CN106971274A - 海岛构筑物存量的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海岛构筑物存量的计算方法，包括如下步骤：基于立体像对的海岛DSM及nDSM数据的生成，建立海岛构筑物分类体系并建立物质清单库，结合nDSM提取的构筑物类型信息及参数，对海岛构筑物总存量进行计算，海岛构筑物总存量为居民建筑单元、非居民建筑单元、交通基础设施单元以及管线设施单元的存量加和。本发明结合海岛的实际情况及海岛构筑物的特点，基于高分辨率立体像对卫星影像及物质清单数据库，构建了一套海岛构筑物存量计算方法，可以实现大范围、快速且高精度的海岛人工构筑物物质存量计算。

Description

海岛构筑物存量的计算方法
技术领域
本发明属于基于遥感的信息综合提取方法，具体涉及海岛构筑物存量的计算方法。
背景技术
我国海岛众多，随着海岛旅游业、水产养殖业、新型海洋能源等涉海产业的快速发展，同时也为了提升国防安全和满足海上航运等方面的需要，近年来在海岛上兴建了大量的人工基础设施及其它构筑物，投入了大量的物质资源。作为一个地理空间与大陆隔离的系统，海岛自然资源相对有限，岛内设施建设的原材料绝大部分依靠大陆供给，定量计算海岛人工设施存量不仅是调控海岛资源优化配置的关键，也是管理部门评价海岛人类开发利用活动强度的基础数据。
目前国内外开展海岛物质存量的计算工作主要依赖于统计资料，日本、欧盟、美国等发达国家对于社会物质资源的流动与贮存有着多样化的数据采集手段及相对完善的产业数据库，可以较容易地开展物质流分析(Material Flow Analysis,MFA)及物质存量研究(Material Stock Analysis,MSA)。而在国内相关数据库的构建尚不完善，特别是以海岛为单元的统计资料更是匮乏，仅有的一些资料往往年代较久且不完整，这就造成了数据精度低、时效性差的问题。同时，由于统计口径的不同，也给海洋管理部门开展海岛间的横向比较带来了困难。
发明内容
根据上述不足之处，本发明的目的在于：提供一种海岛构筑物存量的计算方法，通过此方法，可以实现大范围、快速且高精度的海岛人工构筑物物质存量的计算。
为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种海岛构筑物存量的计算方法，包括如下步骤：
S1：对于待研究的海岛区域利用三阶有理函数将立体像对影像的像点坐标与地面点的空间坐标建立数学关系，进行相对定向：
式中(x,y)为像点的行列坐标，(X,Y,Z)是地面点在地图上的经度、维度和高度；i，j，k在[0,3]区间，且i+j+k≤3；
S2：利用地面控制点GCP将立体模型绝对定位到大地坐标系中，采用互相关算法进行匹配，生成数字表面模型DSM：
式中ρ为相关系数，g(x,y)为像素(x,y)的灰度值，(x1,y1)为参考影像坐标，(x2,y2)为原始影像坐标，n为窗口中像素个数，i和j为像素索引值；
S3：对数字表面模型DSM进行聚丛统计及小斑块去除，得到海岛数字高程模型数据DEM，利用两者的差值得到去除地形影响的标准化数字表面模型nDSM：
nDSM＝DSM-DEM (式6)
S4：建立海岛构筑物分类体系并建立物质清单库，结合nDSM提取的构筑物类型信息及参数，对海岛构筑物总存量进行计算，海岛构筑物总存量为居民建筑单元、非居民建筑单元、交通基础设施单元以及管线设施单元的存量加和，计算模型为：
MSTotal＝MSR+MSN+MST+MSP (式7)
式中，MSTotal为海岛构筑物总存量，单位为吨；MSR为居民建筑单元存量，单位为吨；MSN为非居民建筑单元存量，单位为吨；MST为交通基础设施单元存量，单位为吨；MTP为管线设施单元存量，单位为吨；
