基于高分辨率遥感影像的城市建筑物震害预测研究

长期以来，城市震害预测都是以人工调查建筑物信息为基础的。这种方法工作量大、效率低、费用高、时效性差，难以满足现今城市建设飞速发展的需要。利用高分辨率遥感图像本身的纹理、结构等特点和光谱信息获取城市建筑物信息，并逐步向自动化方向发展，成为城市信息获取、更新的重要方式。本项目围绕遥感技术在海量城市建筑物信息统计中应用的关键科学问题，采用理论分析与现场调查检验相结合的研究手段，深入探讨多元遥感信息提取和整合的理论；提出了基于层次分析法的小波去噪增强方法；研究利用异源遥感影像构建的广义立体像对提取建筑物属性信息的新方法；研究大范围建筑物信息自动化提取方法；优化了基于高分辨率遥感影像的建筑物属性信息提取作业流程，缩短了工作周期，提高了信息提取精度。通过实际震例对基于高分辨率遥感影像的城市建筑物震害预测结果进行了验证。研究RS与GIS一体化方法，在GIS软件中实现了建筑物三维信息的快速提取；实现RS与GIS的集成，并将之应用于城市震害预测中，为提高我国抗震防灾规划的编制效率提供理论支撑。 2100433B

建筑物震害预测则是编制城市抗震防灾规划的基础性工作。长期以来，城市震害预测都是以人工调查建筑物信息为基础的。这种方法工作量大、效率低、费用高、时效性差，难以满足现今城市建设飞速发展的需要。利用高分辨率遥感图像本身的纹理、结构等特点和光谱信息获取城市建筑物信息，并逐步向自动化方向发展，成为城市信息获取、更新的重要方式。.本申请项目面向城市建筑物震害预测工作中的重大需求，在全面分析国内外研究进展基础上，围绕遥感技术在海量城市建筑物信息统计中应用的关键科学问题；采用理论分析与现场调查检验相结合的研究手段，深入探讨多元遥感信息整合的理论；进一步完善建筑物的特征描述库以及特征参数的选取；研究大范围建筑物信息自动化提取方法；实现RS与GIS的集成，并将之应用于城市震害预测中，为提高我国抗震防灾规划的编制效率提供理论支撑。

本课题围绕基于过程的城市建筑三维建模技术开展理论方法和关键技术研究工作，重点开展了基于单张图像的建筑物组件重复性检测与几何过程建模技术，基于图像集的建筑建模、组件几何和反射属性建模技术，基于GIS数据的城市虚拟场景快速建模技术与工具等研究工作。 在基于单张图像的建筑物过程建模技术方面，研究了针对单张图像建筑物重复性组件的检测算法、建筑规则和组件生成算法。从分割的单张图像中自动生成三维建筑组件、建筑规则及三维建筑模型。通过简单的人工交互可以生成风格相同、形状可变的三维建筑模型。在基于图像集的建筑建模技术方面，以未标定数码相机拍摄的建筑物多幅照片为输入，提出了一系列算法，研究了建筑物三维点云数据的恢复与分割、建筑物组件重复性检测、建筑物前后层结构自动提取等技术，能够全自动的重构出逼真度较高的建筑物三维模型。在基于图像集的建筑物组件几何和反射属性建模技术方面，研究了基于本征图像分解的建筑物组件材质反射属性建模技术、基于径向基函数的逐像素组件深度插值算法，从而构建出可重光照的建筑物组件模型。在基于GIS数据和过程建模技术的城市场景快速建模方面，通过解析地理信息数据，提取地图数据中的建筑位置和朝向信息，结合本课题已研究的单个建筑建模方法生成的建筑模型, 快速生成城市局部区域的三维场景，研制了场景建模工具原型系统。 在本项目资助下，发表论文10篇（SCI检索2篇、EI检索4篇）、专利申请2项、专利授权2项，其中8篇文章发表在《Computers & Graphics》、《The Visual Computer》、《Computer Graphics Forum》、Graphics Interface (GI2013)、Pacific Graphics (PG2013)、Eurographics Symposium on Geometry Processing (SGP2014)，Asian Conference on Computer Vision (ACCV2014)， IEEE International Conference on Image Processing (ICIP2015)等CCF推荐国际B类、C类期刊与会议上。项目负责人获2013年教育部技术发明一等奖1项，排名第7（总发明人数为9），并晋升副教授。3名硕士在本项目资助下完成毕业论文，2名博士基本完成论文。 2100433B

