郭容寰

(上海市測(cè)繪院，上海200063)

一、引 言

城市是地球上人類活動(dòng)最為集中的區(qū)域，是人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、政治等活動(dòng)的中心。隨著城市化的發(fā)展，特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代，我國(guó)城市化進(jìn)程高速發(fā)展，城市發(fā)展和變化日新月異。如何及時(shí)掌握和發(fā)現(xiàn)城市的變遷和土地利用現(xiàn)狀變化，控制城市土地和房產(chǎn)有效利用和合理開發(fā)，控制產(chǎn)業(yè)合理發(fā)展，是各級(jí)城市規(guī)劃、國(guó)土管理等政府部門和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)十分關(guān)心的問題。

自遙感技術(shù)發(fā)展以來，人們一直在研究利用遙感信息發(fā)現(xiàn)和研究地球表面的變化。遙感已經(jīng)大量應(yīng)用于軍事偵察、城市發(fā)展和變遷、農(nóng)業(yè)病蟲害防治和估產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)、土地測(cè)繪等領(lǐng)域，但是傳統(tǒng)的利用遙感信息進(jìn)行變化檢測(cè)的手段主要采用人工肉眼對(duì)比方式。近年來在影像自動(dòng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)變化方面也有許多研究成果，但這種方式存在效率低、強(qiáng)度大、誤差大、漏檢率高等問題[1]。隨著航測(cè)、遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，利用不同時(shí)期的遙感影像生成的正射影像數(shù)據(jù)(digital orthophoto map，DOM)和包含城市建(構(gòu))筑物、植被的數(shù)字表面模型(digital surfacemodel，DSM)采用相應(yīng)對(duì)比和發(fā)現(xiàn)變化的計(jì)算機(jī)軟件能夠大大提高變化檢測(cè)的效率和質(zhì)量。DOM已經(jīng)是一種成熟的產(chǎn)品，本文著重從DSM的獲取、DOM和DSM的應(yīng)用加以研究。

二、DSM獲取

目前采用遙感方法獲取城市高分辨率DSM有兩種途徑，一種是基于數(shù)碼航測(cè)手段，通過數(shù)碼航攝、定向建模，生成核線影像，生成DSM;另一種是通過激光雷達(dá)(light detection and ranging，LiDAR)手段，LiDAR直接獲取三維激光點(diǎn)云，經(jīng)過濾波和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換就形成了DSM[2]。

1．基于數(shù)碼航測(cè)手段

目前專業(yè)數(shù)碼航空攝影儀主要有美國(guó)Z/I公司的DMC、奧地利 Vexcel公司的 UCD、瑞士 Leica的ADS40/80、國(guó)產(chǎn)的JXDC等。航空攝影獲得航攝影像后，可利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站如VirtuoZo、SSK、MapMatrix，或遙感影像自動(dòng)化處理系統(tǒng)如DpGrid、像素工廠(Pixel Factory)、Realscape等?；跀?shù)碼航測(cè)手段的DSM生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 基于數(shù)碼航測(cè)手段的DSM生產(chǎn)流程

基于數(shù)碼航測(cè)手段在獲得數(shù)碼影像后利用攝影測(cè)量工作站或遙感影像自動(dòng)化處理系統(tǒng)，并依靠圖像處理和特征匹配來獲取城市三維信息。通過定向、建模，生成核線影像，核線影像經(jīng)自動(dòng)和密集匹配后，得到粗略的數(shù)字表面模型。城市DSM有其自身的特點(diǎn)，城市的建設(shè)和發(fā)展，大量建(構(gòu))筑物的建造，造成城市的地形地貌相比其他地區(qū)較為破碎，通常建(構(gòu))筑物的光滑表面和水面會(huì)干擾自動(dòng)密集匹配成果，形成噪聲，所以，自動(dòng)影像匹配所形成的粗略DSM還需利用各種現(xiàn)有的基礎(chǔ)地理信息，或在立體觀測(cè)條件下，對(duì)噪聲進(jìn)行壓制和處理，使其正確反映城市地表的地形地貌特征。

2．基于機(jī)載LiDAR手段

機(jī)載LiDAR技術(shù)是一項(xiàng)自動(dòng)化生成數(shù)字地形模型和數(shù)字表面模型的新技術(shù)。機(jī)載LiDAR已經(jīng)成為提取空間高精度三維信息的有效手段。該技術(shù)具有高效率、高精度、全天候、低成本、信息豐富等特點(diǎn)，可以快速地生成高精度的DSM。目前國(guó)內(nèi)擁有的機(jī)載LiDAR設(shè)備主要有徠卡公司的ALS50I/II、LiteMapper5600和 Optech公司的 ALTM3100/Gemini等。它融合了激光掃描儀、IMU慣性測(cè)量單元、差分GPS、攝影儀以及航飛控制與管理系統(tǒng)等多種設(shè)備和技術(shù)。

