專利名稱：基于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析城市建筑高度/房屋總建筑面積變化趨勢方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種對地觀測領(lǐng)域的技術(shù)，涉及一種對星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取城市建筑高度，并結(jié)合土地利用/土地覆蓋柵格單元數(shù)據(jù)來分析城市建筑高度/房屋總建筑面積變化趨勢。此方法是一項具有應(yīng)用價值的方法。
背景技術(shù)：
隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)發(fā)生了翻天覆地的變化，對城市變化的研究也突顯重要。對城市變化的研究，很多學(xué)者已經(jīng)做了深入的工作，如利用遙感技術(shù)對城市變化及其驅(qū)動力進(jìn)行分析利用光學(xué)影像(Landsat TM/ETM+等)提取城鎮(zhèn)用地和城市邊界， 分析城市擴(kuò)張的時空特征和驅(qū)動力；利用雷達(dá)數(shù)據(jù)(SAR圖像)對城鎮(zhèn)建筑識別等。但是到目前為止，利用遙感技術(shù)對城市變化的分析僅停留在二維空間上，即從城市平面擴(kuò)張的角度來分析城市變化，而從建筑高度和體積變化來分析城市變化的研究非常少，其主要原因是缺少空間三維數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging，簡稱LiDAR)是一種集激光、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱 GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng) Qntertial Navigation System，簡稱INS)技術(shù)于一身的用于快速獲取地面及地面目標(biāo)三維高分辨率信息的主動式觀測系統(tǒng)，LiDAR技術(shù)與成像光譜、合成孔徑雷達(dá)一起被列為對地觀測系統(tǒng)￠0 計劃最核心的信息獲取與處理技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是利用星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)(GLAQ提供的地面目標(biāo)三維空間信息，提取地面目標(biāo)在垂直方向上的高度差即探測目標(biāo)的高度，并分析高度變化規(guī)律；然后利用土地利用/ 土地覆蓋信息(圖1)提取建筑物面積，并結(jié)合GLAS提取的建筑高度得出建筑物的體積。通過研究地區(qū)建筑物體積的年季變化，可得出房屋總建筑面積(即建設(shè)用地范圍內(nèi)單棟或多棟建筑物地面以上及地面以上各層總建筑面積總和)的年季變化，并結(jié)合國家統(tǒng)計局的建筑行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，最終得出北京市總建筑面積的變化趨勢。從建筑高度變化的角度來研究城市變化，以此為思路分析城市建筑高度、房屋總建筑面積的變化規(guī)律。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的土地利用/ 土地覆蓋柵格單元數(shù)據(jù)2是工作流程3是GLAS建筑物高度計算示意圖
具體實施方式
本發(fā)明總體思路為利用GLAS數(shù)據(jù)提取的地面目標(biāo)相對高度，以及光學(xué)遙感數(shù)據(jù)提取的建筑物面積，得到建筑物的體積即房屋建筑總面積，并與中國國家統(tǒng)計局發(fā)布的房屋建筑總面積建立線性回歸關(guān)系。GLAS14數(shù)據(jù)提供了六個高斯回波的波形特征參數(shù)，第一個(最上)回波代表激光發(fā)射目標(biāo)的最高部分，最后一個(最下)回波代表激光反射目標(biāo)的最低部分，第一個回波和最后一個回波之間的距離為探測目標(biāo)的相對高度。對建筑物而言，這兩個高斯回波的高程均值位置分別代表建筑物和地面的海拔高程，因而其均值之差即為建筑物高度。