祝子惠，王曉光，吳 振，崔亮亮,王澤強(qiáng)

(1.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021；2.濟(jì)南中安數(shù)碼科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000；3.棗莊學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，山東 棗莊 277160)

1 引言

土地是稀缺性資源,隨著城市化迅速發(fā)展,城市建設(shè)用地漸趨向飽和,城區(qū)建筑物呈現(xiàn)縱向發(fā)展趨勢(shì)。城市建筑的密度和高度不斷增加，縱向開(kāi)發(fā)已成為各城市深入城市建設(shè)的一致選擇。當(dāng)前，我國(guó)已進(jìn)入城鎮(zhèn)化深入發(fā)展關(guān)鍵時(shí)期，城市空間形態(tài)格局的優(yōu)化成為完善城市功能、推進(jìn)智慧城市建設(shè)、實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

城市建筑物的高度增加為功能區(qū)優(yōu)化和人口容納量提升奠定了基礎(chǔ)，而城市建筑高度的擴(kuò)張也影響著城市景觀(guān)生態(tài)格局。錢(qián)瑤等[1]認(rèn)為建筑的高度實(shí)質(zhì)上影響到了區(qū)域熱力循環(huán)，進(jìn)而決定了城市的熱場(chǎng)效應(yīng)。趙強(qiáng)等[2]通過(guò)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演得到建筑物的高度信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目工程的建設(shè)過(guò)程監(jiān)督。赫曉慧等[3]突出了建筑物高度信息在城鄉(xiāng)規(guī)劃工作中的重要作用，進(jìn)一步采用了高分辨率衛(wèi)星影像的陰影檢測(cè)方法估算得到建筑物的高度信息，相對(duì)于傳統(tǒng)的野外全站儀測(cè)定和無(wú)人機(jī)影像等方法，具有時(shí)間快和費(fèi)用省等特點(diǎn)。隨著國(guó)內(nèi)外遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間分辨率、重訪(fǎng)周期和光譜細(xì)節(jié)均有進(jìn)一步的提升。孟令奎等[4]、李哲等[5]、孫彥花等[6]、吳煒等[7]和彭遠(yuǎn)新等[8]通過(guò)分析提取遙感影像的陰影特征，進(jìn)一步建立建筑物、陰影、太陽(yáng)高度角和衛(wèi)星之間數(shù)學(xué)模型關(guān)系，估算得到建筑物的高度信息。本研究將以國(guó)產(chǎn)GF-2影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)影像數(shù)據(jù)融合，提升遙感影像的空間分辨率和細(xì)節(jié)特征表現(xiàn)能力，接下來(lái)將提取得到的建筑物陰影部分求算長(zhǎng)度，最后根據(jù)建筑物、太陽(yáng)高度角和衛(wèi)星之間的幾何定量數(shù)學(xué)關(guān)系估算建筑物的高度信息。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

濰坊市位于山東中部地區(qū)，地理坐標(biāo)介于35°32′ N～37°26′ N和118°10′ E～120°01′E。南部接近泰沂山脈，北部渤海萊州灣相接，東部在膠東半島城市煙臺(tái)和青島，西部與工業(yè)城市東營(yíng)、淄博兩市相鄰，地理位置重要，交通便利，膠濟(jì)鐵路以東西方向穿過(guò)境內(nèi)。面積廣闊，總面積約為16140 km2，占山東省總面積的10%左右。地貌類(lèi)型上自北向南，逐步升高，可以劃分為低地、平原和低山丘陵。在北部濱海區(qū)域以淡咸水為界，地質(zhì)類(lèi)型由海相沉積物和河流沖積物疊次覆蓋而成，地勢(shì)較為低平，海拔在7 m以下。氣候類(lèi)型則以暖溫帶季風(fēng)型半濕潤(rùn)大陸性氣候?yàn)橹?，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，四季分明?/p>

