遙感航測技術在武漢市房屋拆遷量測算中的應用

朱傳勇，答星，劉文光，文琳，任楊

(武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022)

1 引言

隨著城市建設水平和經濟發展速度的大幅提升，城中村作為中國城市化歷史進程中的遺留問題已納入城市統一規劃建設和發展的戰略視野。按《武漢市土地利用總體規劃(2006年～2020年)》要求，武漢作為國家中心城市要進一步優化土地資源空間布局，節約集約建設用地，從而科學地提升城中村現有的基礎設施建設水平［1］。城中村改造工作中一個重要環節，就是針對拆遷升級改造涉及的拆遷補償費用問題。這一工作任務艱巨，尤其是通過常規的房產測繪和調查手段進入居民區中作業易引起矛盾，嚴重影響了城中村改造工作的進展。因此，如何利用現代測繪手段摸清拆遷建筑的面積、數量、樓層，成為精確測算補償費用，切實維護政府和人民利益的關鍵因素。

隨著數碼航攝相機性能的不斷提高，遙感航測技術也被越來越多地應用于城市規劃建設領域。武漢市測繪研究院遙感工程中心受武漢市洪山區勝利村委會的委托，核查2009年和2012年兩個時間段該村范圍線內房屋建(構)筑物的樓層、投影面積和建筑面積信息，從而科學地測算測區內的拆遷量。本文以武漢市洪山區勝利村城中村改造項目中建筑物面積測算為實例，結合遙感航測技術制定了生產技術方案，并探討總結了提高生產效率的若干技術要點。

2 航測技術應用于房屋拆遷量測算中的優勢

目前國內較為常規的房屋建筑量統計方法主要有3種:①常規測量手段外業采集和房產調查。該方法能得到房屋各角點坐標，統計數據精確，現勢性好，但外業工作量大，工程執行力易受多方面因素干擾，同時無法獲取歷史節點的房屋信息。②基于LiDAR與航空影像對房屋進行計算機自動提取。該方法首先要對LiDAR點云數據進行濾波預處理，常規利用荷蘭Vosselman博士提出的基于坡度變化的濾波算法分離出DSM和DEM，再采用圖像分割算法對植被、非建筑物等信息進行剔除，從而獲取建筑物的地表高程模型［2］。該方法自動化處理程度高，適用于較大范圍的房屋面積估算，但數據獲取成本高、處理流程復雜，同時房屋邊緣因受點云影響而定位不準，且相鄰高度的房屋界限無法自動分離，不適合獨棟房屋建筑面積的精確測算。③航空攝影測量和GIS相結合的方式。航空攝影測量作為非接觸性測量手段，能夠真實和詳盡地記錄攝影瞬間客觀景物的紋理和形態，高精度數碼傳感器也極大地提高了影像的空間分辨率和立體量測精度。對于拆遷主體的城中村房屋來說，以某一特定時間作為分界線的影像資料，能夠為判定建筑主體是否違規建設提供確鑿證據。由于拆遷工作所涉及利益的特殊性，政府及規劃部門通常會在發布公告前，完成拆遷量的測算和評估工作。利用多時態的遙感影像作為評估節點，相較前述兩個方法而言，能夠提高拆遷量測算工作的保密性和精確性，使成果具有較強的客觀性，使歷史影像資源實現再增值［3］。

3 項目情況簡介及技術路線

本文以武漢市洪山區勝利村改造項目為例，測區內城中村居民房屋呈片狀及帶狀分布，房屋間距密集、搭建現象嚴重;測區內同時包括鐵路廠房、工廠車間、工棚、農用設施等。利用我院已有2009年DMC數碼航攝影像和2012年ADS80數碼航攝影像資料作為項目數據資源，導入空三成果資料到MapMatrix全數字攝影測量工作站中，恢復立體模型。將原始二維線劃圖進行預處理，提取房屋數據并轉換為三維數據，并以此為據修改測區范圍內建筑物頂的外輪廓線，采集建筑物頂面高程和地面高程數據。通過設計樓層判斷依據，提取樓層信息，并在GIS軟件中測算出兩個年代的房屋的投影面積及建筑面積。經外業調繪核查房屋屬性和房屋樓層錯判等情況，統計兩個年代的房屋面積測算表，并用CAD軟件制作房屋分布線劃圖和變化圖。最終利用兩個年代的正射影像數據，制作成專題影像圖。其具體技術流程圖如圖1所示:

