基于DSM和DOM特征的城市变化检测

郭容寰

(上海市测绘院，上海200063)

一、引 言

城市是地球上人类活动最为集中的区域，是人类社会、经济、文化、政治等活动的中心。随着城市化的发展，特别是进入20世纪90年代，我国城市化进程高速发展，城市发展和变化日新月异。如何及时掌握和发现城市的变迁和土地利用现状变化，控制城市土地和房产有效利用和合理开发，控制产业合理发展，是各级城市规划、国土管理等政府部门和相关研究机构十分关心的问题。

自遥感技术发展以来，人们一直在研究利用遥感信息发现和研究地球表面的变化。遥感已经大量应用于军事侦察、城市发展和变迁、农业病虫害防治和估产、防灾减灾、土地测绘等领域，但是传统的利用遥感信息进行变化检测的手段主要采用人工肉眼对比方式。近年来在影像自动对比发现变化方面也有许多研究成果，但这种方式存在效率低、强度大、误差大、漏检率高等问题[1]。随着航测、遥感技术的不断发展，利用不同时期的遥感影像生成的正射影像数据(digital orthophoto map，DOM)和包含城市建(构)筑物、植被的数字表面模型(digital surfacemodel，DSM)采用相应对比和发现变化的计算机软件能够大大提高变化检测的效率和质量。DOM已经是一种成熟的产品，本文着重从DSM的获取、DOM和DSM的应用加以研究。

二、DSM获取

目前采用遥感方法获取城市高分辨率DSM有两种途径，一种是基于数码航测手段，通过数码航摄、定向建模，生成核线影像，生成DSM;另一种是通过激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)手段，LiDAR直接获取三维激光点云，经过滤波和坐标转换就形成了DSM[2]。

1．基于数码航测手段

目前专业数码航空摄影仪主要有美国Z/I公司的DMC、奥地利 Vexcel公司的 UCD、瑞士 Leica的ADS40/80、国产的JXDC等。航空摄影获得航摄影像后，可利用数字摄影测量工作站如VirtuoZo、SSK、MapMatrix，或遥感影像自动化处理系统如DpGrid、像素工厂(Pixel Factory)、Realscape等。基于数码航测手段的DSM生产流程如图1所示。

图1 基于数码航测手段的DSM生产流程

基于数码航测手段在获得数码影像后利用摄影测量工作站或遥感影像自动化处理系统，并依靠图像处理和特征匹配来获取城市三维信息。通过定向、建模，生成核线影像，核线影像经自动和密集匹配后，得到粗略的数字表面模型。城市DSM有其自身的特点，城市的建设和发展，大量建(构)筑物的建造，造成城市的地形地貌相比其他地区较为破碎，通常建(构)筑物的光滑表面和水面会干扰自动密集匹配成果，形成噪声，所以，自动影像匹配所形成的粗略DSM还需利用各种现有的基础地理信息，或在立体观测条件下，对噪声进行压制和处理，使其正确反映城市地表的地形地貌特征。

2．基于机载LiDAR手段

机载LiDAR技术是一项自动化生成数字地形模型和数字表面模型的新技术。机载LiDAR已经成为提取空间高精度三维信息的有效手段。该技术具有高效率、高精度、全天候、低成本、信息丰富等特点，可以快速地生成高精度的DSM。目前国内拥有的机载LiDAR设备主要有徕卡公司的ALS50I/II、LiteMapper5600和 Optech公司的 ALTM3100/Gemini等。它融合了激光扫描仪、IMU惯性测量单元、差分GPS、摄影仪以及航飞控制与管理系统等多种设备和技术。

获取原始激光扫描数据后，经过初级处理，将机载GPS数据、数据采集区域的GPS基准站数据、IMU惯性测量数据等，对激光扫描获取的扫描仪中心到地面反射点的距离进行坐标反算，求得地面反射点坐标，形成地面点的坐标点云。地面点的点云数据经过滤波处理，去除明显的噪声点;航带点云拼接，形成测区点云;重采样，形成粗略城市DSM[3]。基于机载LiDAR手段的DSM生产流程如图2所示，所获得的DSM如图3所示。

图2 基于机载LiDAR手段的DSM生产流程

图3 DSM图像

机载LiDAR设备配备有航空摄影仪，其所获得的航空影像同样可以用摄影测量工作站或遥感影像自动化处理系统进行数据处理并获取正射影像，不过机载LiDAR配备的摄影仪其成像质量与专业数码航摄仪质量大相径庭。

3．DSM获取方法比较

数码航测和机载LiDAR数据尽管都能经过处理，获得DSM数据，但在DSM数据精度、数据处理周期和成本等方面存在很大差异。

1)LiDAR是一种主动式遥感，机载LiDAR数据获取在不考虑影像数据的情况下，可全天候采集，不受气候和昼夜的影响;机载 LiDAR获取的DSM其精度高、噪声小，能够获得较高精度的DSM数据。数码航测是一种被动式遥感，航摄受气候、季节和昼夜的影响因素较大，其精度相比机载Li-DAR获取的精度要低，水面和光滑平坦的地物面等都会对航测手段获取的DSM带来噪声。

