一種基于遙感影像確定城市三維重心的方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于遙感影像確定城市三維重心的方法，所述方法利用城市的遙感影像，結(jié)合城市地籍、地形數(shù)據(jù)，提取目標(biāo)城市的各個(gè)建筑的輪廓和相應(yīng)高度。然后，按預(yù)定的正方形格網(wǎng)將城市建筑高度和輪廓數(shù)據(jù)劃分成一個(gè)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，確定各個(gè)格網(wǎng)(單元)的建筑高度，進(jìn)而構(gòu)建建筑高度等值線。最后，基于目標(biāo)區(qū)域的建筑高度等值線構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域的三維模型，并基于三維模型計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的三維重心。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確快速地確定出城市或城市某一區(qū)域的三維重心。因?yàn)槿S重心可從平面尺度、立體高度等角度對(duì)城市的區(qū)位中心進(jìn)行測度，所以利用三維重心來進(jìn)行商業(yè)中心的布局、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的選址比利用二維重心來輔助決策要更加科學(xué)。
【專利說明】一種基于遙感影像確定城市三維重心的方法及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于城市影像確定城市三維重心的方法 及該方法的應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 城市作為人類活動(dòng)最為活躍的空間區(qū)域，其形態(tài)在城市形成與發(fā)展的時(shí)空過程中 不斷發(fā)生著變化，同時(shí)也反映著這一過程的特征和規(guī)律。在城市建設(shè)、土地管理等領(lǐng)域，都 需要掌握城市的發(fā)展趨勢狀況，以便基于城市的當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)一步對(duì)新建建筑進(jìn)行規(guī) 劃、設(shè)計(jì)、選址等工作。在對(duì)城市的發(fā)展趨勢進(jìn)行研宄過程中，獲得城市重心及其變化過程 是至關(guān)重要的。
[0003] 很多學(xué)者都對(duì)城市形態(tài)的演變和重心轉(zhuǎn)移規(guī)律進(jìn)行了深入研宄。在相關(guān)研宄中， 張樹清等在矢量景觀理論中對(duì)于單個(gè)地理對(duì)象的空間重心給出了理論定義和公式推導(dǎo)，匡 文慧等人在此基礎(chǔ)上提出空間重心轉(zhuǎn)移距離和重心轉(zhuǎn)移角度兩項(xiàng)指標(biāo)，用以進(jìn)一步分析重 心轉(zhuǎn)移的距離和方向性，并在近幾年的城市土地?cái)U(kuò)張和形態(tài)演化等相關(guān)研宄中得到了廣泛 應(yīng)用。同時(shí)，重心的研宄方法也被拓展應(yīng)用于人口重心、經(jīng)濟(jì)重心、景觀空間重心、生態(tài)服務(wù) 重心和土地利用重心等的研宄中，它是將重心作為一種加權(quán)平均中心，以人口、經(jīng)濟(jì)總量、 各類土地資源面積等作為權(quán)重參考，以經(jīng)煒度坐標(biāo)或者直角坐標(biāo)為基礎(chǔ)計(jì)算得到的。
[0004] 當(dāng)前對(duì)城市重心的研宄多基于城市平面形態(tài)獲得城市二維重心。在城市垂向伸展 日益顯著的背景下，非常有必要對(duì)城市的三維重心進(jìn)行變化分析。因?yàn)槿S重心更能夠反 映出城市人口的集聚和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的態(tài)勢，以及城市區(qū)位中心的移動(dòng)方向。
[0005] 但是，現(xiàn)有的城市重心研宄方法只能夠獲得城市二維重心的發(fā)展和變化，還無法 得到城市三維重心。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種基于城市的遙感影像確定城市三維重心的方 法，并且，本發(fā)明將該方法應(yīng)用于商業(yè)中心的布局、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的選址中，以便提高 商業(yè)中心和基礎(chǔ)設(shè)施的利用效率。
[0007] 具體而言，本發(fā)明提供了一種基于遙感影像確定城市三維重心的方法，其特征在 于，所述方法包括如下步驟：
[0008] 步驟1，獲取目標(biāo)城市的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)區(qū)域的影像以及所述目標(biāo)區(qū)域的城市地 籍和/或地形數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟2,對(duì)所獲取的影像進(jìn)行預(yù)處理；
[0010] 步驟3,基于所獲取的影像以及所述目標(biāo)區(qū)域的城市地籍和/或地形數(shù)據(jù)提取所 述目標(biāo)區(qū)域的各個(gè)建筑的輪廓；
[0011] 步驟4,基于所獲取的影像以及所述目標(biāo)區(qū)域的城市地籍和/或地形數(shù)據(jù)提取所 述目標(biāo)區(qū)域的各個(gè)建筑的高度；
