实现大范围提取建筑高度的方法

,2，陈建平1,2，田毅1,21中国地质大学（北京），北京（100083）2北京市国土资源信息开发研究重点实验室，北京（100083）E-mail：[e-mail]摘要：本文基于少量立体像对和大量的单张航片及相应地区的数字地形图，利用ERDAS软件的各个模块和有效的建筑归类方法，对城市建筑高度进行了大范围内的提取。实践证明此方法工作量小，流程简单，并具有一定的应用领域，对于计算城市建筑容积率，土地利用类型，三维重建等都有一定的帮助。关键词：航片，ERDAS，建筑归类，建筑高度中图分类号：P231.51.引言迅速发展的数字摄影测量技术日趋成熟，结合其它相关学科，已成为空间地理信息获取的重要途径。利用航片自动、快速地绘制出体现城市功能的某些特殊信息，如建筑模式结构、高低、分布密度和土地使用的其他类型等已成为可能。，以此来进行城市功能分区，分析、评价城市的社会经济特征等方面的发展状况，为城市未来发展提供了必要的依据。由于航空遥感影像一个重要特点是具有很高的分辨率，并且由于是从空中俯视地面，因此可以得到没有遮挡的地面建筑物影像，这特别有利于对建筑物的轮廓进行整体识别和提取，本文利用ERDAS软件的全数字摄影测量系统（LPS）、虚拟现实系统(VirtualGIS)和立体分析系统（StereoAnalyst）等模块和适当的建筑物归类方法，实现了快速和大范围建筑高度的提取，从而为进一步对建筑容积率的计算，利用类型的判定，提供了坚实的基础。2.资料来源2.1影像资料以中国地质大学（北京）及其周围地区为研究区。选取包含该地区的一个立体像对和海淀区范围内所有分辨率为0.2m的单张航空影像，以及该地区1∶2000的数字地形图。2.2实际调查资料与分析根据所选取的研究区范围，我们对区域内的建筑物进行了高度的实测，用来对此方法的精度进行分析。研究区内的建筑物类型比较齐全，这对我们进行建筑物归类，大范围提取建筑高度提供了依据。由于我们所采用的航空影像分辨率为0.2m，对影像建筑物的目视解译的精度非常高，但是由于目视解译的速度比较慢，在实际工作中不能够满足要求。所以我们必须寻求利用计算机及软件自动或半自动解译的方法。3.建筑物高度提取的一般方法[1]从航片上确定建筑物高度的方法多种多样，通常使用的是直接法、投影法、阴影法等。1本课题得到北京市地下空间资源潜力评价技术研究（项目类别：科研基地建设，项目编号：JD104910556）项目的资助。-1-，直接数垂直方向窗口数来确定楼层数，不必量测其高度。它具有快速、简便的特征，但精度直接受建筑物移位幅度或其距像主点距离影响。3.2投影法此法基于量测建筑物在航片上的投影差δh及其距像主点的距离r，按以下公式来计算：h=δh*H/r式中:H为所用像片的航高。3.3阴影法航片上的阴影有本影与落影之分，阴影法利用建筑物的落影长度L及成像时的太阳高度角θ来计算建筑物高度h。其公式为:h=L*tgθ*M式中:M为所用航片的比例尺分母。3.4一般方法的缺陷直接法往往低估实际楼层数一、两层，这些楼层都是底层。它们在量测时被忽视，主要有两个原因:第一，底层楼一般被临近楼房的物体(如花木)所环抱，在航片上其影像不清晰。第二，很多楼房的底层与其上楼层的用途不尽相同，它(们)没有类似其上楼层的窗口特征，引起在量测时被忽视。后两种方法依靠量测地物在像片上的阴影/投影来确定高度。阴影长度随地形起伏以及太阳高度角而变，在不平坦地带，地形起伏造成同样高度的建筑物阴影不等长，降低量测精度。4.利用ERDAS软件大规模提取建筑高度4.1由立体像对自动生成DEM[2]通过ERDAS软件的LPS数字摄影测量系统，先进行立体像对的正射校正，包括摄影像机几何类型的确定，输入量测地面点和检查点，这样该系统将自动量测图像的同名点，执行航空三角测量，进行正射影像校正处理。接着对影像进行进一步的处理，即自动提取DEM数字高程模型。-2-（StereoAnalyst）中，进行DEM数据和立体像对影像数据的叠加，这样就可以区分出建筑物和地面，而且还可以得出各建筑物的大致高度。如下图即为原始影像数据和进行叠加后的影像数据，可以明显看出其区别。图2影像数据叠加前后对比利用海淀区1∶2000的数字地形图和高分辨率的航空影像，对建筑物进行归类，考虑到北京特有的地理，经济和历史文化背景，在同一年代的建筑（特别是家属区），一般层数和结构都相同且相对集中。把海淀区的建筑物类型与研究区内的建筑物进行归类，这样就大大减少了逐个提取建筑物的工作量。另外，由于北京地区的地势较平坦，这对于我们选取几个有代表性（建筑类型比较齐全的）的区域，用研究区的数据来估算其周围地区的建筑高度提供了很大的方便。从而有利于我们进行大范围内建筑物高度的提取。本文中只采用一个研究区及其周围地区作试验性的研究。