者重合的判定；②糾正立面影像的投影產生的誤差；③最小二乘法求解過程產生的誤差；④陰影長度測量本身的誤差?？赏ㄟ^以下措施減少誤差: ①對遙感影像和建筑物立面影像進行影像邊界提取，以提高目視匹配的準確性；②采用專業攝影相機獲取建筑物立面影像，其拍攝質量可得到更加充分的保障；③用該方法對同一建筑物的陰影獲取高度數據,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量, 這要求對遙感影像的陰影進行前處理[12], 使得其邊界范圍清晰, 易于識別。

4 結 論

建筑物高度提取一直是國內外研究的熱點，已開發出多種基于單張遙感影像的建筑物高度提取方法。通過系列實驗得出以下結論：

1)利用數碼相機拍攝建筑物立面影像，并結合高分辯率衛星遙感影像，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，可滿足城市三維建模大批量建筑物高度數據提取的要求。

2)對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出現局部重疊的情形，可采用影像增強和邊界提取的處理方法，識別出不同建筑陰影的邊界信息，再進行高度的提取。

3)相機攝影角度和距離，衛星空間方位和拍攝姿態，建筑物屋頂形狀以及地形起伏等因素都會影響獲取的建筑物高度的誤差和精度，如果前期對遙感影像做校正(如影像正射糾正)，高度提取誤差還會進一步減少。

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[2]劉艷春, 姜建慧.單影像規則建筑物高度量測方法研究[J].測繪科學,2010,35(5):114-115.

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[4]劉康,Timo Balz ,廖明生.利用后向散射特性從高分辨率SAR影像中提取建筑物高度[J].武漢大學學報:信息科學版,2012,37(7):806-808.

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[7]田新光,張繼賢,張永紅.利用QuickBird影像的陰影提取建筑物高度[J].測繪科學,2008,33(2):88-89.

[8]高翔,趙冬玲,張蔚.利用高分辨率遙感影像獲取建筑物高度信息方法的分析[J].測繪通報,2008(3):41- 43.

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[12]李二森,張保明,邱志斌,等.高分辨率航空影像建筑物垂直邊緣線提取技術研究[J].測繪工程, 2010,19(5):15-19.

[責任編輯：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