基于衛(wèi)星圖像的時序三維建筑生成的方法

伍樂生

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 漳州 363000)

由于城市的三維地圖數(shù)據(jù)難以獲取，因此生成三維建筑物并不是一項容易的工作.大多數(shù)現(xiàn)有研究[1-3]的空間分辨率較低，無法進(jìn)行細(xì)粒度的三維建筑物生成.有研究者使用合成孔徑雷達(dá)(SAR)[4]等技術(shù)來解決高分辨率三維數(shù)據(jù)的生成問題.但是，由于周圍結(jié)構(gòu)的相互干擾，合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)會受到散斑噪聲的影響，這使得在復(fù)雜的建筑物場景中難以估計建筑物的高度[5].相比之下，激光雷達(dá)能提供高度準(zhǔn)確的測距測量，但成本明顯更高.在這種情況下，立體光學(xué)圖像的攝影測量為高度估計提供了一種可行且有前景的方法[6].ZY-3衛(wèi)星提供的易于獲得的時序高分辨率多視圖圖像使得三維建筑物生成和分析成為可能.在此背景下，提出了一個生成時間序列三維建筑地圖的方法.

1 區(qū)域數(shù)據(jù)集及其獲取

選擇了北京和上海這兩座城市的內(nèi)城區(qū)作為研究的區(qū)域.這兩個國家中心城市是住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部確定的區(qū)域性金融、貿(mào)易、文化和管理中心.國家中心城市不僅肩負(fù)著帶動周邊城市發(fā)展的責(zé)任，更要提升自身的城鎮(zhèn)化質(zhì)量.北京和上海是國際化大城市，是全球創(chuàng)新中心和世界級城市群核心城市.通過調(diào)查這些區(qū)域三維內(nèi)城開發(fā)的總體特征，可以為其他城市的建設(shè)提供理論指導(dǎo).

三維建筑地圖包含了每個建筑物的輪廓和高度，現(xiàn)有的三維建筑地圖數(shù)據(jù)可以從高德地圖的網(wǎng)站獲得(如圖1所示).這些建筑地圖的格式是矢量格式，需要將它們轉(zhuǎn)換為與 ZY-3 圖像具有相同空間分辨率的光柵圖像.

圖1 衛(wèi)星圖像示例

將ZY-3衛(wèi)星的影像數(shù)據(jù)作為時序三維建筑生成的主要數(shù)據(jù)源.ZY-3 配備由前視、正視和后視(fwd、nad 和 bwd)相機(jī)組成的三線傳感器，可以提供對同一地面點不同視角的觀測結(jié)果，以形成立體圖像.相機(jī)系統(tǒng)的基高比設(shè)計為0.89，空間分辨率為2.1 m的多視點圖像，因此能夠生成詳細(xì)準(zhǔn)確的三維信息.本文選擇了 2013 年和 2018 年期間獲得的ZY-3 多視圖圖像.

基于從高德地圖和時間序列高分辨率多視圖衛(wèi)星圖像中獲取的三維建筑地圖，設(shè)計了一種生成時間序列三維建筑地圖的方法.

2 時序三維建筑物地圖生成

時序三維建筑地圖及其相應(yīng)的遙感圖像分別表示為B(ti)和I(ti)(i= 1, 2,…,n)，來自Amap的三維建筑地圖表示為B(t0).生成B(ti)(i= 1, 2,…,n)的基本思想是將B(ti-1)作為基礎(chǔ)層并通過圖像到地圖(即，I(ti)到B(ti-1))變化檢測來更新時間上不一致的建筑物覆蓋區(qū)，然后估計新生成建筑物的高度.圖像到地圖(image-to-map)變化檢測的基本思想是分別從B(ti-1)的非建筑物和建筑物區(qū)域中的I(ti)檢測建筑物和非建筑物物體，這樣可以避免不必要的計算并最大限度地減少錯誤警報[7].生成時間序列三維建筑地圖的過程包括三個步驟：1)建筑移除；2)建筑增加；3)高度估計，如圖2所示.

圖2 三維建筑物生成流程

2.1 建筑物移除

在該步驟中，分別檢測B(ti-1)和I(ti)中的建筑物和非建筑物對象，并將它們的標(biāo)簽更新為B(ti)中的建筑物.在這一步中，由于B(ti-1)中的非建筑區(qū)域不感興趣并且可以被移除，因此I(ti)中的相應(yīng)區(qū)域?qū)⒈黄帘蔚?，并獲得了一個屏蔽圖像Ib(ti).然后進(jìn)行基于Ib(ti)的非建筑物對象提取，以定位從B(ti-1)中的建筑物到Ib(ti)中的非建筑物的過渡.本研究設(shè)計了一種無監(jiān)督聚類方法來提取非建筑對象.在短時間內(nèi)，非建筑像素的變化主要是指城市地區(qū)的植被和裸土的變化，因此主要考慮了與植被和裸土相關(guān)的特征.

