無人機在城市違法建筑調查中的應用

侯純濤 HOU Chuntao

0 引言

隨著城市建設空間的不斷擴展，在各種經濟利益的驅動下，城市中違法建設行為層出不窮，尤其在城郊地帶等監管薄弱的地區，大量違法建筑不規則蔓延，嚴重破壞了城市風貌，制約了城市的健康發展和城鄉規劃的順利執行；且違法建設泛濫的地區往往防火防災配套差，存在較大的安全隱患，違法建筑已成為城市的“毒瘤”。在傳統的城市違法建筑監測中，城市執法管理部門投入了大量的人力物力，但效果并不顯著，主要體現在監測周期長、工作強度大等。近年來，伴隨著低空攝影測量技術和GIS 分析技術的不斷進步，無人機應用于城市違法建筑調查已成為一種較為成熟的技術，在部分城市區域的試點運行中，取得了令人滿意的成果。

2015 年開始，上海市在全市范圍內持續開展了“五違四必”區域生態環境綜合治理工作，其中，上海市某鄉鎮利用無人機攝影測量技術和GIS 分析技術，在較短的時間內，對區域內的違法違章建筑進行了排摸，并構建了全鎮范圍內的違法建筑數據庫，取得了寶貴的第一手資料，為未來進一步開展違法建筑治理工作打下了堅實的基礎。

無人機應用于城市違法建筑調查，具有快速、靈活、成本低廉等諸多優點，在違法違章現象突出的區域，可利用無人機航空攝影技術進行低空攝影，得到高分辨率的正射影像，同時利用GIS 分析技術，通過影像變化發現和特征提取，實現對違法建筑動態全面的監測。

1 無人機違法建筑調查的作業機制

違法建筑的識別，其本質在于建筑物變化的檢測，即對比分析提取到的建筑物現狀分布圖和歷史數據（規劃圖、權籍圖等）是否一致。無人機低空拍攝得到的高分辨率影像數據能夠清晰的反映建筑物的現狀，是構建建筑物現狀圖的數據來源。通過疊加對比建筑物現狀圖和合法的建筑圖斑，即可對比分析得到疑似違法的建筑物。最后，通過現場核實確認違法建筑，對違法建筑進行處置。總體而言，就是要實現“三步走”——“一查、二認、三處理”[1]的作業機制（圖1）。

2 無人機違法建筑調查的工作流程

無人機應用于違法建筑調查的工作內容主要分為外業和內業兩部分。其中，外業的主要工作內容是合理設計航飛路線，進行無人機低空攝影測量；內業的工作內容是利用GIS 分析技術，得到正射影像圖DOM 和數字高程模型DSM，同時，對DOM 進行矢量化處理，獲得建筑物現狀圖斑，再疊加權籍圖斑，分析得到違法建筑數據庫。

2.1 技術參數設計

在正式進行無人機飛行前，為實現比例尺1:500 的DOM 精度要求，應設定基本技術參數（表1）。

2.1.1 像控點布設

像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎，野外像控點目標選擇的好壞和指示點位的準確程度，直接影響成果的精度[2]。像控點的作用包括后期實現圖像的糾正和配準、DOM和權籍圖斑疊加等，其布設要求為：①像控點要分布均勻，在四角和中心都要有像控點，根據測區的面積，需均勻布置約為60 個像控點；②要盡量選擇平坦的地方布置像控點，避免遮擋；③應盡量選擇半永久存在的物體作為像控點，必要時可進行人工噴漆制作像控點；④像控點要和地面顏色形成鮮明對比。

2.1.2 技術參數設定

（1）按照GPS（E 級II 類）控制點，用刺點的方式進行像控點采集。

（2）使用上海CORS 網系統進行RTK 實時差分解算技術，對地面現有的高反差地物進行測量。

（3）使用測繪院提供的已知點，計算本區域轉換參數，得到上海市城建坐標系下的平面坐標及吳淞高程系統下的高程點坐標，精確匹配上海市1:500 地形圖。

2.2 外業作業流程

無人機外業作業一般使用無人機搭載高分辨率的相機進行拍攝，目的是高效、快速地獲取地面建筑物的正射影像（圖2）。在進行無人機航飛之前，需遵循無人機航飛安全作業、合法作業要求，對于軍事管理區、政府機構等限飛區域需提前做好航飛空域申請工作，若無法獲得這些區域的飛行許可，應合理規劃飛行路線，避開限制區域。

