CN111721268B - 一种精确反演建筑物高度的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精确反演建筑物高度的方法与装置，属于建筑物高度的测算技术领域，该方法从目标区域的正视影像和前视影像两方面进行考虑，一是通过正视影像计算的正视阴影长度，结合确定的正视比值系数，估算出目标区域中各建筑物的正视高度；二是通过前视影像计算的前视阴影长度，结合前视比值系数，估算出各建筑物的前视高度；最后利用正视高度和前视高度，带入反演模型，得到各建筑物的修正高度。本发明的方法简单，不需要进行复杂的计算，仅利用阴影长度与实际测量高度间的比值关系，以及表示修正高度与正视高度、前视高度间关系的反演模型，就能够快速、精确的反演出建筑物的高度，可靠性高。

Description

一种精确反演建筑物高度的方法与装置

技术领域

本发明属于建筑物高度的测算技术领域，具体涉及一种精确反演建筑物高度的方法与装置。

背景技术

建筑物是一个城市的主要组成部分，其高度的增长反映着城市垂直空间的扩张情况。并且，建筑物的高度信息在城市监测、三维建模、地图更新、城市规划和人口估测中的作用越发的重要。因此，研究一种实用的建筑物高度估测方法十分必要。

近十几年来，遥感数据的获取能力在时空分辨率上有了极大地提高。高分辨率影像为我们研究城市地区细节，尤其是对建筑物的研究提供了基础。例如，一篇申请公布号为CN108765488A的中国发明专利，提出了一种基于阴影的高分辨率遥感影像建筑物高度估测方法，该方法需要从待检测原始影像中进行阴影检测，由于检测到阴影中除了包含建筑物阴影，还存在其他非建筑物的阴影，即干扰阴影，要对检测的阴影进行复杂形态学上的处理，然后在通过阴影方向和建筑物对应阴影长度的统计特征确定阴影长度，再求取太阳方位角，进而推算太阳高度角，最后利用得到的阴影长度和太阳高度角估算建筑物的高度。

该方法的缺点是：为了保证一定估算精度，需要对建筑物阴影长度进行修正，去掉干扰阴影，计算建筑物高度；并且，该方法复杂，不仅需要对阴影检测结果图进行各种形态学处理，还需要求取太阳方位角、太阳高度角等，工作量大，计算效率较低，且计算精度一般。

发明内容

本发明的目的是提供一种精确反演建筑物高度的方法，用于解决现有方法复杂、计算效率低且计算精度不高的问题。同时，本发明提出一种精确反演建筑物高度的装置，以解决现有计算建筑物高度的方法复杂、计算效率低且计算精度不高的问题。

基于上述目的，一种精确反演建筑物高度的方法的技术方案如下：

(1)获取目标区域的正视影像和前视影像，分别提取正视影像和前视影像中的建筑物阴影；根据正视影像中的各个建筑物阴影，计算得到目标区域中各建筑物的正视阴影长度；根据前视影像中的各个建筑物阴影，计算得到目标区域中各建筑物的前视阴影长度；

(2)获取目标区域中N个建筑物的实际测量高度，N≥2，分别计算此N个建筑物的正视阴影长度与实际测量高度间的比值，计算比值的平均值，得到正视比值系数；分别计算此N个建筑物的前视阴影长度与实际测量高度间的比值，计算比值的平均值，得到前视比值系数；

(3)利用所述正视比值系数，结合目标区域中各建筑物的正视阴影长度，计算得到目标区域中各建筑物的正视高度；利用所述前视比值系数，结合目标区域中各建筑物的前视阴影长度，计算得到目标区域中各建筑物的前视高度；

(4)获取用于表示建筑物的修正高度与正视高度、前视高度间关系的反演模型，利用该反演模型，结合所述目标区域中各建筑物的正视高度和前视高度，计算目标区域中各建筑物的修正高度。

基于上述目的，一种精确反演建筑物高度的装置的技术方案如下：

包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的精确反演建筑物高度的方法。

上述两个技术方案的有益效果是：

本发明的方法首先从目标区域的正视影像和前视影像两方面进行考虑，一方面，通过正视影像提取建筑物的阴影，计算正视阴影长度，并结合确定的正视比值系数，估算出目标区域中各建筑物的正视高度；另一方面，通过前视影像提取建筑物的阴影，计算前视阴影长度，并结合前视比值系数，估算出目标区域中各建筑物的前视高度；最后利用求得的各建筑物的正视高度和前视高度，带入构建的反演模型，得到建筑物的修正高度。本发明的方法简单，不需要进行复杂的计算，仅利用阴影长度与实际测量高度间的比值关系，以及表示修正高度与正视高度、前视高度间关系的反演模型，就能够快速、精确的反演出建筑物的高度，可靠性高，具有较高的应用价值。