-3-〉15层1高层建筑14-10层2家属楼17-8层42家属楼23-4层60教学（办公）楼17-8层4教学（办公）楼24-5层21平房1层40临时建筑清除已清除其他不定具体情况而定说明：由于我们研究区的地理位置和建筑背景，我们对已经提取的180栋建筑物作了如上分类，然后对研究区附近的建筑，按照此标准进行归类。而不同研究区它们的归类表要根据研究区的具体情况而定。[4]4.3建筑物高度和面积的高精度提取在研究区内，利用ERDAS软件的立体分析模块（StereoAnalyst）对其建筑物高度进行提取，同时可以计算面积，这样对于计算建筑的容积率等，提供了很大的方便。图3建筑物的提取图4多个建筑物的高度和面积提取结果-4-（VirtualGIS），进行三维景观的虚拟，并且可以制定相应路线进行三维飞行。5.精度评定及结论5.1精度评定在前面已经提到了，我们对于研究区范围内的建筑进行了实测，用实测数据来判定此方法的精度。以下是我们对于17栋建筑物的实测数据与提取数据的进行的精度对比，其精度对于计算建筑的容积率，利用密度等都能满足要求。表2精度对比表编号实测高度（m)提取高度(m)误差（m）19.739.590.1429.669.780.12334.5734.330.24434.7434.390.35534.5734.710.1469.819.480.33710.2110.30.09817.517.230.27913.6213.270.351013.9114.120.211125.4725.210.261221.1421.560.421314.9414.540.41412.9112.450.461517.1817.460.281612.912.750.15173.423.370.055.2结论与讨论本文利用研究区的小范围的立体像对，大范围的高分辨率单航片和1∶2000的数字地形图，进行大范围建筑物高度的提取，我们同时考虑到了北京特有的地理，经济和历史文化背景，对建筑进行了归类。此方法原理简单，快捷、精度较好、也非常实用。所获得的数据，对于进一步计算城市容积率和土地利用类型等，都有很大的帮助。但是此方法需要研究区的地形较平坦，这样才能够满足一定的精度要求，所以对于这方面的研究仍需要我们进一步的努力。对于城市遥感研究者来说，人们总希望能最大限度地从遥感图像中获取包括城市基础设施、建筑类别等在内的各种信息，以间接了解某一城市的社会经济特性，从而为城市的建设规划提供可靠资料，以促进资源、人口与环境的可持续发展。-5-[1]陈鹰.遥感影像的数字摄影测量[M].上海：同济大学出版社，2003.[2]党安荣，王晓栋，陈晓峰等.ERDASIMAGINE遥感图像处理方法[M].北京：清华大学出版社,2005.[3]宋晓勇，单新建.用高分辨率卫星影像辨识城市建筑物[J].新疆大学学报（自然科学版），2002，5，Vol.19，Supp[4]何金国，陈刚，何晓云，等.利用SPOT图像阴影提取城市建筑物高度以及分布信息[J].中国图形图像学报，2001，6（A）：425-428[5]张祖勋，张剑清，张力.一种利用影像匹配城区三维景观图的生成途径[J].武汉测绘科技大学学报，1999，Vol.24，No.4TheMethodofExtractingHeightofBuildingInALargeScopeNiuLin,ChenJianping,TianYiDepartmentofGlobalScienceandResource,CUGB(100083)BeijingKeyLaboratoryofResearchandExplorationInformationofLandResources(100083)AbstractInthispaper，itutilizesafewofstereoimages，alotofasingleaerialimagesandthedigitaltopographicmapofthecorrespondingregions.WeextracttheheightofbuildinginthelargescopebyERDASandtheeffectivebuildingclassification.Experimentsprovedthatthismethodislittleofworkandeasyforprocessing，itcanbeutilizedinmanyfields.Anditisusefultocomputetheurbanbuilt-upvolumeratio，thelandusetype，the3Dreconstructionandsoon.Keywords:aerialimage;ERDAS;buildingclassification;theheightofbuilding-6-