低空遥感应用案例研究

摘 要：本文基于笔者多年从事低空遥感测量的相关工作经验，以城市建筑变化监测为研究对象，提出了基于无人机遥感平台的城市建筑快速变化监测方法，论文一并探讨了遥感数据的选择和处理流程，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：DSM 变化检测 遥感监测

中图分类号：P23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0039-02

改革开放30年来，我国的经济发展突飞猛进，城市面貌日新月异。与此同时，城市中一些区域的违法建设越来越突出，违法搭建、插建扩建屡禁不止。为掌握城市的变化，实施有效的管理，各级政府城乡规划主管部门迫切需要掌握城市中的合理规划布局、土地使用、违法建筑区域、非法占地等方面的信息。常规的违法建设发现手段主要是依靠执法部门的现场巡视和群众举报，然而毕竟巡查力量和巡查时间有限，难免出现纰漏。同时存在调查取证困难的问题。通过遥感变化检测的手段获取城市空间地理信息，进行城市违章建筑的快速监测，无疑是既省时，又省钱，效率高，同时又为执法部门提供科学客观定量的依据。

1 遥感数据特点

遥感按照飞行高度分类分为一下几类：航天遥感，航空遥感，低空遥感，地面遥感。

目前航天遥感技术，在获取数据方面，一个最大的特点是高时间分辨率，时间分辨率已经提高到1～3天。由于卫星遥感影像的重访周期短，既可以在短时间内得到新的地面现势数据，进而保证了图像具有一致性的优点，又6b2ca1e63b2ec774b2815c580805e81a可以长期获取稳定的地表覆盖数据流，因而被广泛地应用于变化检测中，但是卫星影像的分辨率相对还是要低些，主要应用在自然环境的变化监测，城市的整体性扩张，对于需要分辨出相对细节的变化的应用场合往往不能够满足高精度分析的要求。而城市的违章建筑监测要求具体到每一栋每一层违建的房屋。在这一点上，航天遥感影像数据显得力不从心。

航空遥感影像分辨率高，数据质量好可以满足城区的变化检测。但是航空遥感影像获取周期长且成本高，故航测资料存在间断性，很难实现连续、动态的城市地理变化检测，难以满足城市管理部门对数据现势性的要求。

低空遥感数据获取方式主要的几种方式：低空轻型机摄影、无人机航摄、无人飞艇航摄，本文采用无人机遥感平台。低空遥感数据获取方面有很多优点：（1）低空遥感受大气条件影响较小，即使在有薄雾的情况下也可以进行拍摄。（2）高分辨率遥感影像数据获取能力，同时由于航飞高度较低拍摄的影像受大气影响较弱故比常规航拍影像更清晰。（3）机动快速的响应能力。低空遥感设备系统运输便利、升空准备时间短、操作简单，可快速到达监测区域，遥感设备可以在短时间内快速获取遥感监测结果。（4）使用成本低，运营成本低，系统易于运行和维护。

2 变化检测方法的比较与选择

利用航天遥感影像和航空遥感影像进行变化检测方法有许多种，包括图像相减法，主成分分析法等，针对卫星遥感和航空遥感数据的特点将变化检测方法归结为两类。第一类基于小比例尺影像（卫星遥感影像）的变化检测方法：基于分类的变化检测方法、直接比较的变化检测方法。但是由于目前多光谱影像的分辨率较低以及城区光谱特性的复杂性，基于分类的方法无法用于城市细节的变化检测。直接比较的方法要求精确的时域标准化和图像配准，因而也不适合城市变化检测。第二类基于大比例尺影像（航空遥感影像）的变化检测方法：单幅影像匹配的变化检测方法；立体像对生成数字表面模型的变化检测方法。单幅影像匹配的方法也对影像的时域标准化和图像配准的要求较高。立体像对生成数字表面模型（DSM）的变化检测方法的的思路是用差值DSM来检测城市地区的变化，即利用立体像对来进行城市区域的变化检测。该方法充分利用了城市区域的变化主要是人工建筑物的搭建和拆迁这一特点，通过立体像对生成DSM可以更加准确地检测出城市区域中人工建筑物的变化情况。该方法充分利用高分辨率航空影像的数据资源，提高了建筑物的提取速度和准确性，进而提高建筑物变化检测的精度。

