三维gis辅助下的高分遥感影像建筑物倒损检测方法
【专利摘要】一种三维GIS辅助下的高分遥感影像建筑物倒损检测方法，包括利用灾前三维GIS或影像RPC参数对灾后遥感影像进行几何纠正；获取灾前三维GIS中各建筑物对象的相应二维矢量数据及高度数据，构成灾前建筑物集合；将灾前二维矢量数据叠加至配准后的灾后遥感影像中，为各建筑物对象构建局部缓冲区，并在缓冲内进行水平集演化分割获得建筑物分割对象；提取灾后建筑物集合多个特征并检测隶属度，结合各个特征证据概率计算建筑物发生倒损的置信度；对灾后遥感影像中未处理区域进行水平集分割，滤掉面积小于预设面积阈值的对象，利用已处理区域训练分类。本发明采用三维GIS、水平集演化、证据理论，从多种特征入手解决建筑物倒损检测问题。
【专利说明】三维GIS辅助下的高分遥感影像建筑物倒损检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及遥感影像应用【技术领域】，特别涉及一种三维GIS辅助下的高分遥感影像建筑物倒损检测方法。
【背景技术】
[0002]自然灾害的频繁发生，给国家人民的财产带来极大损失，建筑物作为城市生产生活的重要地物，灾后对其倒损情况快速做出精确评估具有重要意义。遥感具有重访周期短，探测范围大、数据综合性高、经济效益高等特点，是灾害评估的核心手段之一。目前国家减灾部门对建筑物的倒损灾害评估致力于统计模型的建立、定性分析与评估，缺乏定量的特别是精细的定量评估，高空间分辨率(通常空间分辨率小于2米)遥感影像具有分辨率高、地物细节丰富等特点，随着其获取越来越便捷，逐渐成为定量化灾害精细评估的主要手段。
[0003]通常自然灾害发生后建筑物的倒损形式包括结构整体倒塌、整体沉降、部分倒塌、下部倒塌、中间层倒塌、墙体裂而不倒等。显而易见，对于建筑物整体沉降，下部倒塌等情况，倒损检测不仅需要二维信息的提取与分析，建筑物高度信息的检测也至关重要。目前利用遥感进行建筑物倒损检测的典型方法包括以下几种:1)利用单张灾后影像的建筑物倒损检测方法，通过对遥感影像解译分类，提取建筑物倒损信息，但该方法难以提取建筑物高度变化信息，即使能利用阴影等方式获得部分建筑物高度，但不具有普适性。2)利用两/多时相遥感影像的建筑物倒损检测方法，包括直接比较法、分析后比较法及统一模型法等。直接比较法即对不同数据源进行直接比较，对象主要包括像素，纹理特征，边缘特征以及各种复杂的变换后特征，如植被指数、主成分变换、独立成分变换、典型相关变化等；分析后比较法即对不同数据源信息提取后比较，对象包括类别、目标对象等；统一模型法即将不同数据源纳入统一的模型进行变化检测，将变化检测的方法和过程作为一个整体，采用统一的平差模型进行迭代求解。以上所述利用高分遥感影像的变化检测方法都取得了不错的效果，但是由于这些方法主要是基于二维数据的变化检测，难以检测建筑物高度变化信息，对检测那些部分倒塌、整体沉降、下部倒塌或中间层倒塌等高度发生变化的建筑物具有先天缺陷。
3)利用不同时相LIDAR(Light Detection and Ranging,激光雷达)数据或立体像对的建筑物倒损检测，LIDAR数据及立体像对都包含地物的三维信息，通过DSM (Digital SurfaceModel，数字表面模型)的提取与比较分析可以很好检测建筑物高度的变化，但是基于LIDAR数据的获取方式及发展状况，灾害发生地区通常很难具备多时相LIDAR数据，立体像对也存在类似问题，即使单时相立体像对可以检测建筑物倒损情况，但是存在立体像对幅面较小，而且需要专业的摄影测量处理软件，获取DSM及建筑物三维需要复杂的工作等问题。因此需要迫切寻找一种数据易获取、检测效率高、检测结果相对精确且顾及到建筑物高度信息的变化检测方法。
【发明内容】
[0004]本发明提出了一种三维GIS (Geographic Information System,地理信息系统)辅助下的高分遥感影像建筑物倒损检测方法，该方法将建筑物高度信息变化情况进行了检测，加强了建筑物变化检测的准确性。
[0005]本发明的技术方案为一种三维GIS辅助下的高分遥感影像建筑物倒损检测方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1，利用灾前三维GIS或影像RPC参数对灾后遥感影像进行几何纠正；
[0007]步骤2，获取灾前三维GIS中各建筑物对象的三维GIS数据，包括二维矢量数据及高度数据，构成灾前建筑物集合Vb ；