獲取原始激光掃描數(shù)據(jù)后，經(jīng)過初級(jí)處理，將機(jī)載GPS數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集區(qū)域的GPS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)、IMU慣性測(cè)量數(shù)據(jù)等，對(duì)激光掃描獲取的掃描儀中心到地面反射點(diǎn)的距離進(jìn)行坐標(biāo)反算，求得地面反射點(diǎn)坐標(biāo)，形成地面點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)云。地面點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理，去除明顯的噪聲點(diǎn);航帶點(diǎn)云拼接，形成測(cè)區(qū)點(diǎn)云;重采樣，形成粗略城市DSM[3]?；跈C(jī)載LiDAR手段的DSM生產(chǎn)流程如圖2所示，所獲得的DSM如圖3所示。

圖2 基于機(jī)載LiDAR手段的DSM生產(chǎn)流程

圖3 DSM圖像

機(jī)載LiDAR設(shè)備配備有航空攝影儀，其所獲得的航空影像同樣可以用攝影測(cè)量工作站或遙感影像自動(dòng)化處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并獲取正射影像，不過機(jī)載LiDAR配備的攝影儀其成像質(zhì)量與專業(yè)數(shù)碼航攝儀質(zhì)量大相徑庭。

3．DSM獲取方法比較

數(shù)碼航測(cè)和機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)盡管都能經(jīng)過處理，獲得DSM數(shù)據(jù)，但在DSM數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)處理周期和成本等方面存在很大差異。

1)LiDAR是一種主動(dòng)式遙感，機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取在不考慮影像數(shù)據(jù)的情況下，可全天候采集，不受氣候和晝夜的影響;機(jī)載 LiDAR獲取的DSM其精度高、噪聲小，能夠獲得較高精度的DSM數(shù)據(jù)。數(shù)碼航測(cè)是一種被動(dòng)式遙感，航攝受氣候、季節(jié)和晝夜的影響因素較大，其精度相比機(jī)載Li-DAR獲取的精度要低，水面和光滑平坦的地物面等都會(huì)對(duì)航測(cè)手段獲取的DSM帶來噪聲。

2)由于LiDAR數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)單，經(jīng)過簡(jiǎn)單的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、航線數(shù)據(jù)拼接和濾噪處理就能獲得DSM數(shù)據(jù);航測(cè)獲取數(shù)據(jù)后需要經(jīng)過空三處理、影像的密集匹配、噪聲過濾和DSM模型拼接等處理過程。相比航測(cè)數(shù)據(jù)處理過程，機(jī)載LiDAR的數(shù)據(jù)處理的周期更短。

3)遙感影像，包括航測(cè)影像目前仍然是基礎(chǔ)地理信息的主要內(nèi)容之一，相比機(jī)載LiDAR獲取的數(shù)據(jù)，航測(cè)獲取的遙感影像應(yīng)用矢量數(shù)據(jù)的采集、城市三維模型數(shù)據(jù)的采集、生產(chǎn)正射影像圖等，其直接和間接的產(chǎn)品有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。就目前來說，航測(cè)方法相比機(jī)載LiDAR方法具有更好的投入產(chǎn)出比。

三、DOM和DSM的變化檢測(cè)應(yīng)用

城市的快速發(fā)展使得城市的變化日新月異，城市規(guī)劃、建設(shè)和管理亟需一種科學(xué)的，發(fā)現(xiàn)城市變化的手段，利用不同時(shí)期的航空影像生成DOM和DSM，定期檢測(cè)變化，指導(dǎo)城市規(guī)劃、建設(shè)和管理。圖4為相同區(qū)域、不同時(shí)段的兩個(gè)DSM的對(duì)比，從中可以發(fā)現(xiàn)變化情況。

圖4 相同區(qū)域、不同時(shí)段的DSM的對(duì)比

1．變化檢測(cè)的數(shù)據(jù)獲取

遙感影像加工處理，生成兩個(gè)不同時(shí)段的DOM和DSM模型，根據(jù)兩個(gè)DSM模型的高度差和DOM的色差可以發(fā)現(xiàn)的變化區(qū)域。從遙感影像到DSM數(shù)據(jù)處理過程中都存在一定誤差，但人工建(構(gòu))筑物至少在3m以上，可以通過設(shè)置一定的高差閾值和面積閾值濾除誤差、噪音以及應(yīng)用所不關(guān)心的微小變化。在差值DSM上對(duì)其進(jìn)行二值化提取，邊緣跟蹤等基本的圖像處理手段，可以獲取在差值DSM上的待選變化區(qū)域[1]，也就是高度發(fā)生變化的區(qū)域;在賦予DOM色彩的DSM上，在限定DSM差值范圍內(nèi)，同樣可以根據(jù)色差提取變化區(qū)域，通過設(shè)定的色差閾值濾除兩次攝影太陽(yáng)高度角和季節(jié)不同帶來的色差，通過邊緣跟蹤等基本圖像處理手段獲取待選變化區(qū)域。

