低空遙感應用案例研究

摘 要：本文基于筆者多年從事低空遙感測量的相關工作經驗，以城市建筑變化監測為研究對象，提出了基于無人機遙感平臺的城市建筑快速變化監測方法，論文一并探討了遙感數據的選擇和處理流程，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：DSM 變化檢測 遙感監測

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（c）-0039-02

改革開放30年來，我國的經濟發展突飛猛進，城市面貌日新月異。與此同時，城市中一些區域的違法建設越來越突出，違法搭建、插建擴建屢禁不止。為掌握城市的變化，實施有效的管理，各級政府城鄉規劃主管部門迫切需要掌握城市中的合理規劃布局、土地使用、違法建筑區域、非法占地等方面的信息。常規的違法建設發現手段主要是依靠執法部門的現場巡視和群眾舉報，然而畢竟巡查力量和巡查時間有限，難免出現紕漏。同時存在調查取證困難的問題。通過遙感變化檢測的手段獲取城市空間地理信息，進行城市違章建筑的快速監測，無疑是既省時，又省錢，效率高，同時又為執法部門提供科學客觀定量的依據。

1 遙感數據特點

遙感按照飛行高度分類分為一下幾類：航天遙感，航空遙感，低空遙感，地面遙感。

目前航天遙感技術，在獲取數據方面，一個最大的特點是高時間分辨率，時間分辨率已經提高到1～3天。由于衛星遙感影像的重訪周期短，既可以在短時間內得到新的地面現勢數據，進而保證了圖像具有一致性的優點，又6b2ca1e63b2ec774b2815c580805e81a可以長期獲取穩定的地表覆蓋數據流，因而被廣泛地應用于變化檢測中，但是衛星影像的分辨率相對還是要低些，主要應用在自然環境的變化監測，城市的整體性擴張，對于需要分辨出相對細節的變化的應用場合往往不能夠滿足高精度分析的要求。而城市的違章建筑監測要求具體到每一棟每一層違建的房屋。在這一點上，航天遙感影像數據顯得力不從心。

航空遙感影像分辨率高，數據質量好可以滿足城區的變化檢測。但是航空遙感影像獲取周期長且成本高，故航測資料存在間斷性，很難實現連續、動態的城市地理變化檢測，難以滿足城市管理部門對數據現勢性的要求。

低空遙感數據獲取方式主要的幾種方式：低空輕型機攝影、無人機航攝、無人飛艇航攝，本文采用無人機遙感平臺。低空遙感數據獲取方面有很多優點：（1）低空遙感受大氣條件影響較小，即使在有薄霧的情況下也可以進行拍攝。（2）高分辨率遙感影像數據獲取能力，同時由于航飛高度較低拍攝的影像受大氣影響較弱故比常規航拍影像更清晰。（3）機動快速的響應能力。低空遙感設備系統運輸便利、升空準備時間短、操作簡單，可快速到達監測區域，遙感設備可以在短時間內快速獲取遙感監測結果。（4）使用成本低，運營成本低，系統易于運行和維護。

2 變化檢測方法的比較與選擇

利用航天遙感影像和航空遙感影像進行變化檢測方法有許多種，包括圖像相減法，主成分分析法等，針對衛星遙感和航空遙感數據的特點將變化檢測方法歸結為兩類。第一類基于小比例尺影像（衛星遙感影像）的變化檢測方法：基于分類的變化檢測方法、直接比較的變化檢測方法。但是由于目前多光譜影像的分辨率較低以及城區光譜特性的復雜性，基于分類的方法無法用于城市細節的變化檢測。直接比較的方法要求精確的時域標準化和圖像配準，因而也不適合城市變化檢測。第二類基于大比例尺影像（航空遙感影像）的變化檢測方法：單幅影像匹配的變化檢測方法；立體像對生成數字表面模型的變化檢測方法。單幅影像匹配的方法也對影像的時域標準化和圖像配準的要求較高。立體像對生成數字表面模型（DSM）的變化檢測方法的的思路是用差值DSM來檢測城市地區的變化，即利用立體像對來進行城市區域的變化檢測。該方法充分利用了城市區域的變化主要是人工建筑物的搭建和拆遷這一特點，通過立體像對生成DSM可以更加準確地檢測出城市區域中人工建筑物的變化情況。該方法充分利用高分辨率航空影像的數據資源，提高了建筑物的提取速度和準確性，進而提高建筑物變化檢測的精度。