其中，居民建筑单元及非居民建筑单元两部分的物质存量可根据各类民居及非民居建筑的单位面积人工材料总量分别乘以海岛范围内该类建筑的总使用面积计算获得：
式8、式9中，MSRi为民居建筑的单位面积人工材料总量；MSNi为非民居建筑的单位面积人工材料总量；SRi为海岛范围内民居建筑的总使用面积；SNi为海岛范围内非民居建筑的总使用面积；
式10中，MSTi表示道路单元中第i种物质的存量，Lj为第j级道路的总里程；Wjk为第j级道路第k段路幅结构的宽度；Hijk为第i种物质在第j级道路第k段路幅结构中的横断面垫层厚度；ρ为第i种物质的压实密度；Cj为第i类物质在路沿石中的质量；F为单个路沿石长度。
式11中，MSpi表示管线设施单元中第i种物质的存量，Rj和rj分别表示第j类管线的外径和内径，Lj为第j类管线的长度；ρ为第i种物质的密度。
优选的是：所述的海岛构筑物分类体系包括四个存量单元，分别为居民建筑、非居民建筑、交通基础设施和管线基础设施；所述的居民建筑存量单元包括四个存量子单元，分别为砖混结构住宅、砖木结构住宅、石砌结构住宅和木制结构住宅；所述的非居民建筑存量单元包括三个存量子单元，分别为商业建筑、公公服务性建筑和工农业生产性建筑；所述的交通基础设施存量单元包括三个存量子单元，分别为道路基础设施、港口基础设施和航空基础设施；所述的管线基础设施存量单元包括四个存量子单元，分别为供水管线、排水管线、供暖管线和供气管线。
优选的是：所述的物质清单库包括：水泥、砂子、碎石、石材、木材、砖块、瓦、瓷砖、钢材、铝合金、玻璃和PVC。
本发明的有益效果在于：本发明结合海岛的实际情况及海岛构筑物的特点，基于高分辨率立体像对卫星影像及物质清单数据库，构建了一套海岛构筑物存量计算方法，可以实现大范围、快速且高精度的海岛人工构筑物物质存量计算。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为基于立体像对影像生成nDSM数据的流程示意图；
图3为海岛构筑物物质存量单元分类体系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明涉及一种海岛构筑物存量的计算方法，包括如下步骤：
S1：对于待研究的海岛区域利用三阶有理函数将立体像对影像的像点坐标与地面点的空间坐标建立数学关系，进行相对定向：
式中(x,y)为像点的行列坐标，(X,Y,Z)是地面点在地图上的经度、维度和高度；i，j，k在[0,3]区间，且i+j+k≤3；
S2：利用地面控制点GCP将立体模型绝对定位到大地坐标系中，采用互相关算法进行匹配，生成数字表面模型DSM：
式中ρ为相关系数，g(x,y)为像素(x,y)的灰度值，(x1,y1)为参考影像坐标，(x2,y2)为原始影像坐标，n为窗口中像素个数，i和j为像素索引值；
S3：对数字表面模型DSM进行聚丛统计及小斑块去除，得到海岛数字高程模型数据DEM，利用两者的差值得到去除地形影响的标准化数字表面模型nDSM：
nDSM＝DSM-DEM (式6)
S4：建立海岛构筑物分类体系并建立物质清单库，结合nDSM提取的构筑物类型信息及参数，对海岛构筑物总存量进行计算，海岛构筑物总存量为居民建筑单元、非居民建筑单元、交通基础设施单元以及管线设施单元的存量加和，计算模型为：
MSTotal＝MSR+MSN+MST+MSP (式7)
式中，MSTotal为海岛构筑物总存量，单位为吨；MSR为居民建筑单元存量，单位为吨；MSN为非居民建筑单元存量，单位为吨；MST为交通基础设施单元存量，单位为吨；MTP为管线设施单元存量，单位为吨；
其中，居民建筑单元及非居民建筑单元两部分的物质存量可根据各类民居及非民居建筑的单位面积人工材料总量分别乘以海岛范围内该类建筑的总使用面积计算获得：
