陰影長度法的建築高度數據提取的誤差分析

摘 要

針對大範圍建築物高度信息的提取精度低且速度慢的問題，提出利用GOOGLE Sketch Up模型法，模擬瀋陽市2014-09-22 T10:30不同位置、不同高度的建築及陰影，對此情況下基於陰影長度法測算的建築高度誤差變化規律進行研究。結果表明：測試點經度變化或緯度變化時，建築高度測算誤差都隨著與中心樣本點的距離增加而增大，且誤差隨緯度變化的幅度大於隨經度變化；測試點經緯度同時變化，建築高度測算誤差隨著與中心樣本點的距離增加而增大,且沿西北-東南方向變化幅度大於沿東北-西南方向；同一位置，測算誤差隨建築高度增加而增大。研究結果對提高陰影長度法的精度以及快速準確獲取大範圍建築物高度信息等研究有參考價值。

引用格式

李英，李俊英，閆紅偉，等.陰影長度法的建築高度數據提取的誤差分析[J]．測繪科學，2016，41（11）：44-49.

正文

隨著我國城市化進程的快速推進，建築高度信息在城市容積率、城市違章建築調查和城市經濟活動中有著不可或缺的地位。建築物高度信息的提取也是三維數字城市建設中亟待解決的問題。近年來，隨著QuickBird、IKONOS等高解析度衛星影像相繼出現，衛星遙感突破了米級空間解析度的局限，大大縮小了衛星影像與航空像片之間解析度的差距，使得從遙感影像上獲取建築物高度信息成為可能。

越來越多的國內外學者致力於藉助遙感影像快速準確地獲取建築物高度信息的研究。學者們多從太陽、衛星方位角及圖像陰影與建築高度的幾何關係入手，從解譯角度對誤差進行研究，採用面向對象的分類方法，或對影像陰影輪廓信息、紋理進行處理分析，使得陰影邊界更加確定，提高對陰影範圍的準確判讀，以減少判讀者主觀因素的影響來減小解譯誤差。此外，陰影信息提取及測高程序的開發運用對於減小解譯誤差也是十分有意義的，但大部分的研究均建立在複雜的判讀及幾何計算基礎上，方法繁瑣、操作複雜。

學者們對因地理位置差異引起的太陽方位角、高度角不同而產生的誤差研究較少。在地理跨度小於5 km的同影像中,任意兩點的太陽方位角、高度角、衛星高度角等差別甚微,可忽略不計。但是對大範圍建築高度信息進行提取，隨著經緯度的變化產生的誤差就不可忽略。因此，如何通過簡捷的操作準確地獲取大範圍建築高度信息就成為亟待解決的問題。

我們可以藉助Sketch Up完成室內、建築、景觀以及土木、機械和結構工程設計，甚至中型的建設和修繕的模擬及遊戲設計和電影電視的可視化預覽等諸多工作。Sketch Up能夠方便、快捷地建立建築物的三維模型，並能夠對不同地區全年任何時間的光照、陰影進行簡單的分析，這一功能為提取城市建築高度信息提供了方便。安潔玉等人提出了藉助於SketchUp三維建模軟體進行陰影分析而獲取建築物高度數據，不失為一種新的快速獲取建築物高度數據的方法，但也僅僅局限於對小範圍少量建築高度的逐一操作提取，效率不高，不適於大範圍提取建築物高度。

本文在總結前人研究工作的基礎上，以QuickBird衛星影像作為數據源，以瀋陽市城市三環內住宅建築為例，藉助操作簡便的Sketch Up軟體，計算不同位置，利用陰影長度法測算的建築高度誤差，探討其隨經緯度變化的規律，為通過遙感影像解譯獲取建築高度信息的研究工作提供一定的參考依據，進而為大範圍分區域快速提取建築高度信息提供參考。

利用陰影長度法獲取建築高度信息會產生測算誤差，以瀋陽市2014-09-22 T 10:30為例，藉助Sketch Up軟體探討了此時經緯度變化與測算誤差的關係，得出以下結論：緯度不變，經度變化時，測算誤差隨著與中心樣本點的距離增加而增大，經度不變，緯度變化時，測算誤差隨著與中心樣本點的距離增加而增大；而且增加相同距離，緯度變化對誤差的影響大於經度變化；經緯度同時變化時，測算誤差隨著與中心樣本點的距離增加而增大且沿西北-東南方向變化幅度大於沿東北-西南方向；同時間、同位置，測算誤差與建築高度成正相關。在瀋陽市三環範圍內小於等於196 m的建築，在精度允許範圍內；而某些地點大於等於280 m的建築超出精度需求，且超出精度需求的臨界點確定以及臨界範圍的輪廓形狀等還需進一步深化研究。

誤差產生的原因為太陽方位角和高度角不同，不同位置相同建築高度的陰影長度必然不同，本研究模擬時間為2014-09-22T 10:30，此時太陽在研究區域的東南偏南方向，太陽方位一定，因此從A到B，D到C，E到F，G到H，陰影長度依次遞減，測算的建築高度同樣依次遞減，過樣本點O後其值小於O點實際建築高度，且由於測算誤差為絕對值，因此測算誤差隨著與中心樣本點距離的增加而增大；測算誤差的變化幅度與太陽高度角有直接關係，太陽與各點的直線距離越大，成像時的太陽高度角越小，陰影越長，以AB，DC為例，太陽與各點的直線距離為D>A>B>C,因此DC陰影變化差必然大於AB陰影變化差，DC變化幅度大於AB變化幅度即增加相同距離，緯度變化對誤差的影響大於經度變化，同理EF變化幅度大於GH即經緯度同時變化時，且沿西北-東南方向變化幅度大於沿東北-西南方向。

應用陰影長度法獲取建築高度數據，通常會產生兩種誤差，一為解譯的誤差，二為太陽高度角方位角引起的自身誤差。本研究從理論探討角度出發，假定無人工解譯以及影像校準誤差，得出不同位置的建築高度測算誤差變化規律，為今後研究解譯誤差與自身誤差結合以及確定不同解譯精度要求下的陰影長度法的適用範圍提供準備工作。

本研究僅以瀋陽市城市三環範圍內為例，如果選取經緯度跨度更大的城市，如北京、上海，則需重新選擇樣本點及測試點進行測算誤差分析；經緯度變化會對測算誤差產生影響，因此城市的地理位置或城市的形狀輪廓會直接影響其測算誤差的變化規律；利用QuickBird衛星影像做為源數據，獲取陰影信息時，要考慮影像成像的天氣和時間，一年和一天的不同時間都會造成陰影長度不同，如每天早晚或冬季，影像的建築陰影會較長，從而導致陰影被建築或其他地物遮擋，造成陰影不完整性，同樣每天中午或夏季，陰影較短，人工解譯誤差增大，因此應根據需求選擇合適的影像數據。

本研究對象選擇瀋陽市三環以內，地形變化較小，未考慮地形變化對研究結果的影響。而實際工作中，這也會影響到測算建築高度的精度。因此，如何實現地形變化較大區域的大範圍建築高度的快速準確和智能化提取，還有待進一步探索。

2016年（第41卷）第11期

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