崔 巍 湯世明 李 榮 姚志武

（武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 武漢 430070）

隨著遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，不同領(lǐng)域?qū)b感影像識別和分類的需求也不斷增強(qiáng).通常的做法是借助領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)行的分類標(biāo)準(zhǔn)，利用遙感技術(shù)來實現(xiàn)遙感對象的提取和分類.但是，現(xiàn)行的分類標(biāo)準(zhǔn)中，相對概念往往是根據(jù)其功能或職責(zé)進(jìn)行劃分的，例如，教學(xué)用地多由教學(xué)樓、宿舍樓等建筑構(gòu)成，在遙感特征上與普通的城鎮(zhèn)住宅用地等城市建筑物沒有區(qū)別，僅僅通過遙感數(shù)據(jù)本身，無法對其進(jìn)行提取和分類.因此，迫切需要一種方法，提取分類標(biāo)準(zhǔn)中按功能或職責(zé)分類的地物.為了實現(xiàn)上述目的，本文采取了一種用遙感影像、相對高程和地理本體［1－3］提取教學(xué)用地的方法.

1 利用相對高程和地理本體提取教學(xué)用地的原理

基本思路是利用高分辨率影像的陰影獲取建筑的高度信息.通過將建筑高度與利用面向?qū)ο筮b感提取的建筑屋頂相結(jié)合，得到其總的建筑面積；其次利用從遙感影像中提取的操場面積，根據(jù)教育部的相關(guān)規(guī)定和計算公式，換算得到對應(yīng)的教學(xué)用地面積，最后通過空間分析確定教學(xué)用地的范圍，實現(xiàn)對組成對象復(fù)雜的教學(xué)用地的分類.其中用到利用陰影提取建筑物相對高度算法［4－7］和教育部的相關(guān)規(guī)定.

1.1 遙感影像中建筑物相對高程

計算建筑物的相對高程信息基本原理見圖1.

圖1 太陽高度角、衛(wèi)星高度角、陰影之間的關(guān)系

設(shè)建筑物的高度為H；建筑物陰影的總長度為S；α為衛(wèi)星高度角；β為太陽高度角；γ為太陽方位角；L1為被遮擋陰影的長度；L2為影像上可見的陰影長度，則

如果衛(wèi)星傳感器掃描的方向與太陽照射的方向相反，這時L1＝0，則

1.2 相關(guān)本體知識

教育部本科教學(xué)工作水平評估指標(biāo)［8］中關(guān)于教學(xué)基本設(shè)施的規(guī)定為生均運(yùn)動場面積≥3m2才達(dá)到基本設(shè)施齊全的要求.生均運(yùn)動場面積由室內(nèi)體育場和一般運(yùn)動場2部分組成，而室內(nèi)運(yùn)動場在矢量圖上無法提取出來，不能計算出其面積.因此在計算生均運(yùn)動場面積時應(yīng)該不包括文獻(xiàn)［9］規(guī)定的室內(nèi)體育場（風(fēng)雨操場）的平均面積0.5m2.利用這一信息進(jìn)行修正，用操場的面積area除以2.5m2可以得到學(xué)生的人數(shù)st，即

文獻(xiàn)［9］中對11項校舍的規(guī)劃建筑面積的規(guī)定，見表1.

表1 11項校舍的規(guī)劃建筑面積總指標(biāo) m2／生

在研究中以綜合大學(xué)的建筑面積指標(biāo)為計算依據(jù)，因為這類學(xué)校的建筑類型相對齊全，比較有代表性.取生均占有的建筑面積avg為22.57 m2，然后與學(xué)生人數(shù)相乘得到學(xué)生的建筑面積starea，即

由于這些指標(biāo)只涵蓋了學(xué)生的建筑面積，而現(xiàn)實中教育用地還包括教工用地，如教工公寓和教工住宅等.根據(jù)教育部本科教育評估中關(guān)于師資隊伍與數(shù)量結(jié)構(gòu)中生師比的規(guī)定，當(dāng)生師比小于18時才達(dá)到結(jié)構(gòu)基本合理的要求.取生師比ratio為18，用學(xué)生人數(shù)除以18得到教工人數(shù)t，即

