基于高分辨率立体影像的建筑区检测研究

彭飞飞

1.华中师范大学城市与环境科学学院，湖北 武汉 430079； 2.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，湖北 武汉 430079



基于高分辨率立体影像的建筑区检测研究

彭飞飞1，2

1.华中师范大学城市与环境科学学院，湖北 武汉 430079； 2.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，湖北 武汉 430079

建筑区检测是城市遥感领域的一项重要课题，高精度的建筑区信息具有重要的应用价值。在高分辨率影像中，同物异谱与异物同谱现象导致光谱、纹理、形状等平面特征对不同类地物的区分性降低，进而也降低了建筑区与非建筑区之间的区分性。建筑区的建筑物等地物通常高于周围地表，而高度信息有利于提高不同类地物之间的区分性，因而高度信息有利于提高建筑区与非建筑区之间的区分性。结合高度与平面信息进行建筑区的联合检测，能提高建筑区检测精度。

兼具平面与高度信息的高分辨率立体影像可作为建筑区检测的数据源。众多高分辨率卫星具备立体观测能力，例如WorldView-1/2/3，Pleiades-HR，ALOS-PRISM以及我国的资源三号、天绘一号卫星，它们采集了大量卫星立体影像。而且，许多大中城市每年都进行航空摄影测量，获取了大量航空立体影像。从这些高分辨率卫星和航空立体影像可以提取平面与高度信息，并联合用于建筑区检测，得到高精度的建筑区结果。与此同时，高分辨率立体影像具有一些复杂特点(例如目标几何形变、投影差、双/多视角等)，它们给建筑区检测带来的影响也必须得以解决。论文的主要研究内容如下：

(1) 提出了一种新的地形表达因子——立体像对视差指数(SPDI)。与基于数字高程模型(DEM)计算的传统的地形因子不同，SPDI基于高分辨率立体影像匹配得到的视差计算而得。SPDI描述了地物和地表的视差高度变化剧烈程度，度量地表形态与地物空间分布。对于立体像对匹配的视差图，基于一系列的偏移向量计算视差之差并检测出兴趣直线段，然后考虑兴趣直线段的长度与边缘视差突变值计算视差梯度指数，最后进行综合生成SPDI图。文中选取了3个有代表性的研究区的高分辨率立体影像作为试验数据，试验结果表明：SPDI指数能较好地反映建筑物等地物的空间分布情况。SPDI可用于建筑物与树木检测、以及建筑区检测，并可与其他的纹理、形状、光谱等平面特征结合使用。

(2) 提出了基于SPDI高度特征的立体像对建筑区检测方法。该方法并不需要进行耗时耗力的数字表面模型(DSM)建模以及建筑物三维重建。该方法有效地解决了立体影像的复杂特点对建筑区检测带来的主要影响：SPDI基于视差之差计算而得，不受目标几何形变的影响；利用视差图包含的同名点进行前方交会，消除投影差对建筑区几何坐标不准确的影响；利用视差图包含的同名点对齐并统一从不同观测视角影像分别检测得到的建筑区，最终得到一致的结果。利用该方法能得到可套合于原始的斜视立体影像的建筑区，也能得到可用于GIS的建筑区。选取了3个有代表性的研究区的高分辨率立体影像作为试验数据，试验结果表明：该方法对于纹理单一的、高大建筑物聚集的建筑区具有较好地适用性，而且比垂直投影下的基于归一化数字表面模型高度特征的建筑区检测方法的精度更高。

(3) 提出了融合高度与平面特征的立体影像建筑区检测方法。该方法可以充分利用从立体影像自身或由它生成的DSM/DEM提取的高度特征信息，以及从立体影像自身或由它生成的正射影像提取的平面特征(例如光谱、纹理、形状等)信息，利用互补信息进行联合检测，提高建筑区检测精度。同样选取了3个有代表性的研究区的高分辨率立体影像和多光谱影像作为试验数据，进行了13组建筑区检测对比实验，试验结果表明：与单独利用高度或平面特征的方法相比，结合高度与平面特征的方法能取得更高的检测精度。基于高度特征的建筑区检测精度与研究区的建筑物大小与高度、以及立体影像的空间分辨率等有关。基于平面特征的建筑区检测精度与立体影像的观测倾角等有关，更适合应用于垂直投影下的方法。光谱特征对建筑区检测精度的提高幅度与研究区的植被分布情况有关。

Author：PENG Feifei (1986—), male, received his doctoral degree from Wuhan University on June 2016, majors in stereo image processing.

E-mail：feifpeng@mail.ccnu.edu.cn

Built-up Area Detection from High-resolution Stereo Imagery

PENG Feifei1，2

1.College of Urban and Environment Science, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; 2.Key Laboratory for Geographical Process Analysis & Simulation of Hubei Province, Central China Normal University, Wuhan 430079, China

彭飞飞.基于高分辨率立体影像的建筑区检测研究[J].测绘学报，2017,46(3)：401.

10.11947/j.AGCS.2017.20160508.

PENG Feifei.Built-up Area Detection from High-resolution Stereo Imagery[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(3):401.DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160580.

P237.5

D

1001-1595(2017)03-0401-01

国家973项目(2012CB719906)；测绘遥感信息工程国家重点实验室开放基金项目(16E03)；华中师范大学中央高校基本科研业务费项目(CCNU16A05048)

2016-11-15

彭飞飞(1986—)，男，2016年6月毕业于武汉大学，获工学博士学位(指导教师：龚健雅教授、王乐教授)，研究方向为立体影像处理。