基于双张影像的城市建筑物高度提取方法

宋仁波,李文慧,王细元,王月香

(淮阴师范学院 城市与环境学院，江苏 淮安 223300)

基于双张影像的城市建筑物高度提取方法

宋仁波,李文慧,王细元,王月香

(淮阴师范学院 城市与环境学院，江苏 淮安 223300)

针对现有城市建筑物高度提取方法存在的问题，提出一种基于双张影像的城市建筑物高度简易提取方法。利用高分辨率遥感影像和建筑物立面影像，分别提取样本建筑物的阴影长度和高度，采用最小二乘法解算出影像阴影和建筑物高度的相关公式，通过阴影长度反算出建筑物的高度，从而实现大批量建筑物高度数据的获取。通过建模实例和测量对比实验表明，方法具有操作简单、快速的特点，能满足较高的精度要求,具有一定的应用价值。

遥感影像; 立面影像; 建筑物阴影; 建筑物高度

近年来，随着各地数字城市建设速度的加快，开发准确、高效的建筑物高度提取方法并将其应用于城市三维建模，已成为GIS、测绘和遥感等领域的研究热点。现有的高度提取方法主要归纳为4类：①利用GPS和全站仪野外测量的方法，技术十分成熟，但投资大、作业强度大；②利用摄影测量的方法，操作流程复杂，效率低[1-2]；③利用航空遥感结合雷达技术[3-4]，成本高，数据处理复杂；④利用高分辨率遥感影像，通过测量影像中建筑物的阴影长度提取建筑物的高度[5-10]，这需要知道影像的具体拍摄时间和卫星姿态参数，并需进行复杂的公式计算。上述方法在推广和应用时都受到成本和技术条件的制约，所以有必要研究和开发简单、高效且低成本的城市建筑物高度获取方法。

实际上，许多高分辨率遥感影像经过多次处理后，很难确定图像的来源和精确的拍摄时间，单纯依靠单张遥感影像获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发展趋势[11]。因此，本文从城市三维建模需要快速获取大量建筑物高度信息的实际需求出发，通过分析建筑物平面影像和立面影像的几何关系，提出一种基于双张影像的城市建筑物高度提取方法，利用高分辨率遥感影像和建筑物立面影像，通过对立面影像进行简单的几何变换操作，就可快速提取建筑物高度信息。

1 基本原理和方法

高分辨率遥感影像中建筑物的几何特征主要表现为建筑物的垂直投影边界和阴影边界，而立面影像呈现建筑物的顶面和底面边界以及高度特征。根据摄影测量的原理，即利用对同一地物、不同拍摄角度且具有一定重叠度的两张影像，可以还原出地物的三维信息。因此，通过对立面影像进行简单的几何缩放操作，使其底边界和遥感影像中建筑物的投影边界重合，就可以实现建筑物高度信息的提取，如图1所示。

图1 相机、建筑物的立面影像和遥感影像的几何关系

在城市三维建模中，由于建模区域内的建筑物的数量非常大，不可能通过拍摄每一幢建筑物的立面影像来提取建筑物高度。在客观世界中，太阳高度角不变的情况下，建筑物的阴影长度和建筑物的高度呈正比例关系，即建筑物的高度越高，其阴影长度越长，如图2所示，在高分辨率遥感影像上，展现的也是一样。因此，可以先采用少量建筑物作为样本数据，结合数学方法求解出阴影长度与建筑物高度的数学模型，再利用阴影长度间接提取建筑物的高度。

图2 建筑物、阴影和太阳高度角的空间关系

2 具体实现

2.1 工作流程

①利用高分辨率遥感影像和建筑物立面影像提取建筑物的高度作为样本数据；②采用最小二乘法解算出阴影和建筑物高度的相关公式；③利用阴影长度反算出建筑物的高度，从而实现获取大批量建筑物高度数据，流程如图3所示。

图3 高度提取工作流程

2.2 数据获取和处理

试验区域选取淮阴师范学院北校区，该区域地形较为平坦，建筑物间距较大且多为平顶，有利于减少地形和建筑物之间的相互影响。一方面，采用Google Map下载器获取高分辨率卫星遥感影像，影像级别参数设定为19级,下载的影像如图4(a)所示。

另一方面，采用Google Earth软件和相机拍摄的方法获取试验区建筑物的立面影像。用相机拍摄时，选取高度较低的建筑物，注意相机尽可能离建筑物具有较远的距离，保持镜头与建筑物平行并对准其立面中心。然后，筛除水平拍摄角度过大的影像，并利用Photoshop软件裁剪掉建筑物边界外多余影像。最后，利用镜头校正工具对图像的水平投影进行适当调整，如图4(b)所示。

图4 试验区域内遥感影像和建筑物立面影像

2.3 建筑物高度的提取

2.3.1 提取建筑物样本高度

先将处理过的建筑物立面影像导入SketchUp，并利用位置工具提取出建筑物所在区域遥感影像。然后，通过平移、比例缩放调整立面影像的底边界，直至与遥感影像中建筑物的投影边界重合。最后，通过测量工具提取建筑物立面边界的高度，可得到建筑物的高度数据，操作如图5所示。

图5 高度提取演示(m)

在此基础上，利用该方法提取出建模区域内其它建筑物的高度数据。为保证提取的速度和条理性，可采用由南向北顺序依次提取，提取结果如图6所示。

图6 高度提取结果(m)

2.3.2 相关公式求解

采用最小二乘法求解建筑物的阴影和高度的数学模型，并选定简单的线性函数模型描述建筑物阴影和高度的函数关系，其算式为

y=a+bx.