2.2 高分影像

高分二號(hào)(GF-2)衛(wèi)星于2014年8月9日發(fā)射，是我國(guó)第一顆高空間分辨率(優(yōu)于1 m)的高空衛(wèi)星，其地面定位的精度和機(jī)動(dòng)能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)[9]。衛(wèi)星下發(fā)的高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)，為我國(guó)的自然資源管理、城鄉(xiāng)規(guī)劃和農(nóng)林生產(chǎn)提供重要的參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。表1為濰坊市中心城區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)的行列號(hào)、獲取時(shí)間和云量相關(guān)信息。

2.3 數(shù)據(jù)處理

基于高分二號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，選取濰坊市中心城區(qū)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。首先對(duì)該區(qū)域衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列圖像預(yù)處理操作，主要包括圖像正射校正和圖像融合增強(qiáng)并將融合后的影像用于后期面向?qū)ο蟮慕ㄖ锘幼R(shí)別、單體提取、陰影信息提取以及建筑物高度反演，并對(duì)識(shí)別提取的結(jié)果進(jìn)行可行性驗(yàn)證以及精度性評(píng)價(jià)[10]。

表1 GF-2影像遙感數(shù)據(jù)信息

2.3.1 正射校正

衛(wèi)星傳感器在獲取地物目標(biāo)信息的過(guò)程中，受到地物結(jié)構(gòu)組合特點(diǎn)、太陽(yáng)高度角方位、衛(wèi)星姿態(tài)等多方面影響。會(huì)導(dǎo)致真實(shí)地物的組合、大小、尺度和方向與影像上所獲取的地物信息不一致，稱(chēng)之為幾何變形[11]。這些幾何變形在進(jìn)行建筑物高度的遙感反演中是致命的，會(huì)導(dǎo)致單體基坑和陰影信息的識(shí)別錯(cuò)誤，進(jìn)而影響到估算結(jié)果。所以需要選擇正射校正的方法消除這些成像過(guò)程中產(chǎn)生的畸變。盡管產(chǎn)生畸變的原因較多，但是變形的表現(xiàn)卻類(lèi)似。同樣的遙感圖像的正射校正模型較多，本文選取較為通用的多項(xiàng)式校正模型[9]。多項(xiàng)式校正主要是通過(guò)布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)和驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行近似擬合校正。多項(xiàng)式的階數(shù)決定控制點(diǎn)數(shù)量的多少，控制點(diǎn)的數(shù)量表達(dá)公式如下：

(1)

式(1)中，N和t分別為控制點(diǎn)的數(shù)量和平方數(shù)。衛(wèi)星影像上的坐標(biāo)系為全球通用坐標(biāo)系，在實(shí)際使用中還需要進(jìn)行國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。在此步驟完成后，在研究區(qū)內(nèi)選取一定數(shù)量的控制點(diǎn)，采用基于最小二乘法方式擬合出多項(xiàng)式方程，并進(jìn)行系數(shù)求算，校正結(jié)果如圖2所示。

圖2 正射校正后圖像

2.3.2 圖像融合

衛(wèi)星圖像融合將具有互補(bǔ)特性的不同空間分辨率和光譜分辨率的圖像按照一定的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行計(jì)算，得到信息量更加豐富和具有鮮明特性的綜合影像信息數(shù)據(jù)。圖像融合過(guò)程既增加了光譜特性，同時(shí)保持了圖像的空間分辨率，提升了高分影像的信息量和應(yīng)用能力。研究中進(jìn)行的圖像融合主要是將具有4m空間分辨率的多光譜波段影像和具有0.8 m空間分辨率的全色影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)變換融合，以提高圖像的信息量和可用度，進(jìn)一步為提高濰坊城市建筑物三維格局模型的精度奠定基礎(chǔ)。融合過(guò)程具體由ENVI 5.3.1軟件實(shí)現(xiàn)，融合結(jié)果如圖3所示。

圖3 融合后的圖像

2.3.3 建筑物基坑提取

建筑物建筑開(kāi)發(fā)時(shí)在向地下開(kāi)挖的空間，用以達(dá)到居民使用和安全需求的空間稱(chēng)為基坑。本研究基于GF-2影像數(shù)據(jù)進(jìn)行基坑的提取與識(shí)別。利用GF-2衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，通過(guò)選取樣本監(jiān)督訓(xùn)練式數(shù)據(jù)處理，綜合考慮建筑基坑的形狀和光譜特性進(jìn)行基坑的提取，利用遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查更新，確保最終的基坑數(shù)據(jù)符合濰坊市中心城區(qū)各建筑面狀房屋的實(shí)際情況[12]。

