高分辨率SAR图像城市建筑密度信息提取

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1、第43卷第3期东北师大学报(自然科学版)V01．43No。32011年9月JournalofNortheastNormalUniversity(NaturalScienceEdition)September2011[文章编号]1000—1832(2011)03—0133—05高分辨率SAR图像城市建筑密度信息提取曹永锋，吴琼。(1．贵州师范大学数学与计算机科学学院，贵I·I,l贵阳550001；2．武汉大学电子信息学院，湖北武汉430079)[摘要]建筑密度信息是城市规划、土地管理和居住区环境评估

2、等所需的一个重要指标．高分辨率(米级及以下)SAR图像数据的获取使得利用SAR图像精确提取城市建筑密度信息成为可能．提出了一个基于高分辨率SAR图像的计算城市建筑密度的有效方法，分为建筑检测、建筑密度初估计和建筑密度模型修正3个主要步骤．在武汉市武昌区的高分辨率TerraSAr—X数据的实验结果验证了本方法的有效性．[关键词]高分辨率SAR；建筑密度；修正模型[中图分类号]TP75[学科代码]170·45[文献标志码]A建筑密度是指建筑物的覆盖率，具体指用地范围内所有建筑的基底总面积与用地面积之比

3、，它可以反映出一定用地范围内的空地率和建筑密集程度．作为城市评估的一个重要指标，建筑密度在很多方面如城市规划、土地管理、环境保护资源分配、居住区环境评估等都具有指导性作用．中国幅员辽阔，具有600多个城市，且各个城市具有各自的建筑分布和特色．得到这些城市的建筑密度信息，采用人工实地调查的方法需要耗费大量的人力和物力，不能大范围推广测算，数据更新周期长，难以满足当代城市迅速发展的需要．采用高分辨率遥感影像进行建筑密度信息提取可以弥补直接调查方法的不足．目前，利用光学高分辨率影像的相关研究工作已经普遍

4、开展l】。]，但仍处于起步阶段，实验和应用范围较小并且精度有待提高．合成孑L径雷达(syntheticapertureradar，SAR)以其高分辨率和全天候、全天时，大面积的数据获取能力已成为世界各国普遍重视的对地观测遥感技术．先进的星载雷达系统，如德国的雷达卫星TerraSAr—X、加拿大的雷达卫星RADARSAT一2和意大利的COSMO／SkyMet，已经可以提供米级分辨率的图像数据，而先进的机载SAR系统已经能够达到分米级水平Ⅲ4]．在这样的分辨率下，城市建筑的几何和细节信息已经清晰可见，

5、城市建筑密度信息的提取完全可以基于高分辨率SAR数据源进行．利用高分辨率SAR图像进行建筑密度信息提取的研究工作目前并不多见，仅有个别研究人员对中等分辨率SAR图像建筑密度信息提取和利用进行了研究_5]，使用共生矩阵纹理特征描述城区建筑密度并基于此对城市环境进行了分类和分析，指出利用SAR图像进行城区信息的精细分析是有可能的．然而，对于建筑密度信息提取的预先工作建筑检测的研究从20世纪9o年代就已经开始，目前的研究主要侧重于建筑物的检测定位和几何信息提取(建筑高度等几何参数估计及建筑3维重建)．主

6、要方法可以分为基于单幅SAR图像信息的方法[6]，基于干涉¨9和立体视觉方法技术E]o3的方法，以及基于光学和SAR图像结合的方法_1J．一般来说，由建筑检测结果即可初步估计建筑密度信息，文献[1—2]使用高分辨率光学图像，首先检测建筑基底，然后估计各街区的建筑密度参数，取得了较好的效果；文献[13]基于已有建筑基底数据和GIS数据对北京市建筑密度分布进行了详细计算和分析．然而，上述所使用的建筑密度信息提取算法存在两个问题，首先，均以固定大小的网格／街区为单位统计建筑密度，实际中有时需要获取小于网

7、格／街[收稿日期]2011-04—26[基金项目]国家自然科学基金资助项目(40901207)．[作者简介]曹永锋(1976一)，男，博士，副教授，主要从事SAR图像处理与解译方面研究l34东北师大学报(自然科学版)第43卷区大小范围内的建筑密度值，这时只能用整个网格／街区的建筑密度值代替，这显然不能满足某些场合的要求；其次，算法基于建筑检测结果计算建筑密度，建筑检测的误差(目前建筑检测方法处于初步研究阶段，误差较大)直接带入到下一步的密度求取过程中，整个过程中并无任何其他修正措施，这在一定程度上

8、降低了信息提取结果的精度．基于以上原因，本文提出了一个基于高分辨率SAR图像的建筑密度信息提取方法，采用像素为单位计算建筑密度，以方便获取任意区域内的建筑密度信息；同时，建立了建筑密度修正模型对初估的建筑密度结果进行修正，进一步提高了结果的精度．该方法由建筑检测、建筑密度初估计和建筑密度模型修正3个步骤组成．1建筑密度信息提取方法1．1建筑检测基于SAR图像精确提取建筑物形状／高度和进行3维重建显然超出了本文范围．这里我们基于一个简单的建筑SAR成像模型(见图1)来确定建筑检测的策