（一）项目背景及研究目标 土地整治不仅可以增加耕地面积、提高耕地质量、而且能改善生产生活生态条件、促进土地可持续利用。国家每年投入愈千亿元用于土地整治、由于土地整治工程监管中缺乏必要的技术支撑、所获信息效率低、及时性差、人工投入大、难以准确监测土地整治工程实施进展和客观评价。针对以上问题、本项目基于高分辨率卫星遥感影像、开展土地整理项目监测技术研究、为土地整理项目前期的审查和规划、实施进度、竣工等环节的监测与评价,提供更加科学、合理、直观的技术支持手段和系统平台。 （二）主要创新成果 该项目主要研究内容包括基于高分辨率卫星影像的土地整理工程信息计算机辅助识别技术研究；土地整理工程实施遥感信息对比技术研究；土地整理项目进展遥感评价研究；土地整理遥感监测系统研发与应用示范4个方面。项目成果研发了拥有自主知识产权的土地整理遥感监测系统软件1 套、申请了软件著作权6项、在国内外发表论文10余篇。主要创新性研究成果包括： 1、构建了高分辨率卫星遥感影像土地整理典型地物计算机辅助识别技术体系。针对农用井、蓄水池等土地整理工程地物的面积小、分散和人工目视识别效率低等特点、利用土地整理规划图等辅助信息、建立了基于模板图像匹配的高分辨率卫星遥感影像点状地物自动提取方法；针对土地整理田间道路、防护林、沟渠的线状地物形状复杂、拐点多的特点、基于启发式图搜索和改进Snake算法、建立了高分辨率遥感影像高效土地整理线状地物半自动高效提取方法；针对高分辨卫星遥感影像中耕地等地类纹理特征突出的特点、研究了基于半变异函数和灰度共生矩阵的纹理特征提取方法、结合地物光谱特征自动识别土地整理区耕地、林地等典型地类；研究了基于面向对象的土地整理区面状地物变化监测方法。 2、研发了具有自主知识产权的土地整理遥感监测系统。针对土地整理项目监管的实际需求、基于项目成员单位自主知识产权的Titan6.0平台、开发了土地整理点状自动提取、线状地物半自动提取、面状地物自动提取、土地整理区工程地物变化分析等功能模块、同时集成了矢量数据编辑、拓扑生成、统计等模块。开发了面向土地整理工程进度管理的监测与评价模块、对新增耕地面积、农田水利设施、道路、防护林等工程、通过遥感提取信息的对比方法、客观评价土地整理项目实施进展和竣工后项目完成情况。 （三）应用情况及效益 项目执行期间、选择北京市顺义区、湖南省湘潭市和辽宁省阜新市等地的土地整理项目作为试验区、对本项目研发的技术、方法和土地整理遥感监测系统进行了验证和完善、并在河北省、福建省、辽宁省等进行了进一步的推广应用。对整理中和整理后的高分辨率遥感影像、利用本项目的软件平台相关功能模块、在计算机辅助提取土地整理工程信息的基础上、降低人工解译工作量约40%、利用遥感技术获取土地整治工程信息、减少野外调查核查工作量约80%。本项目的研究成果、为高分辨率遥感数据在土地整理项目管理应用提供了必要的技术手段、在土地整理工程进展监测、评价和管理等方面、具有良好的应用和推广前景。 2100433B

在城市环境下，相比于区域尺度的太阳能资源估算，具体评价建筑物可获得的太阳能资源潜力更具有实际价值。本研究利用国内外多源遥感传感器数据，基于大气辐射传输过程建立高时间分辨率的太阳射辐射参数反演模型，并以新疆地区为实例，研究太阳辐射能的时空分布规律。在此基础上，利用LIDAR、高分遥感数据进行城市建筑与高大树木的三维建模，进而模拟城市某建筑物受周围建筑物或树木的遮挡影响及其时空变化，再以利用卫星遥感数据估算的地面逐时太阳辐射参量为输入，动态计算和评价每小时建筑物墙面和顶面所能接受到的太阳辐射潜能。该项目完成了以下主要研究内容： （1）利用FY-2D、FY-3A和MODIS传感器数据建立了新疆地区逐时的太阳直射辐射和散射辐射反演模型，通过加入云校正系数解决了云天太阳辐射估算的问题，通过MODIS气溶胶产品与FY-3A气溶胶产品的融合，增强了新疆太阳辐射参量反演结果的空间连续性和精度； （2）基于三维分析方法建立了各建筑墙面太阳辐射潜能的估算模型，实现了逐时的各墙面接收到的太阳辐射能潜能估算与评价以及结果的三维可视化；利用LIDAR数据对城市建筑和高大树木进行三维建模并用于提高建筑尺度的太阳辐射潜能的评价精度； （3）利用所建立的模型和技术流程，对新疆地区太阳直射辐射分布进行了反演与分析，并以喀什等5个气象站点为代表进行了太阳直射辐射能的对比分析； （4）基于OPENGL和Windows C#环境开发了具有自主知识产权的太阳能估算的相关软件系统(SEPMAS)，实现了城市建筑物尺度太阳辐射潜能评价的自动化； 结果表明，本研究提出的基于多源遥感传感器数据的太阳辐射反演模型与技术流程，可提供误差在15%以内的太阳直射辐射结果，所建立的城市三维模拟系统和对建筑、树木的阴影遮挡模拟模型能够提供逐时的建筑物的顶和墙面的太阳辐射变化模拟，可为太阳能设备安装以及建筑规划中环保材料的选用提供基础的数据支持，加强太阳能的利用效率。