利用高分辨率航空影像陰影提取城市建筑物高度信息

鄧焯文 湛青青 李紅剛

摘? 要：建筑物三維景觀模型的建立是城市三維景觀重建的關鍵，建筑物三維景觀模型受建筑物的幾何外形特征、高度及紋理等重要因素的影響。該文主要闡述規則建筑物的原理與算法，利用高分辨率航空影像圖，結合分割技術、分類技術和優化技術，推算影像上建筑物陰影的長度，進而提取建筑物的高度。建筑物紋理信息通過影像信息或者攝影方式獲取，為建筑三維景觀圖增加真實感和可視性。

關鍵詞：高分辨率影像? 圖像陰影? 建筑物高度? 紋理

中圖分類號：P2 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（b）-0047-05

Extracting Height Information of Urban Buildings Using High-resolution Aerial Image Shadows

DENG Zhuowen1? ZHAN Qingqing2? LI Honggang1

（1.Guizhou Province Surveying and Mapping Product Quality Supervision and Inspection Station; 2.Guizhou Provincial First Institute of Surveying and Mapping， Guiyang， Guizhou Province， 550025 China）

Abstract： Three-dimensional landscape model building is the key to urban three dimensional landscape reconstruction， 3 d landscape models by building the structure of the geometric shape characteristics， the influence of the height and the texture and other important factors. This article mainly describes the principles and algorithms of regular buildings by using high resolution aerial imagery， and combines segmentation， classification， and optimization techniques to estimate the length of the shadow on the impact， and then extract the height of the building. Building texture information is obtained through image information or photography， which adds realism and visibility to the 3D landscape map of the building.

Key Words： High resolution image; Image shadow; Building height; Texture

建筑物高度信息是城市三維建模和城市規劃、城市經濟活動以及軍事應用中的一個重要參數，所以，怎樣從遙感圖像中獲取建筑物高度信息成為眾多專家學者一直關注研究方向之一。隨著遙感技術突飛猛進的發展，近幾年，高分辨率衛星遙感影像（例如SPOT5、IKONOS、OrbView、COSMOS等）和高空間分辨率航空影像促進了很多全新領域的發展和使用。其中，利用高分辨率影像提取建筑物高度就是航空領域里的重要研究。

該文使用單個高分辨率圖像提取城市建筑物的高度信息，主要內容包括提取城市建筑物的原理和算法。房屋陰影信息的提取前的處理技術，房屋側面紋理信息的獲取方法，建筑物簡單三維建模的建立等。

1? 城市建筑物高度提取的原理和算法

在遙感圖像中，由于城市建筑物的高度的影響，容易識別低亮度陰影信息。陰影用作信息源，它們可用于計算對象的高度。單影像測高方法原理單一但算法較復雜，陰影測高的方法受到一定局限，所以，為了計算簡化，做出以下假設：（1）假設建筑物處于平原地帶，無地形因素的干擾;（2）假設建筑物結構比較簡單，而且垂直地表;（3）城市建筑物不宜過于密集，建筑物構造和屋頂形狀最好規整。通常，遙感圖像的采樣方向是東西南北，即像素的排列是東西西北。在這種情況下，太陽方位角是陰影的測量長度和實際長度之間差異的重要原因。

根據上述假設的（1）（2）（3），不考慮太陽方位角對建筑物陰影的影響，太陽高度角，衛星高度角以及建筑物高度和陰影之間的關系如圖1所示。

假設：建筑物的高度為H，建筑物陰影的總長度為S，α是衛星高度角，β是太陽高度角，γ太陽的方位角，如圖2所示。

（1）太陽和衛星在建筑物的同側，由圖1可知，高度的計算如下。

陰影成像部分為：L2=S-L1

建筑物的陰影長度為：S=H/tanβ

衛星影像上成像的陰影部分為：

則：

（1）

（2）太陽和衛星在建筑物的異側，由圖3可知，高度的計算如下。

由圖2可知，當衛星傳感器掃描方向與太陽照射方向相反時，可以看到整個陰影。

這時：L1=0，故：

H=S×tanβ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

影像上陰影的長度M和實際陰影長度S之間的關系為：

于是：

令：

則有：

（3）

經過換算得到：

通常，衛星數據的參數信息和建筑物的陰影長度可計算出建筑物的高度。在特殊情況下，如果無法獲得衛星成像過程中的參數信息，可通過獲得當地建筑物的實際高度或通過圖像增強處理后獲得建筑物的層數估算出建筑物的高度，這樣就可以反推出常數k的值，使用公式（4）計算常數k的值以獲得其他建筑物的高度信息。

2? 衛星圖像中陰影信息提取

陰影在高分辨率影像中由本影和半影兩個部分組成，陰影和非陰影區邊界不明顯。目前，閾值法是提取陰影的主要方法，但閾值法在建筑物高度提取中存在一定的缺點，故很難去除一些噪聲（比如樹木的陰影、水體等）的影響。因為噪聲和陰影在影像上灰度與陰影極其相似，為了更精確地提取建筑物的高度信息，學者們研究將高分辨率的全色影像與多光譜影像進行了融合。

