专利名称：基于星载激光雷达数据分析城市建筑高度/房屋总建筑面积变化趋势方法
技术领域：
本发明是一种对地观测领域的技术，涉及一种对星载激光雷达数据提取城市建筑高度，并结合土地利用/土地覆盖栅格单元数据来分析城市建筑高度/房屋总建筑面积变化趋势。此方法是一项具有应用价值的方法。
背景技术：
随着中国经济的飞速发展，城市建设发生了翻天覆地的变化，对城市变化的研究也突显重要。对城市变化的研究，很多学者已经做了深入的工作，如利用遥感技术对城市变化及其驱动力进行分析利用光学影像(Landsat TM/ETM+等)提取城镇用地和城市边界， 分析城市扩张的时空特征和驱动力；利用雷达数据(SAR图像)对城镇建筑识别等。但是到目前为止，利用遥感技术对城市变化的分析仅停留在二维空间上，即从城市平面扩张的角度来分析城市变化，而从建筑高度和体积变化来分析城市变化的研究非常少，其主要原因是缺少空间三维数据。激光雷达(Light Detection And Ranging，简称LiDAR)是一种集激光、全球定位系统(Global Positioning System，简称 GPS)和惯性导航系统 Qntertial Navigation System，简称INS)技术于一身的用于快速获取地面及地面目标三维高分辨率信息的主动式观测系统，LiDAR技术与成像光谱、合成孔径雷达一起被列为对地观测系统￠0 计划最核心的信息获取与处理技术。

发明内容
本发明就是利用星载激光雷达数据(GLAQ提供的地面目标三维空间信息，提取地面目标在垂直方向上的高度差即探测目标的高度，并分析高度变化规律；然后利用土地利用/ 土地覆盖信息(图1)提取建筑物面积，并结合GLAS提取的建筑高度得出建筑物的体积。通过研究地区建筑物体积的年季变化，可得出房屋总建筑面积(即建设用地范围内单栋或多栋建筑物地面以上及地面以上各层总建筑面积总和)的年季变化，并结合国家统计局的建筑行业统计数据进行验证，最终得出北京市总建筑面积的变化趋势。从建筑高度变化的角度来研究城市变化，以此为思路分析城市建筑高度、房屋总建筑面积的变化规律。


下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明的土地利用/ 土地覆盖栅格单元数据2是工作流程3是GLAS建筑物高度计算示意图
具体实施方式
本发明总体思路为利用GLAS数据提取的地面目标相对高度，以及光学遥感数据提取的建筑物面积，得到建筑物的体积即房屋建筑总面积，并与中国国家统计局发布的房屋建筑总面积建立线性回归关系。GLAS14数据提供了六个高斯回波的波形特征参数，第一个(最上)回波代表激光发射目标的最高部分，最后一个(最下)回波代表激光反射目标的最低部分，第一个回波和最后一个回波之间的距离为探测目标的相对高度。对建筑物而言，这两个高斯回波的高程均值位置分别代表建筑物和地面的海拔高程，因而其均值之差即为建筑物高度。另外考虑到GLAS数据70米光斑范围内可能不完全为建筑物覆盖，因而本研究对光学遥感影像进行混合像元分解，得到单个像元内建筑物所占的面积百分比。激光点提取的建筑高度与该激光光斑内建筑物面积百分比的乘积，既为该激光点所处位置的房屋总建筑面积(图2)。图3为典型建筑区域的GLAS回波波形，第一个(或起始)回波为建筑物的回波， 第二个回波来自地面。如图3所示，Hl为回波起始的波峰位置到地面的高度，可数学表达为H1 = Hb-He(1)其中Hb为起始回波的波峰位置，He为最后一个回波(地面回波)的波峰位置，Hl 为前两个回波之间的距离。由于起始回波的波峰位置并不代表目标(即建筑物)的最高点位置，尤其是具有倾斜房顶的情况，因此建筑物高度应该表示为H = Hi+3 σ(2)其中H为建筑物高度，为σ建筑物高斯波形的标准差，由幅宽即建筑物的垂直分布决定。由于高斯分布中99. 7%的样本点均在(均值士3 σ)的范围内，因此Η1+3σ可以准确的表达建筑物的实际高度。由于GLAS光斑直径较大(70m)，可能存在光斑范围内不全为建筑屋所覆盖(如可能出现暴露地面)的情况。利用GLAS激光点提取的建筑物高度和土地利用分类图中该激光点所处位置的建筑物面积百分比，可得该激光点内的房屋总建筑面积。V = HXn(3)其中V为激光点内的建筑物总面积，η为该激光点所处位置的建筑物面积百分比。
权利要求
1.基于星载激光雷达数据分析城市建筑高度/房屋总建筑面积变化趋势方法，其特征主要包括以下几个步骤(1)提取历年GLAS14数据的六个高斯回波信息及经纬度信息；(2)利用GLAS14数据计算城市建筑高度；(3)分析不同年份城市建筑高度的变化；(4)利用计算出的建筑高度数据和对应土地利用/土地覆盖数据上的值相乘，得到总建筑面积；(5)分析不同年份城市总建筑面积变化并结合城市高度变化规律，得到城市变化规律。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于利用星载激光雷达GLAS14数据计算出历年城市建筑高度，并分析城市建筑高度的变化规律。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于利用计算出的历年城市建筑高度与土地利用/ 土地覆盖数据相乘得到城市总建筑面积，并分析其变化规律，最后能得到整个城市的变化，将研究城市变化的维度从二维提升到三维，更能反映实际情况。
全文摘要
星载激光雷达GLAS的数据产品GLAS14提供了六个高斯分解波形，分别代表激光光斑内地面目标在垂直方向上的不同分层。利用这些波形的波峰位置提取地面目标的相对高度，并进行野外验证，分析城市建筑高度变化规律，然后将地面目标的高度数据与土地利用/土地覆盖类型图中城镇建设用地像元面积百分比相乘，得到城市总建筑面积的年季变化规律，结合国家统计局的房屋总建筑面积数据，建立了统计数据和GLAS估算总建筑面积的线性回归模型，该发明利用GLAS数据提取城市建筑高度弥补了以往遥感方法在城市变化研究上的不足，将城市变化的研究由二维平面拓展到三维空间，提高了研究精度，为城市研究开辟了新的途径。
文档编号G01S17/89GK102565809SQ20111043989
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者习晓环, 王成, 程峰 申请人:中国科学院对地观测与数字地球科学中心