基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

曹端廣鄭國(guó)強(qiáng)馬銀張子民賈德芳

(山東建筑大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南250101)

0 引言

城鎮(zhèn)違法用地和違章建筑監(jiān)測(cè)屬于全國(guó)土地調(diào)查工作的范疇，是一項(xiàng)重大的國(guó)情國(guó)力調(diào)查，是查實(shí)查清土地資源的重要手段。 但是，目前該項(xiàng)工作的開(kāi)展仍存在較大的局限性，尤其是違法用地圖斑核查結(jié)果數(shù)據(jù)缺乏真實(shí)性和現(xiàn)勢(shì)性，這將降低城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)土地可持續(xù)集約利用具有負(fù)面影響[1]，進(jìn)一步影響到國(guó)家對(duì)土地利用和城市規(guī)劃的統(tǒng)一部署[2]。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大多采用傳統(tǒng)的違法用地監(jiān)測(cè)工作方法，主要采用人員地面實(shí)地調(diào)研查看、衛(wèi)星遙感影像比對(duì)和傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)等手段開(kāi)展工作[3]。 其中，地面實(shí)地調(diào)研查看方式需要大量人力、物力，工作效率較低；衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)下發(fā)周期長(zhǎng)，獲取的土地變化信息滯后性較明顯，很大程度上影響宏觀調(diào)控的效果，同時(shí)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解譯精度不能完全滿足違法用地解譯精度的要求，且存在投入產(chǎn)出不對(duì)等的缺點(diǎn)；航空攝影受空域管制和氣候等因素制約，且成本較高。

國(guó)內(nèi)有較多學(xué)者對(duì)城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)進(jìn)行了相關(guān)的研究。 楊宏光等[4]提出利用高分辨率遙感影像監(jiān)測(cè)城鎮(zhèn)違法違規(guī)建筑用地，這也是目前國(guó)內(nèi)大部分相關(guān)工作單位開(kāi)展工作的手段。 為了解決以往依靠人工實(shí)地核查調(diào)研存在的效果差、效率和準(zhǔn)確性較低等問(wèn)題，曾凡洋等[5]提出了利用微型無(wú)人機(jī)進(jìn)行違法用地和違法建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的思路，雖然此方法提高了獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)的精度，但是監(jiān)測(cè)工作依靠的數(shù)據(jù)仍然局限于二維數(shù)據(jù)層面，較三維模型數(shù)據(jù)仍存在局限性。 薛雁明等[6]首次提出了將傾斜攝影應(yīng)用于地理國(guó)情普查與監(jiān)測(cè)工作中，闡述了地理國(guó)情普查與監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)單介紹了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以及三維模型的建模流程，分析了將三維模型應(yīng)用于國(guó)情普查工作中的優(yōu)點(diǎn)。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，文章提出了利用傾斜攝影生成三維模型進(jìn)行城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)的思路，并總結(jié)得出了基于傾斜攝影技術(shù)的高精度三維模型制作和生產(chǎn)流程，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一套完整的基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地三維核查系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)定，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和可行性。 文章的研究思路及開(kāi)發(fā)的核查系統(tǒng)，為違法用地監(jiān)測(cè)部門(mén)提供新的工作手段，有利于提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度及工作效率。

1 研究方法

1.1 基于高分辨率影像的違法用地圖斑的獲取

傾斜攝影相機(jī)具有多個(gè)鏡頭，能夠同時(shí)獲取同一地物多方向上的影像，從而獲得地物多視角影像和詳細(xì)的側(cè)面信息。 利用獲取的照片數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件生成高分辨率正射影像，對(duì)正射影像的分塊目視解譯，可以發(fā)現(xiàn)存在疑似違法用地和違法建設(shè)的區(qū)域。 對(duì)處于城中村中心等人力巡查難以到達(dá)的區(qū)域，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，讓“兩違”現(xiàn)象無(wú)處遁形。

在違法用地監(jiān)測(cè)工作中，將兩期間隔拍攝的無(wú)人機(jī)正射影像進(jìn)行對(duì)比，或?qū)o(wú)人機(jī)正射影像與上一年度年底獲取的高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行對(duì)比，分辨出變化區(qū)域，即可得到兩期影像之間的變化圖斑。將變化圖斑與土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，得到每一個(gè)變化圖斑內(nèi)土地利用現(xiàn)狀類(lèi)型。

1.2 高精度實(shí)景三維模型的制作

采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維實(shí)景建模，其核心技術(shù)包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測(cè)量、傾斜影像密集匹配、數(shù)字地表模型DSM(Digital Surface Model) 點(diǎn)云生成、構(gòu)建不規(guī)則角網(wǎng)TIN(Triangulated Irregular Netwrk)模型、自動(dòng)紋理映射和三維實(shí)景建模等。 其中，關(guān)鍵步驟為空中三角測(cè)量、自動(dòng)生成三維模型和紋理映射，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、三維建模提供數(shù)據(jù)支撐。 空中三角測(cè)量、三維實(shí)景建模自動(dòng)化水平的提高極大地便利了三維實(shí)景重建[7]。

1.3 數(shù)據(jù)獲取及處理

建模的原始數(shù)據(jù)主要包括了傾斜影像數(shù)據(jù)、高精度位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) POS (Position and Orientation System)數(shù)據(jù)、地面像控?cái)?shù)據(jù)。 鑒于無(wú)人機(jī)體積小、易于攜帶，技術(shù)門(mén)檻低、易于推廣，文章采用大疆Pro 4 無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜影像數(shù)據(jù)采集。