进一步的，为了确定反演模型，所述反演模型的表达式如下：

H′＝a₁*H_n,x+a₂*H_f,x+b

式中，H′为建筑物的修正高度，H_n,x为建筑物的正视高度，H_f,x为建筑物的前视高度，a₁、a₂、b均为反演模型的参数，通过对目标区域中已知的建筑物的实际测量高度、正视高度和前视高度数据进行拟合得到。

进一步的，为了确定建筑物的正视阴影长度，步骤(1)中正视阴影长度的计算步骤如下：

根据拍摄所述正视影像时的太阳方位角，在正视影像中的各个建筑物阴影中绘制表示太阳光线的线段，且绘制的线段与建筑物阴影边界相交，计算每个建筑物阴影面内所有线段的平均值，作为各建筑物的正视阴影长度。

进一步的，为了确定建筑物的前视阴影长度，步骤(1)中前视阴影长度的计算步骤如下：

根据拍摄所述前视影像时的太阳方位角，在前视影像中的各个建筑物阴影中绘制表示太阳光线的线段，且绘制的线段与建筑物阴影边界相交，计算每个建筑物阴影面内所有线段的平均值，作为各建筑物的前视阴影长度。

进一步的，为减小阴影长度的计算误差，在计算每个建筑物阴影面内的线段平均值时，去掉建筑物阴影面内线段的最大值和最小值。

进一步的，为了确定正视比值系数和前视比值系数，步骤(2)中的正视比值系数和前视比值系数的计算式分别如下：

式中，K_n为正视比值系数，S_n,i为第i个建筑物的正视阴影长度，h_n,i为第i个建筑物的实际测量高度，K_f为前视比值系数，S_f,i为第i个建筑物的前视阴影长度，h_f,i为第i个建筑物的实际测量高度。

进一步的，为了估算出建筑物的正视高度、前视高度，步骤(3)中各建筑物的正视高度和前视高度的计算式如下：

式中，H_n,x为建筑物的正视高度，S_n,x为建筑物的正视阴影长度，H_f,x为建筑物的前视高度，S_f,x为建筑物的前视阴影长度。

进一步的，作为计算正视比值系数和前视比值系数的其他实现方案，步骤(2)中的正视比值系数和前视比值系数的计算式分别如下：

式中，K_n为正视比值系数，S_n,i为第i个建筑物的正视阴影长度，h_n,i为第i个建筑物的实际测量高度，K_f为前视比值系数，S_f,i为第i个建筑物的前视阴影长度，h_f,i为第i个建筑物的实际测量高度。

进一步的，在上面正视比值系数和前视比值系数的其他实现方案基础上，步骤(3)中各建筑物的正视高度和前视高度的计算式如下：

H_n,x＝K_n*S_n,x

H_f,x＝K_f*S_f,x

式中，H_n,x为建筑物的正视高度，S_n,x为建筑物的正视阴影长度，H_f,x为建筑物的前视高度，S_f,x为建筑物的前视阴影长度。

附图说明

图1是本发明方法实施例中的精确反演建筑物高度的方法流程图；

图2-1是本发明方法实施例中的目标区域的正视影像图；

图2-2是本发明方法实施例中的目标区域的前视影像图；

图3-1是本发明方法实施例中的正视影像中的34个建筑物阴影示意图；

图3-2是本发明方法实施例中的前视影像中的34个建筑物阴影示意图；

图4是本发明装置实施例中的精确反演建筑物高度的装置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

方法实施例：

本实施例提出一种精确反演建筑物高度的方法，其基本原理是：利用资源三号卫星上的正视相机和前视相机，拍摄目标区域中的若干个建筑物，得到建筑物的正视影像和前视影像，然后分别计算正视影像和前视影像中建筑物的阴影长度，即正视阴影长度和前视阴影长度；测量目标区域中设定个数建筑物的实际高度(即实际测量高度)，例如分别测量三个建筑物的实际高度，分别计算这三个建筑物的正视阴影长度与实际高度间的比值，求取三个比值的平均值，得到一个正视比值系数；类似的，分别计算这三个建筑物的前视阴影长度与实际高度间的比值，求取三个比值的平均值，得到一个前视比值系数。