另外考慮到GLAS數(shù)據(jù)70米光斑范圍內(nèi)可能不完全為建筑物覆蓋，因而本研究對光學(xué)遙感影像進(jìn)行混合像元分解，得到單個像元內(nèi)建筑物所占的面積百分比。激光點(diǎn)提取的建筑高度與該激光光斑內(nèi)建筑物面積百分比的乘積，既為該激光點(diǎn)所處位置的房屋總建筑面積(圖2)。圖3為典型建筑區(qū)域的GLAS回波波形，第一個(或起始)回波為建筑物的回波， 第二個回波來自地面。如圖3所示，Hl為回波起始的波峰位置到地面的高度，可數(shù)學(xué)表達(dá)為H1 = Hb-He(1)其中Hb為起始回波的波峰位置，He為最后一個回波(地面回波)的波峰位置，Hl 為前兩個回波之間的距離。由于起始回波的波峰位置并不代表目標(biāo)(即建筑物)的最高點(diǎn)位置，尤其是具有傾斜房頂?shù)那闆r，因此建筑物高度應(yīng)該表示為H = Hi+3 σ(2)其中H為建筑物高度，為σ建筑物高斯波形的標(biāo)準(zhǔn)差，由幅寬即建筑物的垂直分布決定。由于高斯分布中99. 7%的樣本點(diǎn)均在(均值士3 σ)的范圍內(nèi)，因此Η1+3σ可以準(zhǔn)確的表達(dá)建筑物的實際高度。由于GLAS光斑直徑較大(70m)，可能存在光斑范圍內(nèi)不全為建筑屋所覆蓋(如可能出現(xiàn)暴露地面)的情況。利用GLAS激光點(diǎn)提取的建筑物高度和土地利用分類圖中該激光點(diǎn)所處位置的建筑物面積百分比，可得該激光點(diǎn)內(nèi)的房屋總建筑面積。V = HXn(3)其中V為激光點(diǎn)內(nèi)的建筑物總面積，η為該激光點(diǎn)所處位置的建筑物面積百分比。
權(quán)利要求
1.基于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析城市建筑高度/房屋總建筑面積變化趨勢方法，其特征主要包括以下幾個步驟(1)提取歷年GLAS14數(shù)據(jù)的六個高斯回波信息及經(jīng)緯度信息；(2)利用GLAS14數(shù)據(jù)計算城市建筑高度；(3)分析不同年份城市建筑高度的變化；(4)利用計算出的建筑高度數(shù)據(jù)和對應(yīng)土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)上的值相乘，得到總建筑面積；(5)分析不同年份城市總建筑面積變化并結(jié)合城市高度變化規(guī)律，得到城市變化規(guī)律。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于利用星載激光雷達(dá)GLAS14數(shù)據(jù)計算出歷年城市建筑高度，并分析城市建筑高度的變化規(guī)律。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于利用計算出的歷年城市建筑高度與土地利用/ 土地覆蓋數(shù)據(jù)相乘得到城市總建筑面積，并分析其變化規(guī)律，最后能得到整個城市的變化，將研究城市變化的維度從二維提升到三維，更能反映實際情況。
全文摘要
星載激光雷達(dá)GLAS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品GLAS14提供了六個高斯分解波形，分別代表激光光斑內(nèi)地面目標(biāo)在垂直方向上的不同分層。利用這些波形的波峰位置提取地面目標(biāo)的相對高度，并進(jìn)行野外驗證，分析城市建筑高度變化規(guī)律，然后將地面目標(biāo)的高度數(shù)據(jù)與土地利用/土地覆蓋類型圖中城鎮(zhèn)建設(shè)用地像元面積百分比相乘，得到城市總建筑面積的年季變化規(guī)律，結(jié)合國家統(tǒng)計局的房屋總建筑面積數(shù)據(jù)，建立了統(tǒng)計數(shù)據(jù)和GLAS估算總建筑面積的線性回歸模型，該發(fā)明利用GLAS數(shù)據(jù)提取城市建筑高度彌補(bǔ)了以往遙感方法在城市變化研究上的不足，將城市變化的研究由二維平面拓展到三維空間，提高了研究精度，為城市研究開辟了新的途徑。
文檔編號G01S17/89GK102565809SQ20111043989
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者習(xí)曉環(huán), 王成, 程峰 申請人:中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心