(1)

式中：x表示建筑物的阴影长度；y表示建筑物的高度；a，b为待定系数。先利用测量工具提取出建筑物样本的阴影长度数据，然后连同前面提取的建筑物样本高度数据一同合并到Excel工作表中预以存储，数据内容如表1所示。

表1 提取的建筑物样本高度 m

最后，利用MataLab程序求解出相关公式y= 0.859 7 +0.883 1x，拟合出的直线如图7所示。

图7 最小二乘法拟合的直线图

2.3.3 阴影提取建筑物高度

参照建模区域全局影像，逐一选择和提取建模区域内建筑物的遥感影像，并通过测量工具提取阴影长度，最后利用Excel计算出建筑物高度数据。

3 建模案例和测量对比实验分析

利用上面介绍的提取建筑物高度的方法获得的建筑物高度值，结合建筑物测量数据构建建筑物三维模型,结果如图8所示。

图8 构建的建筑物三维模型

此外，为验证本文方法的正确性，利用该方法对城市的典型高层建筑物的高度进行测量,并与网络数值进行对比，如表2所示。

表2 计算值与网络数据值对比

本文方法获取建筑物高度的高度误差主要来自4个方面:①立面影像边界和遥感影像边界的匹配，实现二者重合的判定；②纠正立面影像的投影产生的误差；③最小二乘法求解过程产生的误差；④阴影长度测量本身的误差。可通过以下措施减少误差: ①对遥感影像和建筑物立面影像进行影像边界提取，以提高目视匹配的准确性；②采用专业摄影相机获取建筑物立面影像，其拍摄质量可得到更加充分的保障；③用该方法对同一建筑物的阴影获取高度数据,求其平均值;④建筑物高度的获取精度很大程度上取决于阴影长度的测量, 这要求对遥感影像的阴影进行前处理[12], 使得其边界范围清晰, 易于识别。

4 结 论

建筑物高度提取一直是国内外研究的热点，已开发出多种基于单张遥感影像的建筑物高度提取方法。通过系列实验得出以下结论：

1)利用数码相机拍摄建筑物立面影像，并结合高分辩率卫星遥感影像，通过最小二乘法提取建筑物高度，能够快速提取出建筑物高度，具有操作简单、成本低的特点，可满足城市三维建模大批量建筑物高度数据提取的要求。

2)对于高度较低的建筑物，其阴影重叠的几率很小。随着建筑物高度的增加，遥感影像上相邻建筑物阴影会出现局部重叠的情形，可采用影像增强和边界提取的处理方法，识别出不同建筑阴影的边界信息，再进行高度的提取。

3)相机摄影角度和距离，卫星空间方位和拍摄姿态，建筑物屋顶形状以及地形起伏等因素都会影响获取的建筑物高度的误差和精度，如果前期对遥感影像做校正(如影像正射纠正)，高度提取误差还会进一步减少。

[1]李二森,张保明,郭海涛,等.两种单张航片确定人工地物比高方法的比较[J].测绘科学,2008,33(2): 150-151.

[2]刘艳春, 姜建慧.单影像规则建筑物高度量测方法研究[J].测绘科学,2010,35(5):114-115.

[3]程亮,龚健雅,李满春,等.集成多视航空影像与LiDAR 数据重建3维建筑物模型[J].测绘学报,2009, 38(6):494-501.

[4]刘康,Timo Balz ,廖明生.利用后向散射特性从高分辨率SAR影像中提取建筑物高度[J].武汉大学学报:信息科学版,2012,37(7):806-808.

[5]何国金,陈刚,何晓云,等.利用SPOT 图像阴影提取城市建筑物高度及其分布信息[J].中国图像图形学报,2001,6(5):426-428.

[6]谢军飞,李延明.利用IKONOS 卫星图像阴影提取城市建筑物高度信息[J].国土资源遥感,2004(4):4-6.

[7]田新光,张继贤,张永红.利用QuickBird影像的阴影提取建筑物高度[J].测绘科学,2008,33(2):88-89.

[8]高翔,赵冬玲,张蔚.利用高分辨率遥感影像获取建筑物高度信息方法的分析[J].测绘通报,2008(3):41- 43.

[9]安洁玉,程鹏根,丁斌芬.基于Google Earth二维影像获取建筑物高度的方法[J].地理与地理信息科学,2010, 26(6):31-33.

[10]王京卫,郭秋英,郑国强.基于单张遥感影像的城市建筑物高度提取研究[J].测绘通报,2012(4):15-18.

[11]王媛媛,陈旺,张茂军,等.折反射全向图像与遥感图像配准的建筑物高度提取算法[J].计算机应用, 2011,31(9):2477-2480.

[12]李二森,张保明,邱志斌,等.高分辨率航空影像建筑物垂直边缘线提取技术研究[J].测绘工程, 2010,19(5):15-19.

[责任编辑：张德福]

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，讲师，博士.

P237

：A

：1006-7949(2014)09-0066-04