倪 凯

(福州市勘测院 福建福州 350108)

0 引言

当今，我国城市化进程十分迅猛，违章建筑现象随之增长。城市管理者如何有效制止违章违法建筑物现象，尤其是密集棚屋区内的违章违法建筑物尤为重要。基于遥感影像的建筑物变化检测，指利用不同时相或不同传感器所获得的同一区域的遥感影像以及相关数据，来分析和确定建筑物的变化信息[1]。如何提高建筑物变化检测的检出率和正确率亟需研究[2]。本文采用三维数字表面模型(DSM)变化检测法，代替传统二维平面影像变化检测的方法，并通过真实数据开展实验研究，验证基于多时相高分辨率航空影像建筑物变化检测的可行性。

1 传统建筑物变化检测方法

传统建筑物变化检测方法，最常见的方法有两种[3]：

第一，利用多期卫星遥感影像，校正到统一平面坐标系统后，用影像配准技术检测出变化图斑。这种方法检测出来的变化图斑较为零散，且边缘模糊度较大，同时受不同类型卫星遥感影像拍摄角度影响，正确率也受较大影响，后期需要人工去伪、识别确认。

第二，利用多期卫星遥感影像，校正到统一平面坐标系统后，通过边缘检测、区域分割、多尺度分割等技术提取建筑物信息，获得多期影像建筑物信息数据，再对建筑物信息数据进行变化检测，得到检测成果。

2 多时相高分辨率航空影像建筑物变化检测方法

对于因建筑物密集区，卫星遥感影像分辨率不够高、卫星影像获取角度及阴影等原因，导致利用卫星遥感影像开展建筑物变化检测检出率不高等问题，研究利用多时相高分辨率航空影像开展建筑物变化检测。检测数据由卫星遥感影像转换为航空影像，检测方法由二维平面转向三维立体。除了二维平面影像约束，还增加三维高度信息约束，无论是检出率还是正确率，都有较大提高。通过对检测成果数据分析，最终可以分析出变化图斑的属性信息，如是新增建筑还是已拆除建筑等。利用多时相高分辨率航空影像开展建筑物变化检测的作业流程如图1所示。

图1 多时相高分辨率航空影像建筑物变化检测流程图

从以上流程图可知，多时相高分辨率航空影像建筑物变化检测流程主要分为5个步骤：

第一步，获取不同时相的高分辨率航空影像，大飞机航空影像和无人机航空影像均可；

第二步，分别对不同时相的高分辨率航空影像进行空三加密，平面坐标系统和高程系统要统一到同一坐标系；

第三步，在空三加密的基础上，分别提取DSM，最好使用同一款软件进行提取；

第四步，任意两期DSM做差值运算，得到初步检测成果，这一成果为栅格数据；

第五步，检测成果后处理。主要对初步检测成果进行二值化以及紧凑度指数分析，最终得到矢量检测成果，提供下一工序使用。

3 实验案例

实验案例主要选择建筑密集区。利用多时相高分辨率航空影像建筑物变化检测方法，分析实验区的建筑物变化情况。

3.1 实验案例一

实验案例一选取农村建筑密集区,如图2所示。选择不同时相的两期高分辨率影像开展实验分析，获取的两期影像为无人机航空影像，地面分辨率均在10 cm以内。空三加密采用添加像控点的方式作业，坐标系统采用福州城市地方平面直角坐标系和福州本地高程基准。

图2 实验案例一建筑物分布情况

在空三加密的基础上，使用Pix4Dmapper软件(试用版本)，分别提取两期无人机航空影像的DSM数据，两期DSM数据的平面坐标系统和高程系统一致。再将两期DSM数据做差值运算，利用Arcgis软件ArcToolbox工具箱中Raster Math Minus工具，后期DSM减去前期DSM，获得差值计算成果，如图3所示。黑色小斑块即为高度变化较大的区域，通过形状初步判断，基本可以认定为建筑物变化图斑。其他区域为高度变化较小的区域，基本可以认定为软件提取过程中的误差，可做剔除处理。通过差值为正值可知，黑色小斑块为新增建筑物。

图3 实验案例一初步检测成果

得到初步检测成果后，对栅格成果数据进行二值化处理，输出矢量面图斑数据。依据国标《房产测量规范》规定，高度在2.2 m以上为1层，考虑到误差及半层房屋存在的可能性，将变化高度处于[-1.6 m～1.6 m]的矢量面图斑进行剔除，如图4(a)所示。在此基础上，进行紧凑度指数分析，剔除因DSM提取过程产生的建筑物边缘粘连，以及高大茂密树木边缘粘连等狭长不规则细碎面，最终得到建筑物变化检测的矢量成果数据，如图4(b)～(c)所示。

(a) (b) (c)

3.2 实验案例二

实验案例二选取棚屋区(图5)，选择不同时相的两期高分辨率影像开展实验分析，获取的两期影像为无人机航空影像，地面分辨率均在5 cm以内。空三加密采用免像控点的方式，即利用载波相位事后差分定位技术(PPK)后差分处理，得到高精度定位定姿系统(POS)数据。高精度POS数据直接参与区域网平差计算[4]，坐标系统采用CGCS2000平面坐标系和1985国家高程基准。

图5 实验案例二建筑物分布情况

在空三加密基础上，使用大疆智图软件分别提取两期无人机航空影像的DSM数据，两期DSM数据的平面坐标系统和高程系统一致。两期DSM数据做差值运算的方法与实验案例一的方法一致。图6为初步检测成果。通过差值为负值可知，黑色小斑块为已拆除建筑物。

图6 实验案例二初步检测成果

得到初步检测成果后，对栅格数据成果后处理，其方法与实验案例一致。最终检测成果如图7所示，图7(a)为剔除变化高度小于1.6 m矢量图斑，图7(b)为最终矢量检测成果，图7(c)为矢量检测成果叠套后期影像放大效果，显示实地房屋已经拆除，准确无误。

(a) (b) (c)

4 结论

从实验结果可知，采用多时相高分辨率航空影像开展建筑物变化检测，是可行的，基本可以实现半自动化发现变化结果。相比利用二维遥感卫星影像开展建筑物变化检测，本文的检测方法更加科学，检测结果更加准确，能为城市管理者提供更为有力的技术手段，来抑制违章违法建筑物的快速增长。