资源三号卫星前视影像的建筑物高度提取

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现阶段我国正处于快速城市化的过程中，2011年我国城市化率突破了50%，预计2018年将超过60%。城市快速扩张的一个显著表现就是建筑物在城市三维空间的增长，而建筑物的高度就是其中重要的一维。建筑物高度对建筑物容积率的大小有着直接的影响；而容积率的大小不仅直接反映了城市居住环境的优劣，也是衡量城市发展、注重城市环境质量和可持续发展的重要指标。此外，建筑物高度对城市风向也有着显著的影响，体现在雾霾天气消散所需的时间代价上，因此建筑物高度对城市环境的影响程度也日益成为人们关注的焦点。

自1999年美国太空成像公司发射世界上第一颗高分辨率商业遥感卫星IKONOS以来，高分辨率遥感卫星在世界范围内得到了长足发展，这为利用遥感手段提取建筑物高度提供了可能性。目前主要是通过提取高分辨率遥感影像的阴影，基于建筑物及阴影的空间几何关系和阴影长度来反演建筑物高度。张晓美等依据ALOS多光谱卫星影像中的光谱差异从全色影像中提取阴影信息，进而建立了基于影像提取城市建筑物高度的流程，高度验证精度达到了87.6%。黄贝莹等在数学形态学的基础上对建筑物阴影的处理进行了改进，消除了水体对阴影提取的影响，最后得到了1.34 m的平均误差和1.95 m的标准差。冉琼等基于“北京一号”小卫星并结合边缘检测法和混合像元分解理论进行阴影提取，将建筑物高度的反演精度提高到了亚像元级。王京卫等在分析单张QuickBird遥感影像上建筑物成像时的阴影与太阳、卫星之间的几何关系的基础上，提出了一种利用单张遥感影像提取城市建筑物高度的方法，高度提取精度在±1 m之内。赵志明等利用建筑物和阴影的形态学指数，根据阴影长度和建筑物高度的几何关系提取了建筑物高度信息，并获得了91.23%的精度。宋仁波等提出了一种基于双张影像的城市建筑物高度简易提取方法，可以实现批量建筑物高度数据的获取，且能够满足较高的精度要求。

本文以北京市城区为例，采用资源三号高分辨率卫星前视影像，通过对建筑物侧面及阴影的提取，结合太阳的高度角和方位角，利用建筑物、太阳及卫星的空间几何关系，计算出建筑物侧面与阴影在太阳方位角方向上的长度比例关系，依此比例关系估算出其他建筑物的高度信息。

资源三号测绘卫星（简称ZY-3）是我国第一颗民用高分辨率光学传输型测绘卫星，于2012年1月9日发射。它搭载了4台光学相机，包括一台地面分辨率2.1 m的正视全色TDI CCD相机、两台地面分辨率3.6 m的前视和后视全色TDI CCD相机、一台地面分辨率5.8 m的正视多光谱相机。它获取的数据可用于地形图制图、高程建模以及资源调查等。

本文为了简化计算，在充分了解研究区实际情况的前提下，做出以下假设：①研究区地面是平坦的，建筑物走向基本一致，且垂直于地面向上；②建筑物阴影未被遮挡，且结构规则；③阴影长度从建筑物底部起算。

本文首先基于资源三号卫星前视影像进行了建筑物的侧面和阴影长度信息提取，并实地量取了两个建筑物的真实高度用于构建建筑物侧面和阴影的长度比例关系，最后依据此长度比例关系对研究区内的其他建筑物实现了高度提取工作。本方法具有简单易行、效率高等特点，且高度提取的平均精度达到了92.28%，能够较好地满足精度需求。结合实验结果数据及实地考察分析，结果的误差来源主要有：1）有若干建筑物的阴影存在不同程度的被遮挡情况，例如编号为1、3、6、7、12、13、14的建筑物，其阴影被周围建筑物、树木或草坪等植被所遮挡。2）建筑物侧面及阴影特征提取本身存在的误差，例如编号为17、19、23的建筑物与周围的建筑物相隔很近，容易受到影响。3）用于构建比例系数所选的建筑物造成的误差，因建筑物实测高度及其特征提取的精度也在很大程度上影响了研究区内其他建筑物高度提取的误差。4）对建筑物进行实地测量的高度也存在一定的误差。

通过以上分析，确定今后继续开展的研究有：1）在提取建筑物高度的过程中，研究一种旨在减少人机交互，增强从特征提取到高度提取的自动化程度的方法。2）从建筑物侧面出发提取建筑物的高度信息，以避免因建筑物阴影被遮挡而造成的误差。3）本文方法在通用性方面仍存在诸多的限制因素，主要表现为以下两点：①在进行建筑物侧面和阴影特征提取过程中，需要根据研究区的实际情况，并结合一定的专家知识进行参数设置；③本文方法需要一个已知高度的建筑物作为基础来确定比例关系，这也有一定的局限性。因此，今后将针对上述两点问题加以分析，研究出一种通用性更加广泛的高度提取方法。

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