式8、式9中，MSRi为民居建筑的单位面积人工材料总量；MSNi为非民居建筑的单位面积人工材料总量；SRi为海岛范围内民居建筑的总使用面积；SNi为海岛范围内非民居建筑的总使用面积；
式10中，MSTi表示道路单元中第i种物质的存量，Lj为第j级道路的总里程；Wjk为第j级道路第k段路幅结构的宽度；Hijk为第i种物质在第j级道路第k段路幅结构中的横断面垫层厚度；ρ为第i种物质的压实密度；Cj为第i类物质在路沿石中的质量；F为单个路沿石长度。
式11中，MSpi表示管线设施单元中第i种物质的存量，Rj和rj分别表示第j类管线的外径和内径，Lj为第j类管线的长度；ρ为第i种物质的密度。
其中，海岛构筑物分类体系包括四个存量单元，分别为居民建筑、非居民建筑、交通基础设施和管线基础设施；所述的居民建筑存量单元包括四个存量子单元，分别为砖混结构住宅、砖木结构住宅、石砌结构住宅和木制结构住宅；所述的非居民建筑存量单元包括三个存量子单元，分别为商业建筑、公公服务性建筑和工农业生产性建筑；所述的交通基础设施存量单元包括三个存量子单元，分别为道路基础设施、港口基础设施和航空基础设施；所述的管线基础设施存量单元包括四个存量子单元，分别为供水管线、排水管线、供暖管线和供气管线。
其中，物质清单库包括：水泥、砂子、碎石、石材、木材、砖块、瓦、瓷砖、钢材、铝合金、玻璃和PVC。
下面以山东长岛县某一有居民的海岛进行构筑物存量的计算过程对本发明做进一步说明。
1.基于立体像对的海岛DSM及nDSM数据的生成
基于该海岛2016年一期Pleiades卫星高分辨率立体像对数据(两个具有重叠区的0.5m分辨率影像，带有RPC文件)，利用公式1、2，计算相对定向元素建立地面立体模型，恢复影像瞬间立体像对中左右像片之间的相对空间位置。通过互相关算法(公式3-5)，利用已知的地面控制点GCPs对相对定位的影像配准，计算待配准影像点与已知控制点的互相关系数，确定最大的相关性作为匹配成功点，将以地势面作为基准面的相对高程转换为绝对高程。采用基于灰度的影像匹配策略，自动提取连接点Tie Points，再以人工的方式，手动修改和剔出错误的连接点，生成核线影像。设置UTM坐标，输出像元大小1m，输出DSM。通过聚丛统计Clump以及去除处理Eliminate，将DSM中地表构筑物、树木等小斑块去除获得DEM数据，阈值可通过对海岛构筑物的土地利用分析确定，一般设为面积最大构筑物的2～3倍。利用公式6，计算获得海岛标准化数字地表模型nDSM(如图2)。
2.构筑物信息提取及物质存量清单构建
基于0.5m高分辨率影像提取海岛构筑物的类别及相关建设参数。对于面积较小的海岛，可直接通过人工目视解译的方法对构筑物进行矢量化及辨识。对于面积较大的海岛，可采用面向对象的信息提取方法，综合利用波谱、二维及三维形态以及其它增强型遥感判别指数，对构筑物信息进行提取。海岛构筑物存量类型可参考图3的分类体系。提取的构筑物信息包括占地面积、占地形状、高度以及基于上述信息计算的楼层数、类型及结构等。根据海岛上相同结构建筑物质组成相似的实际情况，结合实地调研、典型施工案例分析、文献及统计数据收集，以及购买专业生命周期数据库等多种方式，构建海岛各类构筑物一般性物质存量清单，量化海岛民居建筑单元、非民居建筑单元、交通设施单元以及管线设施单元的单位面积、单位长度各类物质存量投入。利用公式7-11，将基于立体像对遥感影像提取的人工构筑物关键参数信息以及海岛各类构筑物物质存量清单数据代入基于自下而上框架构建的海岛构筑物存量计算公式，计算获得海岛人工构筑物物质存量总量及各类别存量单元的物质资源占用情况，参见表1。
表1山东长岛县某一有居民海岛其构筑物存量计算结果(单位：吨)
从表1可以看出，通过本方法，可以大范围、快速且高精度的计算出海岛构筑物的存量。
