基于卫星影像建筑物阴影计算建筑物高度的可行性分析

2023-01-04

1 引言

随着经济发展, 尤其是在国土附着房屋纠纷增多, 利用历史测绘资料对当时地表构 (建) 筑物确定其当时的状态的需求时有发生。但是由于种种原因, 历史测绘资料可能无法直接满足相应的需求, 就需要采取一定技术方法获得相关参数, 满足实际需要。如某现存建筑物需要确认其在2006年9月份房屋高度, 辅助判断该建筑物当时的层数。由于当时该区域没有地形图资料以及立体像对, 无法准确的判读建筑物层数及建筑物高度。后收集到该区域2006年9月的卫星影像资料、2006年12月20cm航空正射影像图、2008年3月线划图等测绘资料, 但是这些资料均无法直接获取当时时间节点的房屋高度或楼层数。如何利用二维平面数据获取房屋三维数据, 是解决问题的关键。国内外的学者也提出了众多的方法。如ARUBA、TOBAGO、ASCENDER等研究小组提出的基于航空遥感数据的方法[1];Cheng、Thiel和国内的何国金等利用全色SPOT数据进行建筑物高度估算的方法[2]。成熟的研究方法, 为工程计算提供了可靠的理论依据。

由于地形的影响, 在遥感影像上, 阴影是常见的部分, 它在图像上表现为低亮度值, 比较容易识别.当太阳光照射在物体的侧面时, 所产生的阴影反映了地物的侧面形状, 另外, 阴影还包含着物体的三维信息, 通过阴影的特征分析可以确定物体的高度信息。[3]

通过分析发现, 如果能够准确测出房屋阴影长度, 查询到摄影时间的太阳角, 通过三角函数关系, 即可计算出房屋高度。

2、房屋高度计算过程

2.1 房屋高度计算原理

如果需要获取房屋高度H, 可以根据摄影瞬间的太阳高度角和房屋阴影长度进行计算。如果阴影投射面为水平, 且影像为纠正后的正射影像, 三者之间就是简单的几何关系, 但是实际地面往往是非水平的, 因此所量测的房屋阴影长度为斜距, 需要斜坡参与进行计算。其几何关系如下图:

2.2 影像纠正及纠正误差估算

首先利用遥感影像处理软件对卫星影像进行纠正, 将卫星影像纳入到指定坐标系统, 并通过误差分析, 估算纠正误差。[4]

在此过程中应注意, 为确保影像纠正精度和可靠性, 参考影像分辨率要高, 并且是经过检验的合格影像。如果采用像控点纠正, 由于被纠正影像为历史影像, 现势性较差, 一定要注意像控点选点。

2.3 房屋阴影长度量测

利用纠正好的卫星影像进行房屋阴影量测, 量取房屋房角基底位置坐标与房屋角顶部相应阴影坐标, 计算出两点间距离即为该点房屋的阴影长度L。如下图“阴影长度测量示意图”。

在房屋基底坐标量取过程中, 由于摄影投影差原因, 很难直接在影像上量取其坐标, 但是由于基底影像位置与相应的基底位置一致, 因此可以采用该房屋已有地形图资料确定其基底位置, 该位置坐标就是基底影像位置坐标。房屋顶部阴影坐标影像图上可以直接量取。利用两个坐标即可计算出阴影长度。如下图。

2.4 计算地势坡度

在该任务中, 通过项目范围内的3个时间点的测绘资料 (2006年9月的quickbird卫星影像;2006年12月航空影像;2008年3月航摄制作的线划图) 可以判断出项目范围内及周边地形无明显变化。利用2008年3月航摄制作的线划图进行地势坡度计算, 房屋基础部分高程为48.7米, 路上阴影部分高程为48.3米, 以此计算出两者高差0.4米。 (坡度角为∠a)

2.5 计算太阳高度角

利用专业日照分析软件计算2006年9月29日11时05分, 该建筑所在位置准确的的太阳高度角∠b为47.7644°[6]

3房屋高度计算

根据三角函数的正弦定理公式

已知条件为坡度角∠a=2.0304°、太阳高度角∠b=47.7644°、阴影长度L=11.29m, 计算出房高H。

具体公式算法:

通过之后实际测量, 该房屋高度为12.65m。

4 误差分析

在房屋高度计算过程中, 如下因素对高度计算有比较大的影响。

影像纠正精度:阴影计算主要依赖于卫星影像, 因此影像纠正精度直接影像计算准确度, 高分辨率影像能够减少误差, 同时对影像纠正时尽可能减少影像面积, 确保纠正精度。

房檐改正:由于房檐存在, 其阴影长度较房屋高度实际阴影要大, 因此在阴影计算时应进行房檐改正, 提高精度。

影像图和地形图系统差, 从本次计算过程中知道, 建筑物基底利用地形图获取的, 因此两者系统差也影响计算精度。在作业过程中, 影像纠正的控制点应与线划图是一套坐标系统, 将两者的差值减少到最低。

5 结论

在这种计算过程中, 由于是小范围对影像进行纠正, 确保影像纠正的精度, 且影像底部定位依据线划图, 能够更准确确定位置坐标, 因此模型计算过程中不需要考虑卫星高度角的影响, 只要考虑太阳高度角和地面坡度即可, 便于在实际工程中应用。如果将影像纠正精度、房檐改正因素以及影像图和地形图系统差等误差因素适当考虑, 能够获得更精准的房屋高度值。

摘要：通过计算卫星影像上建筑物阴影, 结合相关测绘资料, 计算出建筑物高度, 通过与实际量测建筑物高度比较, 验证利用建筑物阴影计算建筑物高度的可行性。

关键词：卫星影像,建筑物阴影,建筑物高度,可行性分析