文獻(xiàn)［9］中對教工住宅和教工宿舍的相關(guān)規(guī)定確定教工的人均建筑面積.其中第三十七條規(guī)定教工住宅的規(guī)劃建筑面積指標(biāo)（以主管部門批準(zhǔn)的全校教職工人員編制總數(shù)為基本參數(shù)）不得超過34.14m2／人.第四十條規(guī)定教工宿舍的規(guī)劃建筑面積指標(biāo)（以主管部門批準(zhǔn)的全校教職工人員編制總數(shù)為基本參數(shù)）不得超過2.33m2／人.取教工人均占有建筑面積avg′為兩者之和36.47m2／人，將其與教工人數(shù)相乘得到教工占有的建筑面積At，即：

最后將學(xué)生和教工占有的建筑面積相加得到學(xué)?？偟慕ㄖ娣etotalarea，即：

2 教學(xué)用地提取算法

包括如下步驟：

步驟1 用規(guī)則提取陰影，并計算出其外包矩形的長和寬.在預(yù)置地段遙感影像的矢量圖中提取陰影，其中陰影的提取規(guī)則為：最大光譜差值大于1.1，近紅外波段2的光譜均值小于192，邊界指數(shù)小于2.5，海岸波段的光譜均值大于340，歸一化植被指數(shù)介于－0.09和0.025之間，標(biāo)準(zhǔn)差小于10，緊致度小于3.3，密度大于0.56，海岸波段的光譜均值小于370.計算陰影的面積A，對陰影做其外包矩形，計算外包矩形的面積A、周長P，計算外包矩形的長l和寬w.

步驟2 根據(jù)陰影長度換算建筑物的高度，估算出建筑物的層數(shù).計算陰影面積A與外包矩形面積A的比值ratio，當(dāng)比值ratio大于0.5時，將建筑的高度H設(shè)置為外包矩形的長l乘以系數(shù)0.91，否則，將建筑的高度H設(shè)置為外包矩形的長l乘以系數(shù)0.662 563，根據(jù)建筑物高度H，按每層樓高3.5m換算成層數(shù)c.

步驟3 用規(guī)則提取屋頂，并根據(jù)屋頂面積和建筑物的層數(shù)計算出其建筑面積.在所述矢量圖中提取屋頂，計算屋頂?shù)拿娣es′，其中屋頂?shù)奶崛∫?guī)則為：歸一化植被指數(shù)大于－0.083 4且小于0.315，并且海岸波段光譜均值大于353，亮度值小于851，形狀指數(shù)小于4.87，最大光譜差值大于0.65，標(biāo)準(zhǔn)差大于2.85，且綠波段的光譜均值大于近紅外波段的光譜均值；將層數(shù)c賦給與該陰影相鄰接的屋頂.用屋頂?shù)拿娣es′乘以層數(shù)c得到一棟建筑的建筑面積s.

步驟4 用規(guī)則提取出操場并計算面積.在所述矢量圖中提取操場，計算操場的面積area，其中操場的提取規(guī)則為：面積大于500m2，邊界指數(shù)小于等于1.37，亮度值小于567，且歸一化植被指數(shù)大于等于－0.096 4，并且最大光譜差值大于0.65，形狀指數(shù)小于3.1.

步驟5 用操場面積推算出學(xué)生人數(shù).用操場的面積area除以2.5m2，得到學(xué)生的人數(shù)st；將生均占有的建筑面積22.57m2與學(xué)生人數(shù)st相乘，得到學(xué)生的建筑面積starea；用學(xué)生的人數(shù)st除以生師比18，得到教工人數(shù)t；將教工人均占有建筑面積36.47m2／人與教工人數(shù)t相乘，得到教工占有的建筑面積tarea；將學(xué)生和教工占有的建筑面積相加，得到學(xué)?？偟慕ㄖ娣etotalarea.