在本案中，采用精靈4pro 多旋翼無人機和eBee RTK 中型固定翼航測無人機，前者適用于常規航飛正射拍攝，后者適用于飛行路線難以達到時的遠距離拍攝。無人機飛行高度不高于150m，搭載相機像素達到2 000 萬，采用全局快門、GPS等距拍攝，預設地面分辨率2.8cm，航向重疊80%，旁向重疊75%。測區范圍約為14km2，預計飛行時間共9h，采集照片不少于12 000張，航線間距50m，單張照片涵蓋150m×100m 范圍，可達1:500 作業要求。

表1 技術指標

2.3 內業數據處理

2.3.1 DOM 和DSM 制作

數字正射影像圖（DigitalOrthophoto Map，簡稱DOM）是帶有建筑物圖廓、公里格網、標注標記的平面圖。其特點是具備地圖影像特征，且幾何精度高、圖像內容豐富、表現直觀真實、制作時間短。

數字表面模型（Digital Surface Model，簡稱DSM）是包含了地表建筑物及橋梁、樹木等地物高度信息的地面高程模型。DSM 包括了地面以外的其他地表信息的高程，對于建筑物研究具有很高的價值。

DOM 和DSM 的生產過程類似，本文僅以DOM 的生產為例，簡要介紹數字影像圖的制作過程（圖3）。簡單來說，就是應用專業的遙感影像軟件（如Pix4D）及高性能工作站，先對原始的無人機影像數據進行正射糾正，再處理各種畸變和位移誤差，在經過配準、影像鑲嵌、制圖整飾等一系列步驟后，實現影像數據的拼接得到所需要的DOM（圖4）。

DSM 增加了高程信息，通過DOM 和DSM 疊加，可以實現對建筑物的三維瀏覽效果（圖5）。

2.3.2 現狀圖斑提取（矢量化）

在上述DOM 和DSM 模型的基礎上，采用專業軟件eCongnition 進行面向對象的計算機視覺技術建筑物現狀圖斑的自動識別和提取。為提高識別的準確性，最后需要通過人工再進行判讀修改，以防止出現錯漏情況。經過矢量化處理后，可導出ArcGIS 平臺支持的shp 格式的矢量圖斑文件（圖6）。

圖2 無人機低空攝影測量外業作業流程

圖3 DOM 生產流程

2.3.3 違法建筑圖斑提取

在ArcGIS平臺中，將高清DOM、權籍圖斑、現狀圖和基礎地理信息等圖層疊加，即可進行對比分析，認定疑似違法建筑（圖7）。根據權籍圖的詳細程度，亦可對疑似違法建筑分類，如與權籍圖不符、權籍圖不存在、有批復無產證等，然后進行現場核查確認，交由執法部門處理。同時，在ArcGIS 平臺中，可以很方便地生成圖斑的面積，建立違法建筑數據庫，為今后制訂整治方案提供依據（圖8）。

圖4 高清DOM

圖5 DOM 和DSM 疊加顯示效果

圖6 建筑物圖斑矢量化提取

圖7 高清DOM 和權籍圖斑疊加的效果（黃色圖斑為確認疑似違章建筑）

圖8 違法建筑數據庫

3 結語

無人機應用于違法建筑調查已是一種較為成熟的技術，操作技能日趨智能化、自動化，飛行過程中即可完成對目標的校準和測量，能夠在最短的時間內完成大范圍的測繪。雖然對測區第一次調查工作成本較高，但可以一次性建立區域違法建筑數據庫，后續只需間隔一定的周期，對重點區域進行補充航飛調查即可，總體上還是節約了成本。

在條件允許的情況下，可基于無人機技術建立城市違法建筑監測平臺，即以無人機低空攝影測量為監測手段，結合云計算、大數據、計算機處理、3S 等技術，實現城市違法建筑的自動采集、智能分析、在線監測預警等功能，實現城市違法建筑監測管理的自動化、信息化、動態化，將城市整體管理水平提升到一個新的高度。