基于LiDAR DSM和等值线分析的高楼统计方法研究

潘桂颖，李佐宇，李颂

(广西壮族自治区测绘地理信息档案资料馆，广西 南宁 53023)

基于LiDAR DSM和等值线分析的高楼统计方法研究

潘桂颖*，李佐宇，李颂

(广西壮族自治区测绘地理信息档案资料馆，广西 南宁 53023)

利用了LiDAR 数据生成的数字地面模型(DSM)和数字高程模型(DEM)，经过栅格运算分析和系列等值线分析，对南宁市部分范围内超过特定高度值的高层建筑进行了统计分析。统计结果与规划部门的数据作比较分析，结果表明该方法方便可靠，能够用于一般的城市区域高楼统计。

LiDAR；DSM；栅格运算；等值线分析

1 引 言

LiDAR(Light Detection and Ranging)即激光探测与测量。该系统一般以全球定位系统(GPS)、激光测距仪(Laser Scanner)和惯性导航系统(INS)为主进行集成，利用飞机作为平台，获取地面三维位置信息。其所测得的数据为数字表面模型(Digital Surface Model，DSM)的离散点表示，数据中含有空间三维信息和激光强度信息。LiDAR是近十年来摄影测量与遥感领域最具革命性的成就之一。城市是人口最集中、人口密度最大、生产生活活动最频繁的地区，是经济和社会发展的中心。城市的发展速度越来越快，最显著的特征之一就是建筑物的高度和数量的持续增加。高层建筑物信息的获取因此显得越来越重要。

LiDAR以其快速、精确、直接获取三维信息的特点，在对城市高层建筑物的研究中扮演着日益重要的角色。曾齐红[1]以机载小光斑脉冲测距激光雷达系统为研究对象，分析了机载激光雷达系统获取数据的特点，并提出了一系列激光雷达点云数据的过滤与分类方法。在此基础上，开展了基于激光雷达点云的建筑物提取与三维重建研究。陈朋[2]针对地面三维激光点云包含大量冗余数据，特征信息不明显等问题，提出一种建筑物点云特征线提取方法。刘修国[3]提出一种基于点云数据生成距离影像，而后引入对比度纹理辅助的点云数据建筑物快速提取方法。于海洋[4]在LiDAR点云数据法向量分析及曲率计算的基础上，采用曲率最小点作为种子点，以点云法向量角度差和灰度值差作为生长条件，构建LiDAR点云数据的建筑物顶面面片区域增长分割方法，并进一步对分割面片的邻接点进行处理，用于建筑物三维模型的重建。任自珍[5]利用LiDAR数据生成DSM(数字地面模型)等高线，然后根据等高线形状特征参数，从DSM等高线中提取由建筑物点云形成的等高线(建筑物等高线)。最后，根据拓扑关系简化建筑物等高线，再利用建筑物轮廓线相互垂直或平行的特点，对建筑物等高线进行规则化，提取建筑物。该方法精度较高，但对于一些快速应用来说略显烦琐。

综上所述，本文在参考大量文献的基础上，以LiDAR数据为基础，通过栅格运算、等值线分析等遥感与GIS技术手段的处理，实现了对城市地区高层建筑物信息的快速获取与统计分析。

2 研究区域与数据

本文以广西南宁市区内的一幅1∶1万标准图幅(F49G029006)范围为研究区域，面积大约为 28 km2。研究区内有各种建筑物、道路、桥梁、河流、湖泊，研究区地形有平坦，也有山体起伏。研究采用了航空LiDAR点云数据，通过规则格网重采样建立数字表面模型，并按照高程进行灰度量化生成DSM深度影像。经处理后DSM的地面分辨率为 1 m，高程精度为 0.1 m。为了对LiDAR DSM数据进行规则化还采用了DEM数据，地面分辨率为 5 m，高程分辨率为 0.1 m。本研究还使用了规划部门提供的同一时期的研究范围内的高楼统计数据，作为实际数据参考。

3 工作流程

本研究的主要工作包括LiDAR点云数据预处理(网格化成DSM距离影像)、DEM数据预处理(包括坐标转换、重采样)、DSM规则化、生成地物高度数据(栅格)、建筑物轮廓线提取、面积滤除非建筑物、楼高统计等。工作流程如图1所示：

4 关键技术与实现手段

4.1 DSM规则化

为了去除地面起伏对建筑物轮廓提取的影像，同时也为了得到排除地面高程后的建筑物高度(建筑物地面以上部分的高度)，采用了原始DSM减去地形DEM的方法，对DSM数据进行规则化。由于本文采用的DEM数据与DSM数据的坐标系统和空间分辨率均不相同，在进行DSM规则化之前，需对地形DEM数据进行坐标转换和重采样处理。

DSM规则化的示意如图2所示，规则化前后的DSM对比分别见图3(a)和图3(b)，可以看到图3(a)DSM影像右下角由于受到山体地形影响，山体上的建筑物无法在图像上显示出来，经规则化以后的影像如图3(b)，可见经规则化后的影像地物轮廓更清晰了。