用于實(shí)現(xiàn)變化檢測(cè)的DOM和DSM對(duì)原始遙感數(shù)據(jù)具有最基本的要求：一是新老數(shù)據(jù)應(yīng)具有相近的攝影比例尺和相同的攝影儀，非相近攝影比例尺范圍的DSM無(wú)法進(jìn)行有效比較;二是不同時(shí)期攝影的像主點(diǎn)應(yīng)較為接近，較為接近的遙感數(shù)據(jù)能夠獲取兩個(gè)具有相一致的攝影死角的遙感數(shù)據(jù)，獲得相接近的DOM和DSM，除非采用了高重疊度的遙感數(shù)據(jù)獲取策略，獲得真正射影像(true digital orthophotomap，TDOM)和全像素DSM，避開了攝影死角帶來的模型不一致的問題。這些最基本要求目前還只是定性分析，還需進(jìn)一步理論分析和試驗(yàn)證明。

2．變化檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

變化檢測(cè)區(qū)域既有人工建(構(gòu))筑物的變化，如樓房、道路等，亦有地貌的變化，如河道、灘涂和植被等。既有高度變化，亦有色彩變化，所以應(yīng)區(qū)分處理。對(duì)于人工建(構(gòu))筑物等多為規(guī)則幾何形狀，反映在某一投影面上是直線的，可采用經(jīng)典的Hough變換提取新、老DSM模型中的直線特征，并以匹配算法對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行匹配檢測(cè)，也可采用灰度匹配的檢測(cè)方法或基于梯度方向直方圖的檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)變化檢測(cè)。圖5為以DOM為背景并套合了變化檢測(cè)結(jié)果的系統(tǒng)界面。其中左面是新的DOM并套合了檢測(cè)新增地物;右面是老的DOM并套合了檢測(cè)拆除地物。從變化檢測(cè)結(jié)果中可以一目了然地找到新增的建筑物、輕軌線路和車站、拆除的村莊和經(jīng)過改道的河流等。

3．變化檢測(cè)成果的應(yīng)用

利用DSM和DOM進(jìn)行變化檢測(cè)可以應(yīng)用于城市規(guī)劃，以發(fā)現(xiàn)城市的變遷、發(fā)展態(tài)勢(shì)和城市土地利用變化情況;應(yīng)用于國(guó)土和水利管理，調(diào)查土地使用和變化情況、灘涂和河道變化情況，發(fā)現(xiàn)并定量分析違法土地使用;應(yīng)用于房產(chǎn)管理，可以調(diào)查建筑物的新建、拆除、改建情況，發(fā)現(xiàn)并定量分析違章建筑情況;應(yīng)用于城市綠化管理，可以分析植被生長(zhǎng)情況;應(yīng)用于測(cè)繪，可以發(fā)現(xiàn)城市大面積變化情況，指導(dǎo)有目的的測(cè)繪更新。

圖5 變化檢測(cè)結(jié)果的系統(tǒng)界面

利用DSM和DOM進(jìn)行變化檢測(cè)應(yīng)用的領(lǐng)域是十分廣泛的，如何充分應(yīng)用這一信息資源值得作進(jìn)一步深入的調(diào)查研究和分析，作為重要的基礎(chǔ)地理信息資源，可以將DOM和DSM成果部署在地理信息公共服務(wù)平臺(tái)，通過平臺(tái)的影響力并結(jié)合城市規(guī)劃、建設(shè)和管理各行業(yè)的專業(yè)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用的領(lǐng)域，拓展成果的應(yīng)用。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文論述了利用DOM、DSM進(jìn)行變化檢測(cè)，獲取DOM、DSM的方法，進(jìn)行變化檢測(cè)的基本原理和應(yīng)用領(lǐng)域。DSM既開拓了遙感影像生成的產(chǎn)品種類，也為利用遙感信息資源進(jìn)行變化檢測(cè)，進(jìn)一步拓展該信息資源的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用深度探索了新途徑，較以往利用遙感信息資源變化檢測(cè)手段，更能夠充分挖掘遙感信息資源的利用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理和發(fā)現(xiàn)變化。

[1]劉直芳，張繼平，張劍清，等，基于DSM和影像特征的城市變化檢測(cè)[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2002，17(5)：240-244．

[2]穆里娜，李發(fā)紅．城市DSM的獲取技術(shù)與應(yīng)用[J]．陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，36(專輯)：117-131．

[3]汪承義，趙忠明．基于LIDAR數(shù)據(jù)的城市數(shù)字表面模型生成技術(shù)[J]．計(jì)算機(jī)工程，2008(1)：59-63．