然后，利用正视比值系数，结合正视影像中各建筑物的阴影面长度，能够确定各建筑物的正视高度估算值；再利用前视比值系统，结合前视影像中各建筑物的阴影面长度，能够确定各建筑物的前视高度估算值；最后通过建筑物的正视高度估算值、前视高度估算值与修正高度值之间的反演模型，计算出目标区域各建筑物的修正高度值，得到了精确的建筑物高度，整体流程如图1所示。下面具体阐述该方法的实现步骤：

步骤1，提取建筑物阴影，具体步骤如下：

根据资源三号卫星上的正视相机和前视相机，拍摄到目标区域的正视影像和前视影像分别如图2-1、图2-2所示，根据影像亮度差异，提取出居民区正视影像、前视影像中的建筑物阴影，其中图2-1的正视影像中的34个建筑物阴影如图3-1所示，图2-2的前视影像中的34个建筑物阴影如图3-2所示。

步骤2，根据图3-1中的建筑物阴影，计算正视阴影长度；根据图3-2中的建筑物阴影，计算前视阴影长度。以计算正视阴影长度为例，介绍具体的计算方法如下：

首先根据拍摄正视影像时的太阳方位角，在图3-1中模拟画出太阳光线，将太阳光线分别与从图3-1中的建筑物阴影进行相交处理。为了减少误差，在本步骤中，删除正视影像建筑物阴影中线段的最大值和最小值，最后将每个建筑物阴影面内的所剩太阳光线的平均值作为该建筑物阴影面的长度，即建筑物的阴影长度。

前视阴影长度的计算方法与正视阴影长度的计算方法相同，即删除前视影像建筑物阴影的最大值和最小值。

步骤3，计算正视比值系数和前视比值系数，具体计算方法如下：

首先，分别在正视影像、前视影像中按照建筑物的高度不同，选取三个样本点，测量三个样本点(建筑物)的实际高度，计算阴影长度与实际高度的比值，用于构建正视比值系数K_n、前视比值系数K_f，如表1、表2所示。

表1正视影像中三个样本点及比值

编号	阴影长度	实际高度	阴影长度/实际高度
				1	26.927	31.9	0.844
10	36.638	43.5	0.842
				24	40.132	52.2	0.769

表2前视影像中三个样本点及比值

编号	阴影长度	实际高度	阴影长度/实际高度
				1	26.792	31.9	0.840
10	37.303	43.5	0.858
				24	58.089	52.2	1.113

根据表1中的数据，计算正视比值系数K_n，计算式如下：

式中，下标1、2、3表示三个已经获取建筑物实际高度的样本点，S_n,1、S_n,2、S_n,3为三个样本点的正视建筑物阴影面的长度(即正视阴影长度)，h_n,1、h_n,2、h_n,3为三个样本点的正视建筑物阴影面所对应的建筑物实际测量高度，将表1中三个样本点的相关数值带入式(1)中，计算得到的正视比值系数K_n为0.818。

类似的，根据表2中的数据，计算前视比值系数K_f，计算式如下：

式中，下标1、2、3表示三个已经获取建筑物实际高度的样本点，S_f,1、S_f,2、S_f,3为三个样本点的前视建筑物阴影面的长度(即前视阴影长度)，h_f,1、h_f,2、h_f,3为三个样本点的前视建筑物阴影面所对应的建筑物实际测量高度，将表2中三个样本点的相关数值带入式(2)，计算得到的前视比值系数K_f为0.937。

步骤4，计算建筑物的正视高度和前视高度，具体步骤如下：

根据步骤3中的正视比值系数K_n，结合步骤2中得到的正视阴影长度，计算建筑物的正视高度，该正视高度估算值的计算式如下：

式中，H_n,x为估算出的建筑物正视高度，S_n,x为建筑物的正视阴影长度，x为建筑物编号，x＝1,2,…,34。

类似的，根据步骤3中的前视比值系数K_f，结合步骤2中得到的前视阴影长度，计算建筑物的前视高度，该前视高度估算值的计算式如下：

式中，H_f,x为估算出的建筑物前视高度，S_f,x为建筑物的前视阴影长度。

按照上述的公式(3)和公式(4)，分别计算目标区域中34个建筑物的正视高度估算值和前视高度估算值，计算结果见表3所示。

表3建筑物的正视、前视高度

步骤5，建立反演模型，并基于该反演模型纠正建筑物高度，得到建筑物的修正高度值。具体步骤如下：

以估算的建筑物正视高度H_n,x、建筑物前视高度H_f,x为自变量，以建筑物的修正高度H'为因变量，建立反演模型，该反演模型的表达式如下：

H′＝a₁*H_n,x+a₂*H_f,x+b (5)