圖1 技術流程圖

4 生產過程中的關鍵技術

4.1 房屋樓層的判斷依據設計

利用已有空三資料恢復立體模型后，可在立體模型上采集房屋邊界線獲得房屋的投影面積，再通過房屋的投影面積與樓層的乘積計算建筑面積。因此，判斷房屋樓層信息的準確性直接影響到建筑面積的核算精度。通過設置多重標準判斷樓層成為房屋拆遷建筑量核算的關鍵因素。筆者通過實驗總結了4條標準判定樓層，第一，基于房屋側面影像紋理來判讀樓層，如能清晰識別窗戶數量的房屋，但該方法對像底點周圍的房屋和因房屋過密而相互遮擋的情況不適用;第二，基于已有地形圖數據與房產測量資料進行輔助判讀，但因歷史數據的現勢性欠佳和綜合取舍尺度不同的問題，該方法只能作為參考;第三，基于房屋高差判定，通過采集的屋頂高程與地面高程進行比較得到建(構)筑物高度，按 3 m一層計算樓層，樓層計算余數≥2.5 m加一層，最終得到樓層結果［4］。該方法適用性廣，但對于車間、廠房、配電室等特殊建筑物層高與普通房屋層高有一定的誤差，直接套用該方法會影響建筑面積的統計精度。第四，向委托方咨詢或外業實地調查判斷，該方法能對上述樓層判定結果進行檢核，同時能對建筑物屬性進行定性區分，以便后期核算不同的拆遷成本。

4.2 歷史二維線劃圖的三維處理技巧

由于城中村房屋密集，搭建現象嚴重，一定程度上也影響了地面高程的采集精度，從而使依靠高差判斷樓層有誤。利用歷史線劃圖資料，雖現勢性不足，但其通過外業測量手段獲取的房屋邊界線和樓層注記信息可在一定程度上可作為輔助判讀樓層的參考依據，如本文使用我院2008年該區域 1∶2 000的線劃圖數據。因歷史線劃數據(dwg格式)經二維化處理后，若直接導入到立體模型中會有明顯的視差，因此需通過三維化處理，還原數據三維信息。依據這一思路，筆者首先利用FME軟件按要素屬性編碼分類輸出房屋、房屋注記、高程點注記層，并在ArcGIS軟件中對房屋層要素進行面要素的拓撲構建，確保面要素中包含唯一的注記信息。若測區已有DEM數據可直接利用，若無則利用高程點構TIN，內插生成該區域的地面高程模型。通過ArcGIS軟件中Extract Values to Points函數獲取注記點位的地面高程，然后加上樓層乘以層高的乘積，得到房屋的近似頂面高層。最后利用空間位置關聯注記信息和房屋面要素，并利用Feature to 3D By Attribute函數將頂面高程值寫入到房屋三維面的Z坐標中，實驗證明，導入的三維房屋邊界線數據與立體模型套和后，視差明顯減小，有效提高內業采集效率和判讀精度。

4.3 多源影像在高程精度和側面紋理方面的互補

傳統框幅式航攝影像的高程精度由于受基高比、像元分辨率等影響，通常無法直接滿足 1∶2 000地形圖的高程采集精度。由空間前方交會得到的高程精度公式MZ=GSD/(k×b/f)得知，提高高程精度的因素有3點，一是提高基高比b/f;二是提高像點坐標的量測精度即k值越大;三是提高GSD地面分辨率(分辨率越高GSD值越小)。高精度數碼航攝相機能夠通過更小的傳感像元，降低航飛高度，提高地面分辨率，獲得較高的高程精度。以本次項目使用的2009年DMC傳感器為例，像素大小為12 um，以 1∶12 000攝影比例尺進行航向65%重疊度的1∶2 000航測成圖，GSD能控制在14.4 cm(優于成圖分辨率 20 cm)，數碼影像的像點量測精度為1/3.2個像元(k=3.2)，高程精度能達到 18 cm。而2011年使用的ADS80傳感器，能直接通過前后視夾角(前視14°、后視27°)形成接近0.87的基高比(B/H=tan41°)，從而即使使用GSD為 0.2m的推掃影像，數碼量測精度為1/3.2情況下獲得 8 cm的高程精度［5］。雖然ADS80傳感器能獲得更好的地物高程精度，但DMC以其較高的地面分辨率和攝影重疊度能夠為房屋樓層提取提供更清晰的側面紋理信息。筆者通過生產實驗，房屋變化通常以擴建、搭建、新增、拆除4種為主，其中未大批拆除的房屋地塊基本上以搭建和擴建為主，因此通過相鄰年代的聯合判讀，能使不同傳感器的數碼航空影像在高程精度和側面紋理方面形成互補。

