LIDAR輔助遙感影像建筑物分類識別和提取研究

張澤琛

【摘 要】 隨著我國城市的不斷擴建，城市建筑物的增加，數字化城市的需求越來越多，如何從高分辨遙感影像中自動快速提取建筑物成為研究的重點內容。本文從LIDAR的基本組成和工作原理以及建筑物識別和提取技術出發，介紹了如何利用LIDAR技術來實現建筑物識別和提取。

【關鍵詞】 LIDAR 遙感影像 建筑物

1 引言

隨著傳感技術的發展以及航空航天技術的不斷進步，遙感技術已經進入了一個全新的時期：由靜態轉為動態，速度加快，分辨率變得越來越高甚至達到厘米級別，平臺多樣化等等。尤其是一些商用衛星的升空大大提升了高分辨率遙感影像數據信息的提供能力，傳統的測量技術已經不能滿足高分辨率影像的信息提取和處理的能力。而遙感技術和機載激光雷達技術因為具有較低的成本和較高的信息處理能力，得到了大量研究和實踐探索。

機載激光雷達技術（LIDAR）起步較晚，發展歷程數十年，然而它在攝影與遙感的發展領域中具有里程碑意義。利用全球定位系統（GPS）、慣性導航系統（INS）等技術，系統對測量的資料進行掃描，并在激光掃描器和距離傳感器中進行內部處理，將所測得的距離和角度等信息進行顯示、存儲。然后通過相關軟件還原出所測對象的表面形態和三維模型。這種遙感技術在一些信息獲取比較困難的地區（如荒漠、森林）具有很高的效率和精度。

2 LIDAR的系統組成和工作原理

LIDAR遙感信息獲取系統由許多個嚴格按照一定順序放置的部件所構成，整個系統包括了三個部分：GPS、INS和激光記錄器件。LIDAR遙感信息獲取系統和高分辨率的攝像機被安放在飛機上，它們都有一個飛機固定坐標系，在此基礎上，各個布置嚴格的部件的坐標就可以得到很好確定，方便信息處理。

利用地面及其覆蓋物反射的電磁波，激光掃描系統能夠接收到地面目標的信息并記錄下來，記錄方法可以是“首次脈沖”，也可以是“末次脈沖”。一般情況下，發射的激光脈沖只產生一次反射，這時兩種記錄方法都可使用，然而在植被茂密的森林中可能反射兩次或更多，這時一般采用“首次脈沖”的記錄方式。這種測量距離的方式是利用短波電子信號的傳播特點，它在同一均勻介質中速度不會改變，而遇到兩個介質之間的分解面時就會發生反射。被測對象的角度參數是利用INS系統來測量出來的，它與系統所測得的距離和時間兩個參數一起就能夠測量出目標的空間位置。

3 建筑物識別提取技術

建筑物識別提取技術是在計算機的基礎上，利用一定的理論和算法等，從衛星和航空所拍攝的影像中獲取建筑物信息，包括其形狀，地理位置等。利用眼睛，人們可以很容易在圖像中檢測出建筑物，得到其基本信息，但是利用計算機來識別和提取建筑物將會十分困難，它涉及到多領域科學，包括圖像處理、機器視覺、模糊識別、光學等等。因此，建筑物自動識別和提取技術仍處于開發研究和技術探索的初級階段，它也是遙感影像技術發展的重要趨勢。

建筑物提取是建立建筑物空間立體模型的根基，這是城市數字化和全球數字化的重要技術。利用影像來代替了實地勘測，可以大幅度提高建筑物提取的效率。使用高分辨率圖像來直接提取建筑物是常用的方法，它包括早前使用的線段邊緣檢測算法和當前使用的面向對象的分割方法。基于線段特征的建筑方法主要是利用建筑物邊緣的線性特征以及相應的識別算法，先識別并提取建筑物邊緣，再將提取的直線按照一定的規則分組，然后利用這些直線來獲取建筑物模型。這種方法較傳統，適用于形狀不復雜、周邊環境較簡單的建筑物提取，它的識別率不高，不能用于復雜環境的城市建筑物中。面向對象的分割方法主要是將圖形進行分割，形成不同的影像對象，根據建筑物的光譜特性以及形狀和紋理的信息等完成提取工作。然而這種方法使用的是二維圖像，沒有建筑物高度信息，如果建筑物周圍環境十分復雜、其紋理和頂部形狀不規則或者光譜信息不單一時，這種提取方式往往精度不高，效果不令人滿意。

4 LIDAR輔助遙感影像建筑物分類識別和提取

LIDAR系統獲取的數據是點云數據，因為這些數據是離散的、分布不規則的一系列點，它含有建筑物地理位置和高度等信息。

4.1 直接從LIDAR數據中提取建筑物

可以利用LIDAR的點云數據生成距離影像，通過對比來較快地提取建筑物。首先將系統獲得數字表面模型（DSM）中去除實物的數字高程模型（DEM）數據，得到比較規整的表面模型，從而能得到建筑物的輪廓；然后在規整的數字表面模型中使用灰度共生矩陣來統計豎直和水平兩個方向的高度信息，從而實現建筑物的提取。

直接從LIDAR數據中提取建筑物的算法還在研究階段，一般均采用數字表面模型等灰度圖像來完成工作，使用某種圖像處理算法來對表面模型或規整后的表面模型進行處理，然后進行形狀、灰度分析和邊緣檢測，以確定建筑物的位置。此方法適用于中高層（10m以上）的建筑物提取，具有較高的精度和分辨率。

4.2 高分辨率圖像與LIDAR數據結合提取建筑物

主要是先利用LIDAR云點數據所提供的高程信息隔離出地面上的點，然后在非地面上的點中提取出建筑物的點，然后再利用遙感影像的邊緣信息來提取建筑物。這種方法結合高分辨率圖像和LIDAR數據的優點，彌補了高分辨率圖像沒有高程數據和LIDAR缺少色彩和紋理信息的不足，具有較高的提取分辨率和精度。

5 結語

LIDAR技術的發展給建筑物識別和提取帶來了新的方法和途徑，雖然目前仍處于理論研究和技術探索階段，但是它的高分辨率和高精度提取能夠滿足人們日益增加的需求，所以，它將是未來遙感技術發展的重要方向之一。

參考文獻：

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