式中，a₁、a₂、b均为反演模型的参数，该参数的确定方法如下：

获取区域中已知的建筑物实际高度数据，与该区域的建筑物正视高度、建筑物前视高度数据，利用这些数据，按照上面的反演模型进行拟合，确定参数a₁、a₂、b分别为0.7134、0.2743、0.4360。

确定反演模型中的参数后，即确定了反演模型，将步骤4中的34组建筑物正视高度和建筑物前视高度数据，先后带入该反演模型，能够计算出目标区域中34个建筑物的修正高度值，且精度较高。

下面计算34个建筑物的修正高度的精度，以验证本发明的方法有效性。为此，实地测量了目标区域的34个建筑物的实际高度，然后将建筑物的修正高度与测量的实际高度进行比较，再乘以百分之百，得到修正高度的精度，34个建筑物的实际高度、修正高度和精度见表4所示。为了方便精度对比，表4中同时罗列了建筑物正视高度及其精度。

表4目标区域的建筑物高度的验证结果

结果表明，在34个建筑物中，通过本发明的方法计算出的建筑物修正高度中，有27个建筑物修正高度的精度比单一采用正视影像方法估算建筑物高度的精度高，平均提高了6.19％，7个建筑物高度的精度基本不变。因此，按照本发明的方法计算出的建筑物高度精度较高，且方法简单，能够快速估算出建筑物高度，具有较高的应用价值。

本实施例中，在进行建筑物的正视高度、前视高度的估算时，是利用了建筑物高度与阴影长度之间的比值不变的原理，因此，在计算正视比值系数和前视比值系数时，还可以采用以下计算式：

相应的，计算正视高度、前视高度的计算式应修改为：

H_n,x＝K_n*S_n,x

H_f,x＝K_f*S_f,x

本实施例中，为了计算正视比值系数和前视比值系数，根据实际高度的不同，选取了三个样本点，作为其他实施方式，还可以根据实际需求，选取两个样本点，或三个以上的样本点，因此，本实施例不限定选择样本点的个数，但是需要在选取样本点时，选取的建筑物高度要均匀具有代表性。

当选取的样本点数量变化时，本实施例中的用于计算正视比值系数的公式，和用于计算前视比值系数的公式均需要发生变化，例如选取N个样本点时，正视比值系数和前视比值系数的计算公式如下：

或者采用如下计算公式：

本实施例中，不必在步骤2中所有建筑物的正视阴影长度和前视阴影长度计算完后，再进行步骤3中的内容；作为其他实施方式，还可以在步骤2中确定出三个用于作为样本点的建筑物的正视阴影长度和前视阴影长度后，即可开始进行步骤3中正视比值系数和前视比值系数的计算。

装置实施例：

本实施例提供了一种精确反演建筑物高度的装置，包括存储器和处理器，以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，处理器与存储器相耦合，处理器用于运行存储在存储器中的程序指令，以实现方法实施例中的精确反演建筑物高度的方法，由于该方法在方法实例中的记载已经足够清楚、完整，本实施例不再赘述。

也就是说，以上方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现精确反演建筑物高度方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。

具体的，如图4所示的精确反演建筑物高度的装置，该装置可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)和存储器，一个或一个以上存储应用程序或数据的存储介质。其中，存储器和存储介质可以是短暂存储或持久存储。存储在存储介质的程序可以包括一个或一个以上模块(图示没标出)，每个模块可以包括对数据处理设备中的一系列指令操作。更进一步地，处理器可以设置为与存储介质通信，在精确反演建筑物高度的装置上执行存储介质中的一系列指令操作。

本实施例的精确反演建筑物高度的装置，还可以包括一个或一个以上电源，一个或一个以上有线或无线网络接口；一个或一个以上输入输出接口，其中输入接口用于获取建筑物的正视影像和前视影像；输出接口用于输出建筑物的修正高度值；和/或，一个或一个以上操作系统。例如，Windows ServerTM，Mac OS XTM，UnixTM，LinuxTM，FreeBSDTM等。

本实施例所指的处理器是指微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置。

本实施例所指的存储器包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，CD或DVD。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。