近年来遥感技术的飞速发展，特别是通过其构建数字表面模型DSM(DigitalSurface Model)提取构筑物信息，以及基于“自下而上”存量分析框架进行物质清单构建方法的发展，给开展海岛物质存量计算提供了新思路和新手段，而相比于传统基于社会统计数据或人工外业测量调查，将具有明显的优势。

Claims (3)

1.一种海岛构筑物存量的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：对于待研究的海岛区域利用三阶有理函数将立体像对影像的像点坐标与地面点的空间坐标建立数学关系，进行相对定向：
式中(x,y)为像点的行列坐标，(X,Y,Z)是地面点在地图上的经度、维度和高度；i，j，k在[0,3]区间，且i+j+k≤3；
S2：利用地面控制点GCP将立体模型绝对定位到大地坐标系中，采用互相关算法进行匹配，生成数字表面模型DSM：
式中ρ为相关系数，g(x,y)为像素(x,y)的灰度值，(x1,y1)为参考影像坐标，(x2,y2)为原始影像坐标，n为窗口中像素个数，i和j为像素索引值；
S3：对数字表面模型DSM进行聚丛统计及小斑块去除，得到海岛数字高程模型数据DEM，利用两者的差值得到去除地形影响的标准化数字表面模型nDSM：
nDSM＝DSM-DEM (式6)
S4：建立海岛构筑物分类体系并建立物质清单库，结合nDSM提取的构筑物类型信息及参数，对海岛构筑物总存量进行计算，海岛构筑物总存量为居民建筑单元、非居民建筑单元、交通基础设施单元以及管线设施单元的存量加和，计算模型为：
MSTotal＝MSR+MSN+MST+MSP (式7)
式中，MSTotal为海岛构筑物总存量，单位为吨；MSR为居民建筑单元存量，单位为吨；MSN为非居民建筑单元存量，单位为吨；MST为交通基础设施单元存量，单位为吨；MTP为管线设施单元存量，单位为吨；
其中，居民建筑单元及非居民建筑单元两部分的物质存量可根据各类民居及非民居建筑的单位面积人工材料总量分别乘以海岛范围内该类建筑的总使用面积计算获得：
式8、式9中，MSRi为民居建筑的单位面积人工材料总量；MSNi为非民居建筑的单位面积人工材料总量；SRi为海岛范围内民居建筑的总使用面积；SNi为海岛范围内非民居建筑的总使用面积；
式10中，MSTi表示道路单元中第i种物质的存量，Lj为第j级道路的总里程；Wjk为第j级道路第k段路幅结构的宽度；Hijk为第i种物质在第j级道路第k段路幅结构中的横断面垫层厚度；ρ为第i种物质的压实密度；Cj为第i类物质在路沿石中的质量；F为单个路沿石长度。
式11中，MSpi表示管线设施单元中第i种物质的存量，Rj和rj分别表示第j类管线的外径和内径，Lj为第j类管线的长度；ρ为第i种物质的密度。
2.根据权利要求1所述的海岛构筑物存量的计算方法，其特征在于：所述的海岛构筑物分类体系包括四个存量单元，分别为居民建筑、非居民建筑、交通基础设施和管线基础设施；所述的居民建筑存量单元包括四个存量子单元，分别为砖混结构住宅、砖木结构住宅、石砌结构住宅和木制结构住宅；所述的非居民建筑存量单元包括三个存量子单元，分别为商业建筑、公公服务性建筑和工农业生产性建筑；所述的交通基础设施存量单元包括三个存量子单元，分别为道路基础设施、港口基础设施和航空基础设施；所述的管线基础设施存量单元包括四个存量子单元，分别为供水管线、排水管线、供暖管线和供气管线。
3.根据权利要求1所述的海岛构筑物存量的计算方法，其特征在于：所述的物质清单库包括：水泥、砂子、碎石、石材、木材、砖块、瓦、瓷砖、钢材、铝合金、玻璃和PVC。
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