[0012] 步驟5,以預(yù)定尺度繪制覆蓋所述目標(biāo)區(qū)域的正方形格網(wǎng)，所述正方形格網(wǎng)具有若 干正方形標(biāo)準(zhǔn)單元；
[0013] 步驟6,基于所獲得的所述目標(biāo)城市的各個(gè)建筑的輪廓和高度數(shù)據(jù)，采用所繪制的 所述目標(biāo)區(qū)域的正方形格網(wǎng)將各建筑劃分在所述正方形格網(wǎng)的一個(gè)個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)；
[0014] 步驟7,計(jì)算所述正方形格網(wǎng)的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)的建筑總體積，從而計(jì)算出每個(gè)標(biāo) 準(zhǔn)單元內(nèi)的平均建筑高度；
[0015] 步驟8,基于所述正方形格網(wǎng)的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)的平均建筑高度，生成所述目標(biāo)區(qū) 域的建筑高度等值線；
[0016] 步驟9,基于所生成的所述目標(biāo)區(qū)域的建筑高度等值線獲得所述目標(biāo)區(qū)域的三維 立體模型；
[0017] 步驟10,沿水平面方向?qū)λ鋈S立體模型進(jìn)行分割，以獲得與水平面平行的若 干建筑薄層；
[0018] 步驟11，分別計(jì)算每個(gè)建筑薄層的重心的平面坐標(biāo)（X，y)和高度坐標(biāo)（z);
[0019] 步驟12,基于各個(gè)建筑薄層重心的三維坐標(biāo)及各個(gè)薄層的體積計(jì)算各薄層的組合 體的重心的三維坐標(biāo)。
[0020] 進(jìn)一步地，所述步驟4中，提取所述目標(biāo)區(qū)域的各個(gè)建筑的高度的步驟包括：
[0021] 步驟4-1，獲取所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)若干已知建筑物的高度數(shù)據(jù)；
[0022] 步驟4-2,基于所述影像，對(duì)于所述目標(biāo)區(qū)域中的每個(gè)建筑，評(píng)估該建筑的多條特 征線的提取難度；
[0023] 步驟4-3,對(duì)于每個(gè)建筑，基于對(duì)多條特征線的提取難度的評(píng)估，選取最低難度的 特征線；
[0024] 步驟4-4,從所述影像中提取選定的特征線；
[0025] 步驟4-5,基于所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)已知的建筑物高度數(shù)據(jù)反算所述影像的攝取參 數(shù)；
[0026] 步驟4-6,基于所選定特征線的長度、所述攝取參數(shù)，計(jì)算所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)未 知建筑的高度。
[0027] 進(jìn)一步地，所述方法還包括判斷所述影像是單景影像還是多景影像的鑲嵌，如果 所述影像為多景影像的鑲嵌，則在所述高度提取的步驟中，分別針對(duì)各景影像進(jìn)行參數(shù)計(jì) 算和高度提取。
[0028] 進(jìn)一步地，所述步驟11中，每個(gè)建筑薄層的重心的平面坐標(biāo)等于該建筑薄層的形 心的坐標(biāo)，每個(gè)建筑薄層的重心的高度坐標(biāo)為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于影像確定城市三維重心的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟： 步驟1，獲取目標(biāo)城市的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)區(qū)域的影像以及所述目標(biāo)區(qū)域的城市地籍和 /或地形數(shù)據(jù)； 步驟2,對(duì)所獲取的影像進(jìn)行預(yù)處理； 步驟3,基于所獲取的影像以及所述目標(biāo)區(qū)域的城市地籍和/或地形數(shù)據(jù)提取所述目 標(biāo)區(qū)域的各個(gè)建筑的輪廓； 步驟4,基于所獲取的影像以及所述目標(biāo)區(qū)域的城市地籍和/或地形數(shù)據(jù)提取所述目 標(biāo)區(qū)域的各個(gè)建筑的高度； 步驟5,以預(yù)定尺度繪制覆蓋所述目標(biāo)區(qū)域的正方形格網(wǎng)，所述正方形格網(wǎng)具有若干正 方形標(biāo)準(zhǔn)單元； 步驟6,基于所獲得的所述目標(biāo)城市的各個(gè)建筑的輪廓和高度數(shù)據(jù)，采用所繪制的所述 目標(biāo)區(qū)域的正方形格網(wǎng)將各建筑劃分在所述正方形格網(wǎng)的一個(gè)個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)； 步驟7,計(jì)算所述正方形格網(wǎng)的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)的建筑總體積，從而計(jì)算出每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單 元內(nèi)的平均建筑高度； 步驟8,基于所述正方形格網(wǎng)的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)的平均建筑高度，生成所述目標(biāo)區(qū)域的 