仅仅使用单幅影像进行城市变化检测只利用了灰度信息，城市区域的变化主要是人工建筑物的变化情况，而人工建筑物的变化情况主要表现在高度上的变化。有人提出用数字表面模型（DSM）提取建筑物的方法。笔者做过相似的讨论和试验，但是由于该方法所需要的数据主要来自传统的航空摄影，其更新速度慢很难满足实际应用的需要。同卫星遥感与航空遥感相比，低空遥感结合了两者的优点：既有航空摄影的高分辨率，由于其操作简便成本低，同时低空遥感灵活机动快速的响应能力可以提供想要区域的现势性数据，因而可以将低空遥感数据作为采用提取数字表面模型来进行违章建筑监测的方法数据，为城市违章建筑的监测提供了精确可靠而又实时的客观科学依据。

3 试验及评价

本文利用低空遥感数据提取DSM做城市违章建筑快速监测。试验数据的说明，本文特别选择了一块城中村改造的区域作为研究区，在两次拍摄前后该区域拆迁，变化巨大，可以更好地检验本文所用方法的有效性。为了更好地、有针对性地进行快速建筑物变化（可能违章）的监测我们先建立工作流程图如图1所示。

3.1 立体像对的处理

利用数字摄影测量的原理对两个不同时期影像进行处理，生成不同时期的数字表面模型（DSM）和数字正射影像。在立体像对下根据数字摄影测量中共线方程求出影像上点三维坐标即可生成数字表面模型。根据数字地面模型及相关的参数，利用构像方程，可以从原始非正射投影的数字影像获取正射影像。

3.2 变化检测-DSM相减

本文通过试验发现利用数字表面模型上高程的变化来进行区域的变化检测，可以非常精确地提取到高度的变化，但提取的区域的高度变化不仅是由房屋的变化引起的，植被的增高也是一个严重的干扰因素。

大量的研究表面植被的光谱特性与人工建筑物存在很大差别，根据植被的光谱特征，对植被进行分类，可以较好的将植被提出。在DSM相减后的结果上将植被所在区域的变化去除，剩下的结果就是主要由房屋引起的高程变化。该结果再利用数学形态学方法把相邻的待选变化的区域合并去除一些小的孤立区域，然后对待变化区域内进行边缘检测，这样变化检测的结果也更加可靠。

变化检测的试验结果如下图4，图5所示。

为了评价变化检测的结果，下面给出了表1变化检测统计结果，可以看出利用该方法检测的绝对概率为（288+76）/402=90.5%，由此可见，该方法是可行的、有效的。

4 讨论

在城市违章建筑监测方面，现有的航天遥感数据分辨率较低，精度不够，不能够满足房屋变化监测的需求，而航空摄影测量虽然可以得到较高的精度，但是其数据获取周期太，不能够根据需求提供现势数据，无法满足房屋变化监测的及时发现的要求。低空遥感以其灵活机动，成本低的特点，能够弥补航天遥感和航空遥感的各自不足，既可以将结果保持一定的精度又可以按照需求获得现势数据。本文讨论了航天航空遥感数据以及低空遥感数据的特点，结合实际应用的需求提出利用飞艇数据立体像对与分类相结合进行建筑物变化监测的方法。

参考文献

[1]毛峡，赵兴圆，沈巍.一种基于模糊决策的矩形目标提取算法[J].北京航空航天大学学报，2008（6）.

[2]明冬萍，骆剑承，沈占锋，等.高分辨率遥感影像信息提取与目标识别技术研究[J].测绘科学，2005（3）.