[0008]步骤3，记灾前建筑物集合Vb中每个建筑物对象为Vi,将相应二维矢量数据叠加至步骤I几何纠正后的灾后遥感影像中，在灾后遥感影像上为建筑物对象Vi构建局部缓冲区，将Vi所对应的遥感影像区域的轮廓作为初始水平集，在局部缓冲区内部的影像中进行水平集分割，得到建筑物分割对象Viseg ;所有建筑物分割对象构成灾后建筑物集合Vseg ；
[0009]步骤4，针对灾后遥感影像中步骤3所得灾后建筑物集合Vseg相应部分提取η个特征，并检测各特征的隶属度P j,结合各个特征的预设证据概率&计算建筑物发生倒损的置信度，当建筑物对象Viseg的置信度Pjudge处于置信区间时，认为建筑物发生倒损，并入集合Bs ；PJudge处于拒绝区间时，得到未发生倒损建筑物对象，并入集合Bn ；PJudge处于不确定区间时，建筑物对象疑似发生倒损，并入集合Bd ；
[0010]所述计算建筑物发生倒损的置信度采用以下公式，
[0011]
【权利要求】
1.一种三维GIS辅助下的高分遥感影像建筑物倒损检测方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，利用灾前三维GIS或影像RPC参数对灾后遥感影像进行几何纠正； 步骤2，获取灾前三维GIS中各建筑物对象的三维GIS数据，包括二维矢量数据及高度数据，构成灾前建筑物集合Vb ； 步骤3，记灾前建筑物集合Vb中每个建筑物对象为Vi，将相应二维矢量数据叠加至步骤I几何纠正后的灾后遥感影像中，在灾后遥感影像上为建筑物对象Vi构建局部缓冲区，将Vi所对应的遥感影像区域的轮廓作为初始水平集，在局部缓冲区内部的影像中进行水平集分害I]，得到建筑物分割对象Viseg ;所有建筑物分割对象构成灾后建筑物集合Vseg ； 步骤4，针对灾后遥感影像中步骤3所得灾后建筑物集合Vseg相应部分提取η个特征，并检测各特征的隶属度P j,结合各个特征的预设证据概率&计算建筑物发生倒损的置信度，当建筑物对象Viseg的置信度Pjudge处于置信区间时，认为建筑物发生倒损，并入集合Bs ；Pjudge处于拒绝区间时，得到未发生倒损建筑物对象，并入集合Bn ；PJudge处于不确定区间时，建筑物对象疑似发生倒损，并入集合Bd ； 所述计算建筑物发生倒损的置信度采用以下公式，
2.根据权利要求1所述在三维GIS辅助下的高分遥感影像建筑物倒损检测方法，其特征在于:步骤I中，判断输入的灾后遥感影像是否具有RPC参数，有则采用RPC参数对灾后遥感影像进行几何纠正，否则采用三维GIS对灾后遥感影像进行几何纠正。
3.根据权利要求1或2所述在三维GIS辅助下的高分遥感影像建筑物倒损检测方法，其特征在于:步骤4中，提取灾后遥感影像中步骤3所得灾后建筑物集合Vseg相应部分的面积、纹理和高度特征，并检测各特征的隶属度，包括对每个建筑物对象Vi及灾后遥感影像上的相应建筑物分割对象Viseg分别进行以下处理， a)对于某建筑物对象Vi的面积SiF_、灾后遥感影像上相应的建筑物分割对象Viseg的面积为SiAftOT，面积特征提取结果为面积差ASi = SiF_-SiAfte，检测面积特征的隶属度如下，
4.根据权利要求3所述在三维GIS辅助下的高分遥感影像建筑物倒损检测方法，其特征在于:建筑物对象Vi在灾后遥感影像中的高度值hiAftCT按如下方式提取， O由太阳方位角α 确定阴影相对于建筑物对象Vi的成像方向，设斜率为k，求出相应建筑物分割对象Viseg的最小外接矩形Recti,其中一组边平行于阴影成像方向，斜率为k，记为an、ai2,另一组边垂直于阴影成像方向记为bn、bi2 ;根据建筑物对象Vi灾前的高度值hiFore和影像成像时太阳与卫星的角度参数，求出由建筑物对象Vi投影出的阴影长度Ii ;将最小外接矩形Recti的边an、ai2沿建筑物成像方向延伸Ii,形成新的矩形Recti',并以预设缓冲区距离dBuffOT2为其构建局部缓冲区Rect，iBuf，得到待处理影像阴影区域Ω ishadow ； 2)在待处理影像阴影区域Ωishadow内进行OSTU分割，然后对所得分割对象Sdwi矢量化后的轮廓曲线进行压缩处理，利用斜率为k的直线以一定的间距对压缩处理后所得多边形进行分块，分别计算每条直线与多边形的两交点间的线段长度，求较长的多条线段的长度平均值作为阴影有效长度Sdwito ； 3)根据阴影有效长度Sdwital和影像成像时太阳与卫星的角度参数，计算得到建筑物对象Vi在灾后遥感影像中的高度值hiAfte。
【文档编号】G06T7/00GK103729853SQ201410018436
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】眭海刚, 李欣, 范一大, 孙开敏, 刘俊怡, 涂继辉 申请人:武汉大学