作为其他实施方式，本实施例的精确反演建筑物高度的装置还可以包括显示器，显示器用于显示建筑物的高度计算结果。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种精确反演建筑物高度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取目标区域的正视影像和前视影像，分别提取正视影像和前视影像中的建筑物阴影；根据正视影像中的各个建筑物阴影，计算得到目标区域中各建筑物的正视阴影长度；根据前视影像中的各个建筑物阴影，计算得到目标区域中各建筑物的前视阴影长度；

(2)获取目标区域中N个建筑物的实际测量高度，N≥2，分别计算此N个建筑物的正视阴影长度与实际测量高度间的比值，计算比值的平均值，得到正视比值系数；分别计算此N个建筑物的前视阴影长度与实际测量高度间的比值，计算比值的平均值，得到前视比值系数；

(3)利用所述正视比值系数，结合目标区域中各建筑物的正视阴影长度，计算得到目标区域中各建筑物的正视高度；利用所述前视比值系数，结合目标区域中各建筑物的前视阴影长度，计算得到目标区域中各建筑物的前视高度；

(4)获取用于表示建筑物的修正高度与正视高度、前视高度间关系的反演模型，利用该反演模型，结合所述目标区域中各建筑物的正视高度和前视高度，计算目标区域中各建筑物的修正高度；

所述反演模型的表达式如下：

H′＝a₁*H_n,x+a₂*H_f,x+b

式中，H′为建筑物的修正高度，H_n,x为建筑物的正视高度，H_f,x为建筑物的前视高度，a₁、a₂、b均为反演模型的参数，通过对目标区域中已知的建筑物的实际测量高度、正视高度和前视高度数据进行拟合得到。

2.根据权利要求1所述的精确反演建筑物高度的方法，其特征在于，步骤(1)中正视阴影长度的计算步骤如下：

根据拍摄所述正视影像时的太阳方位角，在正视影像中的各个建筑物阴影中绘制表示太阳光线的线段，且绘制的线段与建筑物阴影边界相交，计算每个建筑物阴影面内所有线段的平均值，作为各建筑物的正视阴影长度。

3.根据权利要求1所述的精确反演建筑物高度的方法，其特征在于，步骤(1)中前视阴影长度的计算步骤如下：

根据拍摄所述前视影像时的太阳方位角，在前视影像中的各个建筑物阴影中绘制表示太阳光线的线段，且绘制的线段与建筑物阴影边界相交，计算每个建筑物阴影面内所有线段的平均值，作为各建筑物的前视阴影长度。

4.根据权利要求2或3所述的精确反演建筑物高度的方法，其特征在于，在计算每个建筑物阴影面内的线段平均值时，去掉建筑物阴影面内线段的最大值和最小值。

5.根据权利要求1所述的精确反演建筑物高度的方法，其特征在于，步骤(2)中的正视比值系数和前视比值系数的计算式分别如下：

式中，K_n为正视比值系数，S_n,i为第i个建筑物的正视阴影长度，h_n,i为第i个建筑物的实际测量高度，K_f为前视比值系数，S_f,i为第i个建筑物的前视阴影长度，h_f,i为第i个建筑物的实际测量高度。

6.根据权利要求5所述的精确反演建筑物高度的方法，其特征在于，步骤(3)中各建筑物的正视高度和前视高度的计算式如下：

式中，H_n,x为建筑物的正视高度，S_n,x为建筑物的正视阴影长度，H_f,x为建筑物的前视高度，S_f,x为建筑物的前视阴影长度。

7.根据权利要求1所述的精确反演建筑物高度的方法，其特征在于，步骤(2)中的正视比值系数和前视比值系数的计算式分别如下：

式中，K_n为正视比值系数，S_n,i为第i个建筑物的正视阴影长度，h_n,i为第i个建筑物的实际测量高度，K_f为前视比值系数，S_f,i为第i个建筑物的前视阴影长度，h_f,i为第i个建筑物的实际测量高度。

8.根据权利要求7所述的精确反演建筑物高度的方法，其特征在于，步骤(3)中各建筑物的正视高度和前视高度的计算式如下：

H_n,x＝K_n*S_n,x

H_f,x＝K_f*S_f,x

式中，H_n,x为建筑物的正视高度，S_n,x为建筑物的正视阴影长度，H_f,x为建筑物的前视高度，S_f,x为建筑物的前视阴影长度。

9.一种精确反演建筑物高度的装置，包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8任一项所述的精确反演建筑物高度的方法。

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