4.4 房屋圖形處理和整飾技巧

立體采集后的數據需要經過懸掛處理、拓撲構面、屬性掛接等工序，才能進行統計，否則將影響后續統計精度。利用ArcGIS軟件的Topology模塊設置必要的拓撲語義能夠完成房屋面狀構建工作，大部分工序以計算機自動判別為主，但環狀面、重疊面等還需要手工判別修改［6］。以疊置面為例，分為完全重疊型和非完全重疊型，對于完全重疊型面可使用FME內置的DuplicateRemover函數，以面積屬性和空間位置作為判定依據自動剔除，但非完全重疊型面則只能通過空間位置進行批量提取，再進行人工判斷。在房屋面狀要素處理完成后，還要完成樓層等屬性信息的關聯工序，該工序關鍵環節是確保注記點和房屋面元素的一一對應。獲取樓層屬性的房屋面元素可批量計算投影面積、建筑面積等，但為后續出圖易與房屋對應，還需要添加房屋編號。筆者在ArcGIS軟件中提取房屋面心點坐標，利用FME軟件中的Sorter函數，按照自上而下、從左到右的順序依次添加編號，分層輸入成Dwg格式后，在CAD軟件中，完成最終房屋分布圖的圖廓整飾工序。

4.5 多源傳感器影像制作專題影像底圖不同處理方法

通過疊加注記、區域范圍線制作不同年代的專題影像圖能夠為外業調查定位提供準確翔實的影像地物信息，配合房屋分布示意圖中房屋范圍線、樓層、編號、屬性等信息，有效提高外業調繪核查效率。基于不同源的傳感器影像在制作專題影像底圖的工序上有所不同，本文以2009年DMC影像和2011年ADS80影像為例，前者基于框幅式數碼相機航拍獲取，在Intergraph ssk中完成空三加密后利用DEM進行單幅影像的正射糾正，再利用Geoway ImageStation軟件實現影像的勻色和鑲嵌拼接工序，最后根據測區范圍線裁切矩形的專題影像圖底圖。后者是基于推掃式傳感器航拍獲取，單幅影像覆蓋面積多達60余平方千米，需利用能夠處理線中心投影模型的PF(像素工廠)系統完成ADS80數碼影像的空三加密工序，并在Leica Gpro軟件中完成L0級影像到L2級正射影像的糾正工序。常規勻色拼接軟件在處理超過2G大小的影像方面效率偏低，因此需對帶狀正射糾正L2級影像進行分塊處理，生成帶有重疊度的分塊數據，并利用Inpho軟件進行鑲嵌線編輯及全局勻色工作，最后根據測區范圍線裁切矩形的專題影像圖底圖［7］。

5 結論

當前，武漢市正處于城市建設快速發展時期，城中村改造規劃升級的步伐也在逐步加快。利用航測遙感技術對拆遷區的房屋進行非接觸測量和面積統計，一方面能夠快速地獲得拆遷補償信息，另一方面能有效地解決拆遷補償糾紛問題［8］。本文以武漢市洪山區勝利村拆遷量測算項目為例，充分發揮我院歷史影像遙感數據的優勢，實現資源再升值，同時拓展了我院航測遙感技術與多源化的業務領域合作的視野，為武漢市大面積城中村改造項目的鋪開提供一條高效可行的測繪保障之路。

［1］ 馬文涵，呂維娟.快速城鎮化時期武漢市“兩規合一”的探索與創新［J］.規劃師，2012(11):79～84.

［2］ 汪巖松，劉平，許邦鑫.基于LIDAR數據和航空影像的輸電線路工程房屋拆遷量統計方法［J］.電力勘測設計，2012(5):15～20.

［3］ 趙希琴.多時段航空影像在房屋拆遷管理中的應用［J］.福建建筑，2010(5):14～16.

［4］ 錢兆向.基于多時相遙感數據的房屋普查測繪技術［J］.福建建筑，2008(3):76～78.

［5］ 張森，黃金華，馮立麗等.ADS80數字航空攝影測量立體測圖高程精度分析［J］.城市勘測，2013(2):107～108.

［6］ 葉柯，王翊，張樂陶.ArcGIS拓撲檢測在二次調查成果數據縮編中的應用［J］.江西測繪，2012(3):46～49.

［7］ 李瓊，劉亞虹，張義明.利用ADS80數據制作大比例尺正射影像的技術探討［J］.測繪地理信息，2013(3):46～48.

［8］ 陳繼祥.航空攝影測量及GIS技術在城中村監控中的應用［J］.測繪地理信息，2013(4):76～77.