基于多時相高分辨率航空影像的建筑物變化檢測研究

倪 凱

(福州市勘測院 福建福州 350108)

0 引言

當今，我國城市化進程十分迅猛，違章建筑現象隨之增長。城市管理者如何有效制止違章違法建筑物現象，尤其是密集棚屋區內的違章違法建筑物尤為重要。基于遙感影像的建筑物變化檢測，指利用不同時相或不同傳感器所獲得的同一區域的遙感影像以及相關數據，來分析和確定建筑物的變化信息[1]。如何提高建筑物變化檢測的檢出率和正確率亟需研究[2]。本文采用三維數字表面模型(DSM)變化檢測法，代替傳統二維平面影像變化檢測的方法，并通過真實數據開展實驗研究，驗證基于多時相高分辨率航空影像建筑物變化檢測的可行性。

1 傳統建筑物變化檢測方法

傳統建筑物變化檢測方法，最常見的方法有兩種[3]：

第一，利用多期衛星遙感影像，校正到統一平面坐標系統后，用影像配準技術檢測出變化圖斑。這種方法檢測出來的變化圖斑較為零散，且邊緣模糊度較大，同時受不同類型衛星遙感影像拍攝角度影響，正確率也受較大影響，后期需要人工去偽、識別確認。

第二，利用多期衛星遙感影像，校正到統一平面坐標系統后，通過邊緣檢測、區域分割、多尺度分割等技術提取建筑物信息，獲得多期影像建筑物信息數據，再對建筑物信息數據進行變化檢測，得到檢測成果。

2 多時相高分辨率航空影像建筑物變化檢測方法

對于因建筑物密集區，衛星遙感影像分辨率不夠高、衛星影像獲取角度及陰影等原因，導致利用衛星遙感影像開展建筑物變化檢測檢出率不高等問題，研究利用多時相高分辨率航空影像開展建筑物變化檢測。檢測數據由衛星遙感影像轉換為航空影像，檢測方法由二維平面轉向三維立體。除了二維平面影像約束，還增加三維高度信息約束，無論是檢出率還是正確率，都有較大提高。通過對檢測成果數據分析，最終可以分析出變化圖斑的屬性信息，如是新增建筑還是已拆除建筑等。利用多時相高分辨率航空影像開展建筑物變化檢測的作業流程如圖1所示。

圖1 多時相高分辨率航空影像建筑物變化檢測流程圖

從以上流程圖可知，多時相高分辨率航空影像建筑物變化檢測流程主要分為5個步驟：

第一步，獲取不同時相的高分辨率航空影像，大飛機航空影像和無人機航空影像均可；

第二步，分別對不同時相的高分辨率航空影像進行空三加密，平面坐標系統和高程系統要統一到同一坐標系；

第三步，在空三加密的基礎上，分別提取DSM，最好使用同一款軟件進行提取；

第四步，任意兩期DSM做差值運算，得到初步檢測成果，這一成果為柵格數據；

第五步，檢測成果后處理。主要對初步檢測成果進行二值化以及緊湊度指數分析，最終得到矢量檢測成果，提供下一工序使用。

3 實驗案例

實驗案例主要選擇建筑密集區。利用多時相高分辨率航空影像建筑物變化檢測方法，分析實驗區的建筑物變化情況。

3.1 實驗案例一

實驗案例一選取農村建筑密集區,如圖2所示。選擇不同時相的兩期高分辨率影像開展實驗分析，獲取的兩期影像為無人機航空影像，地面分辨率均在10 cm以內。空三加密采用添加像控點的方式作業，坐標系統采用福州城市地方平面直角坐標系和福州本地高程基準。

圖2 實驗案例一建筑物分布情況

在空三加密的基礎上，使用Pix4Dmapper軟件(試用版本)，分別提取兩期無人機航空影像的DSM數據，兩期DSM數據的平面坐標系統和高程系統一致。再將兩期DSM數據做差值運算，利用Arcgis軟件ArcToolbox工具箱中Raster Math Minus工具，后期DSM減去前期DSM，獲得差值計算成果，如圖3所示。黑色小斑塊即為高度變化較大的區域，通過形狀初步判斷，基本可以認定為建筑物變化圖斑。其他區域為高度變化較小的區域，基本可以認定為軟件提取過程中的誤差，可做剔除處理。通過差值為正值可知，黑色小斑塊為新增建筑物。

圖3 實驗案例一初步檢測成果

得到初步檢測成果后，對柵格成果數據進行二值化處理，輸出矢量面圖斑數據。依據國標《房產測量規范》規定，高度在2.2 m以上為1層，考慮到誤差及半層房屋存在的可能性，將變化高度處于[-1.6 m～1.6 m]的矢量面圖斑進行剔除，如圖4(a)所示。在此基礎上，進行緊湊度指數分析，剔除因DSM提取過程產生的建筑物邊緣粘連，以及高大茂密樹木邊緣粘連等狹長不規則細碎面，最終得到建筑物變化檢測的矢量成果數據，如圖4(b)～(c)所示。

(a) (b) (c)

3.2 實驗案例二

實驗案例二選取棚屋區(圖5)，選擇不同時相的兩期高分辨率影像開展實驗分析，獲取的兩期影像為無人機航空影像，地面分辨率均在5 cm以內。空三加密采用免像控點的方式，即利用載波相位事后差分定位技術(PPK)后差分處理，得到高精度定位定姿系統(POS)數據。高精度POS數據直接參與區域網平差計算[4]，坐標系統采用CGCS2000平面坐標系和1985國家高程基準。

圖5 實驗案例二建筑物分布情況

在空三加密基礎上，使用大疆智圖軟件分別提取兩期無人機航空影像的DSM數據，兩期DSM數據的平面坐標系統和高程系統一致。兩期DSM數據做差值運算的方法與實驗案例一的方法一致。圖6為初步檢測成果。通過差值為負值可知，黑色小斑塊為已拆除建筑物。

圖6 實驗案例二初步檢測成果

得到初步檢測成果后，對柵格數據成果后處理，其方法與實驗案例一致。最終檢測成果如圖7所示，圖7(a)為剔除變化高度小于1.6 m矢量圖斑，圖7(b)為最終矢量檢測成果，圖7(c)為矢量檢測成果疊套后期影像放大效果，顯示實地房屋已經拆除，準確無誤。

(a) (b) (c)

4 結論

從實驗結果可知，采用多時相高分辨率航空影像開展建筑物變化檢測，是可行的，基本可以實現半自動化發現變化結果。相比利用二維遙感衛星影像開展建筑物變化檢測，本文的檢測方法更加科學，檢測結果更加準確，能為城市管理者提供更為有力的技術手段，來抑制違章違法建筑物的快速增長。