近10年來，基于面向對象的分類技術在高分辨率影像中得到廣泛運用，尤其是德國definiens公司研發的eCognition（易康）軟件，以面向對象、模仿人類思維方式提取地物信息，適用于城市建筑物陰影信息的提取。面向對象的分類方法用于提取陰影信息，分析陰影和屋頂的特征，并優化陰影和屋頂，以成功解決使用陰影提取建筑物高度的一些問題。

2.1 圖像的分割和分類

圖像分割從像素對象開始，并根據周圍對象的光譜，形狀等差異進行合并，直到超過設置的閾值為止。分割參數的設置對分割結果有很大的影響。在反復驗證中，將設置形狀、顏色、緊密度和平滑度參數。色調權重為0.7，緊密度為0.5，光滑度為0.5。該文利用易康自帶數據進行分類，區分植被和建筑區域時得出分割參數：色調權重為0.7（形狀權重為0.3，色調權重+形狀權重=1），緊密度為0.3，光滑度為0.7。圖4為原圖分割前，圖5分割后的圖像，房屋的陰影和樹木的陰影顯而易見。

分類使用基于模糊規則的決策樹分析方法進行分類。決策樹分類特征選擇的基本思想：決策樹分類方法模擬了人工分類過程，并根據分類規則將數據從根節點向下分類到下一層。決策樹由一個根結點、一系列內部分枝及終級葉結點組成，每一結點只有一個父結點，但可以有兩個或多個子結點。如果將自然特征視為特征分類的主要層次（根節點），則應首先考慮特征的基本組成部分，例如植被、土壤、水泥和水。大類，稱為第一級分類。每個主要類別都可以進一步分類，以便對其進行連續細分，直到對所需的最終葉節點類別進行分類為止。因此，在根節點和最終葉節點之間形成了分類樹結構。在樹形結構的每個分支點，可以選擇不同的物質以進行更有效的精細分類。

在城市地物中，分出植被與非植被，然后通過非植被分出建筑區和陰影，最后，對于建筑區域，利用形狀特性和經驗知識區分出建筑陰影和其他陰影。如圖6所示為分類后房屋頂部的信息，亮白色為向光面，灰白為陰影，基本可以提取出房屋的陰影信息。實驗數據中提供了表面模型，這樣就可以區分了道路，院子和房頂信息。

2.2 房屋形狀優化

上述分類結果得到的屋頂與建筑物的實際形狀有差異，通過屋頂形狀優化可得到現代城市中一些邊角為90°或270°的屋頂形狀規整的建筑物信息。具體方法是：使用正方形窗（正方形的邊長為10像素），并以正方形的中心點為參考點，沿著屋頂的邊界進行搜索。此邊界點大約是總數的1/4或3/4，用作屋頂的拐角點。最后依次連接每個角點，完成建筑物屋頂邊界的構成。對于結構比較復雜的不規則建筑物，加入了人工干預需要借助專業的建模工具，如3DMAX等對它們進行建模。

2.3 陰影優化

提取連接到陰影的建筑物的邊界。如果選擇屋頂邊界線的一部分，該部分的方向與南北方向之間的夾角最小，且長度大于15個像素，以線段的兩個端點為起點，以太陽方位角為方向，使線長于建筑物陰影的長度，并使用兩條線中間的陰影提取高度建筑物。特別地，如果在圖像上沒有建筑物的陰影，則不能通過圖像獲得建筑物的高度數據，并且必須去現場勘測以獲得建筑物數據。

3? 建筑物側面紋理的提取

可以從高分辨率遙感圖像中快速獲得頂部紋理。 側面紋理分為垂直側面的紋理和非垂直側面的紋理。在垂直攝影中或當建筑物的側面被遮擋時，有必要通過地面攝影來提取側面紋理。用這種方法獲得的紋理比從圖像中獲得的紋理更真實。在非垂直攝影的情況下，可以根據圖像將其提取。圖7顯示了使用單個高分辨率圖像的陰影提取城市建筑物的高度信息的整個過程。

4? 結語

該文介紹了利用高分辨率航空影像提取城市建筑物高度信息的相關基礎知識和技術方法。在充分掌握建筑物陰影與高度之間關系的前提下，根據國內一些學者的相關研究，運用分割、分類技術提取影像上房屋陰影，對于高度的推算具有較好的作用。但是也存在一些問題：（1）實驗數據是易康軟件自帶數據，該數據為德國某小鎮的航空影像，影像中建筑物規則、稀疏，并且地勢平坦，較好地吻合了高度提取時假設的條件，而對于中國城鎮建筑物相對密集，建筑物構造復雜的特點，在高度的提取不一定具有很好的效果。（2）根據相關資料，該文房屋形狀優化處理方法在理論上是可行的，但筆者并沒有取得實驗效果。（3）建筑物的紋理信息的是根據建筑物的屬性而定，該實驗中的建筑物屋頂和側壁的紋理簡單均一，而中式建筑物的復雜紋理結構需要借助計算機模擬和人工繪畫技術才能完成。所以城市建筑物三維建模需要根據研究區域的環境情況而定，高分辨率影像中建筑物高度提取的原理和方法應適用于具體的研究對象。

參考文獻

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