2.3.4 建筑物高度反演

基于高分影像反演建筑物高度H，主要是通過(guò)建立陰影長(zhǎng)度L和太陽(yáng)高度角和衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)信息的函數(shù)關(guān)系，在測(cè)得建筑物的實(shí)際高度后，反演推算得到建筑的高度值[13]。

在完成對(duì)建筑物在影像上的陰影提取之后，利用平行法確定陰影長(zhǎng)度，進(jìn)一步分析建筑物陰影的平均長(zhǎng)度，乘以影像的空間分辨率(像元數(shù)量)，在得到陰影的長(zhǎng)度后，還需要獲取太陽(yáng)高角度，繼而完成建筑物高度的反演。公式如下：

(2)

(3)

式(2)、(3)中，太陽(yáng)高度角為θ，建筑物在太陽(yáng)光方向下的陰影長(zhǎng)度為L(zhǎng)，I和J分別為在影像上的行和列方向上的像元數(shù)，K表示像元的邊長(zhǎng)，即空間分辨率(1 m)。在實(shí)際反演計(jì)算中，建筑物的陰影通常不是理想狀態(tài)下的矩形形狀，形狀差異較大，多為邊緣不規(guī)則的多邊形，所以若均按照矩形計(jì)算，會(huì)產(chǎn)生較大誤差，且也無(wú)法推廣使用。太陽(yáng)光入射方向與建筑物陰影存在多條相交平行線(xiàn)，提取出一定數(shù)量相交平行線(xiàn)，并對(duì)這些線(xiàn)段進(jìn)行平均計(jì)算，即可得到陰影的平均長(zhǎng)度。在計(jì)算過(guò)程中，在Matlab中，首先根據(jù)太陽(yáng)方位角度，按照0.1 m的寬度在整幅影像上生成平行線(xiàn)，接下來(lái)使平行線(xiàn)與陰影進(jìn)行相交運(yùn)算，得到的相交線(xiàn)段取平均值，即為陰影長(zhǎng)度。需要注意的是，生成的建筑物的陰影部分可能會(huì)相連，此時(shí)需要設(shè)定閾值將連接的陰影取平均以分開(kāi)，提高反演估算的精度。本方法在實(shí)際使用中，較適合平原丘陵地區(qū)，較適合濰坊市區(qū)的地形特性，精度和穩(wěn)定度較高。

3 結(jié)果與討論

3.1 建筑物基坑提取

基于GF-2遙感影像提取得到的基坑矢量數(shù)據(jù)如圖4所示。本次地形數(shù)據(jù)處理采用國(guó)產(chǎn)MapGIS進(jìn)行處理，首先通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換將Shape格式的文件轉(zhuǎn)換為矢量文件，該矢量文件保留了原始文件的屬性，方便下一步的應(yīng)用，經(jīng)處理后的基坑矢量數(shù)據(jù)如下圖4所示：通過(guò)MapGIS對(duì)整個(gè)工作區(qū)的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，結(jié)合影像數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加展示，對(duì)不符合實(shí)際情況的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，主要是邊緣建筑和部分城區(qū)密集區(qū)域建筑存在一定差異，如圖4所示基坑矢量與影像疊加圖，利用影像數(shù)據(jù)對(duì)基坑矢量數(shù)據(jù)逐個(gè)排查，采用人工目視解譯的方式對(duì)基坑矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行更新補(bǔ)充，以確保建筑物基坑的準(zhǔn)確全覆蓋，修正結(jié)果如圖5所示。

