基于DEM的城市建筑及树木高度提取方法研究
摘 要：数字高程模型（DEM）数据在城市建筑高度和树木高度得提取中具有重要作用。本文选择杭州师范大学仓前校区为研究区，对数据进行处理，采用基于网格的方法，利用采样识别和表面插值从DSM数据中提取数字地形模型（DTM），生成地表特征高度，得到城市建筑及树木高度数据。本研究探究城市建筑及树木高度的合理性，为校园环境建设提供参考。
关键词： DEM；城市建筑高度；树木高度
- 研究背景
自 20 世纪 70 年代起，世界范围内的城市土地扩张速度普遍高于城市人口增长率，城市用地在急剧扩张[1]。城市化和工业化的进程突飞猛进，而城市建设也至关重要，如何合理的规划城市建设是重点。城市化发展吞没了原有的乡村和耕地，造成了区域绿地面积相对减小；高楼大厦林立，割裂了原有空气扩散通道[2]。近年来，我国提出了生态文明建设，生态文明评价指标体系构建是考核生态文明建设成效的有效方式。其每项指标的确定都应该符合最新的发展理念,满足社会主义基本原则,能够体现建设中国特色现代化发展的阶段性要求[3]。绿地是生态系统的焦点，受城市化进程影响[4],与城市建设息息相关。近年来我国城市化进程不断推进,不仅体现在城市面积上的增长,也体现在建筑物高度的增长。高度增长一方面能尽量克服城市土地资源匮乏的瓶颈,另一方面为优化城市结构及城市功能做出贡献。建筑和树木高度对于一个城市的形象是非常重要的。
遥感技术的发展使地形测绘发生了革命性的变化。卫星遥感技术,尤其是高分辨率卫星遥感技术的发展不断地促进着人类社会各个领域的发展进步，在社会经济、政治、国防等方面建设中的重要性日益凸显川。比如借助遥感大数据，可以为企业提供更宽阔的市场空间，还可以为政府的有关部门提供更加可靠的决策依据，并为科研领域提供更多的课题方向;对于公众而言，可以借助遥感大数据，让遥感产业化发展步伐更快些[6]。一些遥感数据能推导出关于城市地形结构的非常详细的信息。地表特征高度(SFH)可以用来表示城市建筑及树木高度。本文将“DEM”一词用于DSM和DTM数据。“DSM”的定义是:从平均海平面(大地水准面)或椭球面到地表特征(如建筑物和树木)顶部的高度，而“DTM”是大地水准面或椭球面到地形面的高度[5]。在城市遥感技术三维应用中，目标底物如建筑或树木的高度提取是非常重要的一个部分。
目前，对于提取建筑物高度的主要方法有，利用地形图并结合GIS数据库或建筑物设计图纸方法:利用GPS及全站仪等测量仪器的野外测量方法:还有利用航空影像立体影像获取建筑物高度的方法等传统提取方法[7]。树木高度同理，虽然这些方法通过了大量实践的检验，方法成熟，效果显著，但是获取数据时所花费的成本较高,而且费时费力，导致在后期数据处理中显得非常复杂繁琐。在实际应用中我们发现，这种方法显然对于提取大范围的城市建筑物高度信息并不是特别的适用。而伴随着技术的发展更迭，水平不断提高，各种高分辨率高精度的遇感卫星层出不穷，获得的卫星遥感影像中所包含的信息更为丰富，研究从DSM数据中提取数字地形模型（DTM），从而获得地物高度[8]。
- 研究意义
在城市遥感研究领域,对于城市建筑物高度的提取成为研究的重点。城市建筑物高度的估计与测量,已成为城市规划和扩张、城市灾害风险预警与评估的重要参数,同时也为数字城市三维模型的建立提供了基础测绘资料[9]。
城市建筑区高度信息对估算城市人口数量、违法违章建筑的监测以及城市的三维建模等方面有重要帮助。树高是检测树木长势、预测树木生物量、反映林地生产力的重要参数。因此，在植被资源调查时，测定树木高度成为一项必需的工作。如何准确、快捷地对树高进行测量，一直是林业界的研究热点。城市建筑高度的分布可以反映城市土地垂直利用的效率和格局，城镇建筑高度的普查与监测不仅可以研究建筑高度分布与城市环境的关系，促进城镇建筑分布及控制规划的科学合理性，而且对高层建筑安全监测和消防应急救援也具有重要意义[10]。植被是陆地生态系统最重要的组成部分，在维护生态系统平衡、涵养水源、保持水土等方面都具有重大作用[11]。树高是指一棵树从树木枝条顶端到树根底部的高度，是数字园林的重要基础数据。为从事森林生态、水文及生物物理等相关领域的科研人员提供重要的信息[12]。
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