采用歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)來區(qū)分植被和非植被.從RGB空間轉(zhuǎn)換而來的 HSV 顏色空間通過色調(diào)、飽和度和亮度來定量描述顏色.HSV 顏色空間可用于通過選擇具有黃色、紅色和棕色色調(diào)的像素來識別土壤.由于可能有部分建筑物的顏色與土壤相似，因此使用基于對象的處理、視覺解釋和手動校正步驟來減少誤判.

2.2 建筑物增加

建筑物包含是指檢測B(ti-1)中的非建筑物區(qū)域和對應(yīng)的I(ti)中的建筑物區(qū)域，并將該區(qū)域作為建筑物區(qū)域添加到B(ti)中.I(ti)中對應(yīng)于B(ti-1)中建筑物區(qū)域?qū)⒈黄帘?，并生成一個屏蔽圖像Inb(ti).根據(jù)多尺度分割和形態(tài)建筑指數(shù)(MBI)提取Inb(ti)的建筑對象.MBI使用形態(tài)學(xué)算子來表示高分辨率衛(wèi)星影像中建筑物的隱式光譜結(jié)構(gòu)特征(即亮度、局部對比度、大小和各向同性).然后計算每個對象中建筑像素的比例，并將比例大于50%的對象被標(biāo)記為建筑物.

2.3 建筑物高度估計

建筑物高度是通過 ZY-3 多視圖圖像的立體攝影測量生成的.對于建筑高度，數(shù)字表面模型(DSM)首先由常用的半全局匹配(SGM)方法生成.隨后，通過從DSM中移除裸地地形，推導(dǎo)出建筑物的高度值.

2.4 準(zhǔn)確性評價指標(biāo)

從足跡和高度兩個角度出發(fā)來評估三維建筑地圖的準(zhǔn)確性.建筑物足跡的準(zhǔn)確性使用基于對象的方法進(jìn)行評估，并使用兩個指標(biāo)——平均面積差和平均形狀指數(shù)差——來描述足跡的準(zhǔn)確性.為了測試時間序列組之間準(zhǔn)確性的統(tǒng)計差異是否顯著，以95% 的置信水平(p < 0.05)進(jìn)行了單向方差分析.為了評估建筑物變化軌跡的準(zhǔn)確性，每個城市在變化區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選擇了 100 個樣本點.參考軌跡是通過對時間序列高分辨率衛(wèi)星圖像的目視檢查來收集的.對于每個樣本，只有當(dāng)它的標(biāo)簽(即建筑物或非建筑物)在映射和參考軌跡之間始終一致時，才被認(rèn)為是正確映射的.建筑物變化軌跡的正確性計算為具有正確軌跡的像素數(shù)與樣本點總數(shù)的比值.

3 實驗評估

兩個城市的時間序列三維建筑數(shù)據(jù)的建筑足跡的準(zhǔn)確度對比結(jié)果如表1所示.整體準(zhǔn)確度均高于90%.對于提取的建筑對象，平均面積差和平均形狀指數(shù)差分別約為10%和5%，因此提取的建筑對象的大小和形狀與參考樣本基本一致.方差分析的檢驗結(jié)果表明，時間序列組之間的準(zhǔn)確度沒有統(tǒng)計學(xué)差異.

表1 建筑物足跡的準(zhǔn)確性評估

由表2可知，估計的建筑物高度值和建筑物的實際高度值之間具有強(qiáng)相關(guān)性.線性擬合產(chǎn)生的斜率值范圍為1.04到 1.11，偏差值接近于零.該結(jié)果表明生成的三維建筑數(shù)據(jù)與真實高度非常吻合.

表2 高度估計的準(zhǔn)確性評估

4 結(jié)論

本文提出了一種利用時間序列多視圖衛(wèi)星圖像生成三維建筑地圖的框架.通過整合先前的建筑、光譜、結(jié)構(gòu)和多視圖信息，開發(fā)了一種地圖到圖像的比較策略，以生成每個建筑的足跡和高度信息.該框架應(yīng)用于北京和上海這兩個具有代表性的中國特大城市的內(nèi)城區(qū)，以分析三維建筑變化.實驗結(jié)果表明，該方法可以生成令人滿意的時間序列三維建筑地圖，具有較高的準(zhǔn)確性.