图2 DSM规则化示意图

图3 DSM处理与建筑物轮廓提取

4.2 建筑物轮廓提取

等值线是在表示连续现象(如高程、温度、降雨量、污染程度或大气压力)的栅格数据中连接等值位置的线。这些线要素会将栅格数据集中具有同一常量值的像元连接在一起。等值线也可拥有特定的术语称谓，这取决于测量的对象。本文测量的对象是高程，因此也可称为等高线。常用的GIS软件(如ArcGIS、Surfer、SuperMap等)均提供等值线提取的功能。本文采用了ArcGIS 10.3的等值线序列(Contour List)分析功能，全自动提取 20 m、 40 m、 60 m、 80 m、 100 m、 120 m系列等高线。经过规则化的DSM数据，实际上是以地物高度为栅格值的栅格数据。城市建筑物绝大部分是四周陡峭的多面体结构。对规则化的DSM栅格进行系列等值线分析，即绘制系列特定高度的地物等高线，实际上就可以自动提取出特定高度处的建筑物轮廓线(横截面轮廓)。

如图3(c)是20 m以上地物等高线的提取，图3(d)和图3(e)分别是 40 m处和 60 m处等高线的提取。可以看出随着地物等高线增高，提取出的建筑物轮廓线逐渐减少。需要说明的是，在相同的比例尺下，柱状的建筑物在不同高度处的轮廓大小一致，而塔状的建筑物低处的轮廓比高处更大。

4.3 面积滤除

读者可以从图3(c)、(d)、(e)上看到，地面上高度较高的树木和建筑物顶部的塔架结构会在轮廓线图上形成一些碎斑。这些斑点的存在会极大地影响到建筑座数的统计。因此在统计之间必须消除这些碎斑。

树木和房顶塔架的水平断面面积均较小，以此可采用面积阈值法滤除碎斑。经过对已形成的碎斑的研究，发现设定 100 m2的阈值可以将绝大部分碎斑滤除，并不会对建筑物轮廓线产生影响。如图3(f)是对 20 m高度轮廓线图3(c)进行面积阈值法滤除的结果，可见碎斑已被消除。

5 结果与讨论

5.1 统计结果

统计结果如图4所示，楼高大于20 m的建筑物有 4 124座比规划部门提供的数据多出495座，准确率达到86.36%；楼高大于 40 m的有727座比规划部门提供的数据多出58座，准确率达到91.30%；大于 60 m的有455座比规划部门提供的数据多出9座，准确率达到97.96%；大于 80 m的有297座比规划部门提供的数据多出3座，准确率达到98.98%；大于 100 m148座比规划部门提供的数据多出1座，准确率达到99.50%、大于 120 m只有6座，准确率达到100%。可见在研究区内越高的楼数量越少，符合一般规律；同时统计数据显示，本办法对高度越高的建筑物有更高的统计精度。

图4 统计结果

本方法对于较低矮的建筑物的统计数据准确率较低，原因主要是两方面：①受到树木、广告牌、信号塔等障碍物的干扰；②较低矮的建筑物更容易出现(违章)加建或拆除的情况，从而与规划部门提供的数据产生差距。

5.2 结论与展望

本研究利用航空LiDAR数据生成DSM，规则化、生成轮廓线、面积滤除等步骤，按不同楼高等级提取出建筑物的水平轮廓，并结合GIS技术统计出各高度等级的建筑物个数和面积。经与同时期的规划部门数据对比观察发现该统计结果基本符合实际。实践证明这是一个研究城市高层建筑分布特点的快捷方法。

由于本研究仅限于对建筑物个数的统计，对建筑物轮廓线和面积提取的精度要求不高，因此只能用于高楼座数的快速统计分析。对于更深入的应用，如建筑物三维重建等，应考虑使用其他方法对生成的轮廓线进行进一步的精细化处理。

[1] 曾齐红. 机载激光雷达点云数据处理与建筑物三维重建[D]. 上海：上海大学，2009.

[2] 陈朋，谭晔汶，李亮. 地面三维激光扫描建筑物点云特征线提取[J]. 激光杂志，2016(3).

[3] 刘修国，张靖，高伟等. LiDAR点云数据中建筑物的快速提取[J]. 地球科学，2006(5).

[4] 于海洋，余鹏磊，谢秋平等. 机载LiDAR数据建筑物顶面点云分割方法研究[J]. 测绘通报，2014(6).

[5] 任自珍，岑敏仪，张同刚等. 基于等高线形状分析的LIDAR建筑物提取[J]. 西南交通大学学报，2009(1).

[6] 郝明，史文中，张华. 一种基于LiDAR数据的建筑物自动提取方法[J]. 测绘通报，2014(4).

[7] 赵小阳，孙颖. 基于LiDAR点云的建筑物边界提取及规则化[J]. 地理空间信息，2016(7).

[8] 徐文学，杨必胜，董震等. 标记点过程用于点云建筑物提取[J]. 武汉大学学报·信息科学版，2014(5).

Research on High-rise Statistics Method Based on LiDAR DSM and Contour Analysis

Pan Guiying，Li Zhouyi，Li Song

(Guangxi Archive of Surveying，Mapping and Geographic Information，Nanning 530023，China)

In this study，the Digital Surface Model (DSM) and Digital Elevation Model (DEM) that generated by LiDAR were used to analyze the high - rise buildings over a certain height in some areas of Nanning city through raster analysis and contour analysis. Analyze results compared with those from urban planning department，showing that this method is convenient and reliable，and can be used in the general statistics of urban high-rise.

LiDAR；DSM；raster computing；contour analysis

1672-8262(2017)04-105-03

P234.4

B

2017—01—03

潘桂颖(1983—)，男，硕士，工程师，主要从事遥感与GIS应用研究。