圖4 基坑矢量與影像疊加圖

圖5 補(bǔ)充更新后的建筑物基坑示意圖

3.2 建筑物高度

在完成圖像融合等一系列預(yù)處理操作之后，在建筑物基坑的基礎(chǔ)之上，基于建筑物高度反演公式，將獲取的相關(guān)參數(shù)(太陽(yáng)高度角、方位角、平均陰影長(zhǎng)度)導(dǎo)入幾何關(guān)系模型，反演得出建筑物的高度信息[14]。最后，得出建筑物的高度信息。圖6為計(jì)算得到的建筑物高度信息，高度值以柵格屬性值的形式儲(chǔ)存在圖中?？梢钥闯鰜?lái)，建筑物的基坑的亮度值代表著建筑物的高度信息，基坑越亮，表示該建筑物的高度值越大，反之，建筑物則比較低矮。在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)，反映建筑物高度的亮度值也基本一致，表明同一個(gè)小區(qū)的建筑高度基本相同。此方法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便、提取準(zhǔn)確，能夠高效率的應(yīng)用其他區(qū)域的建筑物高度遙感反演中去，并且能夠適應(yīng)不同形狀的建筑物和各種規(guī)劃的街區(qū)，通過(guò)平行線(xiàn)相交分析法和多尺度基坑提取方法，使得提取精度和效率更高。

圖6 陰影長(zhǎng)度計(jì)算示意圖

此外，為確保建筑物與其所產(chǎn)生陰影能夠一一對(duì)應(yīng)，利用近鄰分析法在判定建筑物與其陰影的臨近關(guān)系。即在確定建筑物基坑位置后，按照一定的像素閾值，自動(dòng)搜索與之最近的陰影對(duì)象，使得陰影和建筑物能夠?qū)?yīng)起來(lái)。圖6中還存在有部分碎點(diǎn)，太陽(yáng)光在射向城區(qū)之后，不僅僅會(huì)形成建筑物的陰影，由于二次反射和散射的作用，也會(huì)形成輕微的點(diǎn)狀陰影區(qū)域，這部分異常值可能會(huì)影響到反演的精度，在多次實(shí)際調(diào)查并且和當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)高度角度后，通常將陰影面積在10 m2以下的陰影斑塊移除，以提高精度。

3.3 精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于高分影像的建筑物高度反演真實(shí)效果，在所設(shè)定的研究區(qū)濰坊城區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取50處建筑物，通過(guò)使用全站儀對(duì)每幢建筑物的樓層數(shù)的統(tǒng)計(jì)和第一層建筑物高度信息的測(cè)量，最終計(jì)算獲得每幢建筑物的總高度。將實(shí)際獲得的建筑物高度與陰影反演計(jì)算得到的建筑物高度進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示:2020年濰坊城區(qū)建筑高度遙感反演的絕對(duì)誤差約為 0.73 m，總體精度約為96.68%；城市建筑物高度的估算誤差精度均小于1 m，基本能夠符合城市建筑物高度估算的要求，滿(mǎn)足了城市規(guī)劃發(fā)展和地下空間管理的應(yīng)用需求，可對(duì)城市的布局規(guī)劃和相關(guān)政策的制定提供重要的理論價(jià)值和應(yīng)用參考。

4 結(jié)論

(1)本文所進(jìn)行的基于GF-2遙感影像的建筑物高度信息提取技術(shù)中，在分析建筑物幾何信息的同時(shí)兼顧到建筑物的光譜信息，提取的建筑物陰影和基坑信息更為準(zhǔn)確，反演建筑物高度時(shí)考慮到建筑物、太陽(yáng)和衛(wèi)星間的幾何關(guān)系，提取技術(shù)更為快捷準(zhǔn)確。

(2)隨機(jī)選擇城區(qū)內(nèi)50棟建筑物的真實(shí)高度與估算高度進(jìn)行了對(duì)比分析，建筑物高度的遙感反演絕對(duì)誤差為 0.73 m，總體精度約為 96.68%，達(dá)到了較高精度。

(3)濰坊中心城區(qū)各類(lèi)型建筑高度分布不均。整體上以多層建筑(9～30 m)為主，超高層建筑(大于100 m)占有率相對(duì)較低，且地區(qū)分布不均，多層建筑多分布在老城區(qū)(濰城區(qū)、奎文區(qū))，邊緣多以低層建筑分布為主，體現(xiàn)了建筑物類(lèi)型分布與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平呈正相關(guān)。