2)由于LiDAR数据处理方法简单，经过简单的坐标转换、航线数据拼接和滤噪处理就能获得DSM数据;航测获取数据后需要经过空三处理、影像的密集匹配、噪声过滤和DSM模型拼接等处理过程。相比航测数据处理过程，机载LiDAR的数据处理的周期更短。

3)遥感影像，包括航测影像目前仍然是基础地理信息的主要内容之一，相比机载LiDAR获取的数据，航测获取的遥感影像应用矢量数据的采集、城市三维模型数据的采集、生产正射影像图等，其直接和间接的产品有广泛的应用领域。就目前来说，航测方法相比机载LiDAR方法具有更好的投入产出比。

三、DOM和DSM的变化检测应用

城市的快速发展使得城市的变化日新月异，城市规划、建设和管理亟需一种科学的，发现城市变化的手段，利用不同时期的航空影像生成DOM和DSM，定期检测变化，指导城市规划、建设和管理。图4为相同区域、不同时段的两个DSM的对比，从中可以发现变化情况。

图4 相同区域、不同时段的DSM的对比

1．变化检测的数据获取

遥感影像加工处理，生成两个不同时段的DOM和DSM模型，根据两个DSM模型的高度差和DOM的色差可以发现的变化区域。从遥感影像到DSM数据处理过程中都存在一定误差，但人工建(构)筑物至少在3m以上，可以通过设置一定的高差阈值和面积阈值滤除误差、噪音以及应用所不关心的微小变化。在差值DSM上对其进行二值化提取，边缘跟踪等基本的图像处理手段，可以获取在差值DSM上的待选变化区域[1]，也就是高度发生变化的区域;在赋予DOM色彩的DSM上，在限定DSM差值范围内，同样可以根据色差提取变化区域，通过设定的色差阈值滤除两次摄影太阳高度角和季节不同带来的色差，通过边缘跟踪等基本图像处理手段获取待选变化区域。

用于实现变化检测的DOM和DSM对原始遥感数据具有最基本的要求：一是新老数据应具有相近的摄影比例尺和相同的摄影仪，非相近摄影比例尺范围的DSM无法进行有效比较;二是不同时期摄影的像主点应较为接近，较为接近的遥感数据能够获取两个具有相一致的摄影死角的遥感数据，获得相接近的DOM和DSM，除非采用了高重叠度的遥感数据获取策略，获得真正射影像(true digital orthophotomap，TDOM)和全像素DSM，避开了摄影死角带来的模型不一致的问题。这些最基本要求目前还只是定性分析，还需进一步理论分析和试验证明。

2．变化检测数据分析

变化检测区域既有人工建(构)筑物的变化，如楼房、道路等，亦有地貌的变化，如河道、滩涂和植被等。既有高度变化，亦有色彩变化，所以应区分处理。对于人工建(构)筑物等多为规则几何形状，反映在某一投影面上是直线的，可采用经典的Hough变换提取新、老DSM模型中的直线特征，并以匹配算法对检测区域进行匹配检测，也可采用灰度匹配的检测方法或基于梯度方向直方图的检测方法实现变化检测。图5为以DOM为背景并套合了变化检测结果的系统界面。其中左面是新的DOM并套合了检测新增地物;右面是老的DOM并套合了检测拆除地物。从变化检测结果中可以一目了然地找到新增的建筑物、轻轨线路和车站、拆除的村庄和经过改道的河流等。

3．变化检测成果的应用

利用DSM和DOM进行变化检测可以应用于城市规划，以发现城市的变迁、发展态势和城市土地利用变化情况;应用于国土和水利管理，调查土地使用和变化情况、滩涂和河道变化情况，发现并定量分析违法土地使用;应用于房产管理，可以调查建筑物的新建、拆除、改建情况，发现并定量分析违章建筑情况;应用于城市绿化管理，可以分析植被生长情况;应用于测绘，可以发现城市大面积变化情况，指导有目的的测绘更新。

图5 变化检测结果的系统界面

利用DSM和DOM进行变化检测应用的领域是十分广泛的，如何充分应用这一信息资源值得作进一步深入的调查研究和分析，作为重要的基础地理信息资源，可以将DOM和DSM成果部署在地理信息公共服务平台，通过平台的影响力并结合城市规划、建设和管理各行业的专业特点，发现应用的领域，拓展成果的应用。

四、结束语

本文论述了利用DOM、DSM进行变化检测，获取DOM、DSM的方法，进行变化检测的基本原理和应用领域。DSM既开拓了遥感影像生成的产品种类，也为利用遥感信息资源进行变化检测，进一步拓展该信息资源的应用价值和应用深度探索了新途径，较以往利用遥感信息资源变化检测手段，更能够充分挖掘遥感信息资源的利用价值，实现计算机自动处理和发现变化。

[1]刘直芳，张继平，张剑清，等，基于DSM和影像特征的城市变化检测[J]．遥感技术与应用，2002，17(5)：240-244．

[2]穆里娜，李发红．城市DSM的获取技术与应用[J]．陕西师范大学学报：自然科学版，2008，36(专辑)：117-131．

[3]汪承义，赵忠明．基于LIDAR数据的城市数字表面模型生成技术[J]．计算机工程，2008(1)：59-63．