步驟6 用緩沖區(qū)分析確定教學(xué)用地的范圍.對操場做自定義半徑的緩沖區(qū)；當(dāng)落在緩沖區(qū)內(nèi)建筑的建筑面積之和sum小于學(xué)?？偟慕ㄖ娣etotalarea之和時，對操場再做緩沖區(qū)，再做的緩沖區(qū)的半徑為上一緩沖區(qū)半徑加5m，直到落在相交以后緩沖區(qū)內(nèi)建筑的建筑面積之和sum不小于學(xué)?？偟慕ㄖ娣etotalarea之和后停止；將停止做緩沖區(qū)時緩沖區(qū)的半徑定義為Ri＋1，當(dāng)落在半徑為Ri＋1的緩沖區(qū)內(nèi)建筑的建筑面積之和sumi＋1與學(xué)?？偟慕ㄖ娣etotalarea之差的絕對值大于落在半徑為Ri＋1－5的緩沖區(qū)內(nèi)建筑的建筑面積之和sumi與學(xué)?？偟慕ㄖ娣etotalarea之差的絕對值時，緩沖區(qū)半徑重置為Ri，否則緩沖區(qū)半徑重置為Ri＋1，用重置半徑的緩沖區(qū)與操場所在的科教用地格網(wǎng)求交，教學(xué)用地的范圍為兩者相交的區(qū)域.

3 實驗結(jié)果和分析

在研究中選擇杭州市的部分學(xué)校進(jìn)行實驗，其中包括大學(xué)、中學(xué)和小學(xué).實驗結(jié)果表明，該算法確定的教學(xué)用地范圍是比較準(zhǔn)確的，尤其是對綜合性大學(xué)，分類結(jié)果與實際情況更接近.實驗結(jié)果見圖2（虛線為學(xué)校的實際范圍，實線部分為實驗確定的教學(xué)用地范圍）.

圖2 范圍確定比較準(zhǔn)確的圖

但是該算法還存在一定的局限性，對于部分未按照建設(shè)部和教育部相關(guān)規(guī)定進(jìn)行建設(shè)的學(xué)校，分類結(jié)果會與實際情況誤差較大.

上圖的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，大學(xué)所確定的范圍偏小，是由以下原因造成.

1）在用操場面積計算學(xué)校的建筑面積時選用學(xué)生人居建筑指標(biāo)中有一些建筑類型未包含，如工科院校的生產(chǎn)性工廠及其附屬用房，醫(yī)學(xué)院校及個別體育院校的臨床實習(xí)醫(yī)院、浴室、醫(yī)務(wù)所，個別學(xué)校的函授部因校外輔導(dǎo)站不足.

2）研究時用的人均建筑面積時按綜合大學(xué)來計算的，從表1中可以看到，一些工科院校、師范類的學(xué)校的人均建筑面積都要比綜合大學(xué)要大，所以用綜合大學(xué)的人均建筑面積來計算工科或師范類等的院校的建筑面積，要比其實際建筑面積要小.

4 結(jié) 論

以教學(xué)用地為例，提供一種用地理本體和相對高程提取和識別按功能或職責(zé)分類的遙感對象的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點.

1）分別利用規(guī)則提取科教用地的建筑屋頂和操場，避免人工對其進(jìn)行矢量化，為按功能和職責(zé)分類的遙感對象的自動提取和識別，探索了一條新思路.

2）利用建筑實際高度和影像中陰影長度的關(guān)系，通過陰影的長度得到建筑的高度，為二維的遙感數(shù)據(jù)推廣到三維應(yīng)用，拓寬了思路.

［1］崔 巍.用本體實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)語義集成和互操作［D］.武漢：武漢大學(xué)，2004.

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［6］謝軍飛，李延明.利用IKONOS衛(wèi)星圖像陰影提取城市建筑物高度信息［J］.國土資源遙感，2004，12（4）：4－6.

［7］吳海平.用高分辨率IKNONOS影像測定城市建筑容積率的研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.

［8］普通高等學(xué)校本科教學(xué)工作水平評估指標(biāo)體系解讀［EB／OL］.http：／／www.doc88.com／p－38973495530.html

［9］中華人民共和國建設(shè)部.普通高等學(xué)校建筑規(guī)劃面積指標(biāo)［M］.北京：人民教育出版社，1992.