建筑高度等值線； 步驟9,基于所生成的所述目標(biāo)區(qū)域的建筑高度等值線獲得所述目標(biāo)區(qū)域的三維立體 豐旲型； 步驟10,沿水平面方向?qū)λ鋈S立體模型進(jìn)行分割，以獲得與水平面平行的若干建 筑薄層； 步驟11，分別計(jì)算每個(gè)建筑薄層的重心的平面坐標(biāo)（X，y)和高度坐標(biāo)（Z); 步驟12,基于各個(gè)建筑薄層重心的三維坐標(biāo)及各個(gè)薄層的體積計(jì)算各薄層的組合體的 重心的三維坐標(biāo)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定城市三維重心的方法，其特征在于，所述步驟4中，提取 所述目標(biāo)區(qū)域的各個(gè)建筑的高度的步驟包括： 步驟4-1，獲取所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)若干已知建筑物的高度數(shù)據(jù)； 步驟4-2,基于所述影像，對(duì)于所述目標(biāo)區(qū)域中的每個(gè)建筑，評(píng)估該建筑的多條特征線 的提取難度； 步驟4-3,對(duì)于每個(gè)建筑，基于對(duì)多條特征線的提取難度的評(píng)估，選取最低難度的特征 線； 步驟4-4,從所述影像中提取選定的特征線； 步驟4-5,基于所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)已知的建筑物高度數(shù)據(jù)反算所述影像的攝取參數(shù)； 步驟4-6,基于所選定特征線的長度、所述攝取參數(shù)，計(jì)算所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)未知建 筑的高度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的確定城市三維重心的方法，其特征在于，所述方法還包括判 斷所述影像是單景影像還是多景影像的鑲嵌，如果所述影像為多景影像的鑲嵌，則在所述 高度提取的步驟中，分別針對(duì)各景影像進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和高度提取。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定城市三維重心的方法，其特征在于， 所述步驟11)中，每個(gè)建筑薄層的重心的平面坐標(biāo)等于該建筑薄層的形心的坐標(biāo)，每 個(gè)建筑薄層的重心的高度坐標(biāo)為：Z, =(i-l) +S， 其中，i為"建筑薄層"所在的層數(shù)；h為"建筑薄層"的厚度，即兩條建筑高度等值線數(shù) 值之差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的確定城市三維重心的方法，其特征在于，所述目標(biāo)區(qū)域的三 維重心的坐標(biāo)為：
式中，?、?為城市三維重心的坐標(biāo)，X^ypZi為第i個(gè)"建筑薄層"的三維重心的 坐標(biāo)，Vi為第i個(gè)"建筑薄層"的體積，等于"建筑薄層"面積與厚度h的乘積。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定城市三維重心的方法，其特征在于，所述方法還包括計(jì) 算所述目標(biāo)城市的三維重心的轉(zhuǎn)移距離，計(jì)算公式如下：
其中，Dt+1為三維空間重心轉(zhuǎn)移距離，孓、義、^為基于在第一時(shí)間獲得的所述目標(biāo) 城市的影像計(jì)算所得的所述目標(biāo)城市的三維重心的坐標(biāo)，;--+1、義+1、為基于在第二時(shí) 間獲得的所述目標(biāo)城市的影像計(jì)算所得的所述目標(biāo)城市的三維重心的坐標(biāo)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的確定城市三維重心的方法，其特征在于，所述方法還包括計(jì) 算三維重心轉(zhuǎn)移距離在xoy平面上的投影距離D' t+1:
8. -種基于權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述方法獲得的城市三維重心的應(yīng)用，其特征在 于，所述應(yīng)用包括：基于所獲得的城市三維重心為商業(yè)中心進(jìn)行選址，使得所述商業(yè)中心位 于所述三維重心的預(yù)定距離之內(nèi)。
9. 一種基于權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述方法獲得的城市三維重心的應(yīng)用，其特征在 于，所述應(yīng)用包括：基于所獲得的三維重心為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目選址服務(wù)。
10. -種基于權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述方法獲得的城市三維重心的應(yīng)用，其特征 在于，所述應(yīng)用包括：基于所獲得的三維重心進(jìn)行城市發(fā)展方向和重點(diǎn)發(fā)展區(qū)位的選擇。
【文檔編號(hào)】G06Q50/26GK104463970SQ201410817213
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】劉彥隨, 喬偉峰, 王介勇, 王亞華, 項(xiàng)靈志 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所