僅僅使用單幅影像進行城市變化檢測只利用了灰度信息，城市區域的變化主要是人工建筑物的變化情況，而人工建筑物的變化情況主要表現在高度上的變化。有人提出用數字表面模型（DSM）提取建筑物的方法。筆者做過相似的討論和試驗，但是由于該方法所需要的數據主要來自傳統的航空攝影，其更新速度慢很難滿足實際應用的需要。同衛星遙感與航空遙感相比，低空遙感結合了兩者的優點：既有航空攝影的高分辨率，由于其操作簡便成本低，同時低空遙感靈活機動快速的響應能力可以提供想要區域的現勢性數據，因而可以將低空遙感數據作為采用提取數字表面模型來進行違章建筑監測的方法數據，為城市違章建筑的監測提供了精確可靠而又實時的客觀科學依據。

3 試驗及評價

本文利用低空遙感數據提取DSM做城市違章建筑快速監測。試驗數據的說明，本文特別選擇了一塊城中村改造的區域作為研究區，在兩次拍攝前后該區域拆遷，變化巨大，可以更好地檢驗本文所用方法的有效性。為了更好地、有針對性地進行快速建筑物變化（可能違章）的監測我們先建立工作流程圖如圖1所示。

3.1 立體像對的處理

利用數字攝影測量的原理對兩個不同時期影像進行處理，生成不同時期的數字表面模型（DSM）和數字正射影像。在立體像對下根據數字攝影測量中共線方程求出影像上點三維坐標即可生成數字表面模型。根據數字地面模型及相關的參數，利用構像方程，可以從原始非正射投影的數字影像獲取正射影像。

3.2 變化檢測-DSM相減

本文通過試驗發現利用數字表面模型上高程的變化來進行區域的變化檢測，可以非常精確地提取到高度的變化，但提取的區域的高度變化不僅是由房屋的變化引起的，植被的增高也是一個嚴重的干擾因素。

大量的研究表面植被的光譜特性與人工建筑物存在很大差別，根據植被的光譜特征，對植被進行分類，可以較好的將植被提出。在DSM相減后的結果上將植被所在區域的變化去除，剩下的結果就是主要由房屋引起的高程變化。該結果再利用數學形態學方法把相鄰的待選變化的區域合并去除一些小的孤立區域，然后對待變化區域內進行邊緣檢測，這樣變化檢測的結果也更加可靠。

變化檢測的試驗結果如下圖4，圖5所示。

為了評價變化檢測的結果，下面給出了表1變化檢測統計結果，可以看出利用該方法檢測的絕對概率為（288+76）/402=90.5%，由此可見，該方法是可行的、有效的。

4 討論

在城市違章建筑監測方面，現有的航天遙感數據分辨率較低，精度不夠，不能夠滿足房屋變化監測的需求，而航空攝影測量雖然可以得到較高的精度，但是其數據獲取周期太，不能夠根據需求提供現勢數據，無法滿足房屋變化監測的及時發現的要求。低空遙感以其靈活機動，成本低的特點，能夠彌補航天遙感和航空遙感的各自不足，既可以將結果保持一定的精度又可以按照需求獲得現勢數據。本文討論了航天航空遙感數據以及低空遙感數據的特點，結合實際應用的需求提出利用飛艇數據立體像對與分類相結合進行建筑物變化監測的方法。

參考文獻

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