在無(wú)人機(jī)地面控制系統(tǒng)中進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)置飛行高度、航向和旁向重疊度、起飛和降落地點(diǎn)等參數(shù)。 在飛行之前對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行調(diào)試、磁場(chǎng)校準(zhǔn)，檢查無(wú)誤后起飛。 無(wú)人機(jī)在航飛途中，會(huì)自動(dòng)下載相應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)到飛控系統(tǒng)[8]。

Smart3D 軟件采用世界先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)三維重建算法[9]，只需結(jié)合飛行過(guò)程中獲取的POS 數(shù)據(jù)即可解算出精確外方位元素。 采用多基線多特征匹配技術(shù)可生成大量的連接點(diǎn)[10]，結(jié)合少量的外業(yè)控制點(diǎn)，通過(guò)區(qū)域網(wǎng)平差步驟，從而完成了多視角聯(lián)合空中三角測(cè)量，得到空中三角測(cè)量報(bào)告；隨后根據(jù)聚簇算法和基于面片的密集匹配算法，實(shí)現(xiàn)高密度點(diǎn)云初步構(gòu)建[11]；最終由超高密度點(diǎn)云構(gòu)建的TIN 網(wǎng)模型結(jié)合紋理映射實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型的構(gòu)建。

1.4 違法用地監(jiān)測(cè)流程

違法用地監(jiān)測(cè)流程如圖1 所示。 具體流程為(1) 將兩期間隔拍攝的無(wú)人機(jī)正射影像進(jìn)行對(duì)比，或?qū)o(wú)人機(jī)正射影像與上一年度年底獲取的高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行對(duì)比，分辨出發(fā)生變化的區(qū)域，即可得到兩期影像之間的變化圖斑；(2) 將利用傾斜攝影技術(shù)獲取的變化圖斑照片做為原始數(shù)據(jù)，利用Smart3D 軟件進(jìn)行實(shí)景三維模型的建構(gòu)，并將三維場(chǎng)景模型上傳至所開(kāi)發(fā)的違法用地監(jiān)測(cè)平臺(tái)服務(wù)器端，同時(shí)將城市建設(shè)用地審批文件、原始圖斑文件等其他輔助資料一同上傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái)服務(wù)器端；(3) 服務(wù)器接收詳盡資料后，由客戶端對(duì)違法用地圖斑進(jìn)行審核，人工交互審核完成后對(duì)審核結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，統(tǒng)計(jì)不同地區(qū)違法用地?cái)?shù)量和違法用地占總用地比例等。

圖1 違法用地監(jiān)測(cè)流程圖

2 違法用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

為了提高城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)工作效率，突破傳統(tǒng)以二維影像作為監(jiān)測(cè)依據(jù)的局限性，解決人為目視解譯帶來(lái)的誤差和不確定性等問(wèn)題，以三維場(chǎng)景的形式更加客觀、公平、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行檢查審核，因此需要開(kāi)發(fā)基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這符合智慧城市的發(fā)展方向，讓數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測(cè)審核、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等一系列工作實(shí)現(xiàn)線上運(yùn)行。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，以IDEA 作為開(kāi)發(fā)工具，JavaScript 和C＃作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Oracle 作為數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)搭建。 其中(1) 系統(tǒng)通過(guò)Smart3D 軟件將無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模；(2) 將傾斜攝影三維模型加載到SuperMap iDesktop 9D 軟件中生成配置文件并添加到三維場(chǎng)景；(3) 通過(guò)SuperMap iServer 9D 軟件將處理好的三維數(shù)據(jù)發(fā)布成能調(diào)用的三維場(chǎng)景服務(wù)。

圖2 城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用地理數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，三維場(chǎng)景模型存儲(chǔ)在SuperMap 地理數(shù)據(jù)庫(kù)中，建設(shè)用地審批文件信息和系統(tǒng)量測(cè)的建筑物高度、用地面積等信息存儲(chǔ)在Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)層來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。 Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)中有國(guó)土用地和違法用地兩個(gè)數(shù)據(jù)表，字段類(lèi)型相同。 違法用地?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 違法用地?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

2.1.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有國(guó)土用地和違法用地?cái)?shù)據(jù)管理、違法用地核查、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)管理以及測(cè)高測(cè)距測(cè)面等量測(cè)功能，其功能模塊如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

2.1.4 系統(tǒng)工作流程

城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

用戶通過(guò)瀏覽器打開(kāi)系統(tǒng)登錄界面，輸入用戶名和密碼登錄。 新用戶需進(jìn)行注冊(cè)，管理員可以通過(guò)系統(tǒng)管理對(duì)用戶進(jìn)行審核和設(shè)置權(quán)限。 登錄成功后進(jìn)入系統(tǒng)的首頁(yè)，在國(guó)土用地中存放了已經(jīng)編號(hào)的地塊，用戶點(diǎn)擊相應(yīng)的地塊，地圖窗口跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的傾斜攝影三維模型處，使用測(cè)高和測(cè)面按鈕對(duì)建筑物進(jìn)行量測(cè)；根據(jù)量測(cè)的數(shù)據(jù)和審批文件要求進(jìn)行對(duì)比，如果合格，則審核通過(guò)；如果不合格，那么將該地塊標(biāo)注為違法用地并存放于違法用地?cái)?shù)據(jù)中。 核查用地是用來(lái)對(duì)違法用地進(jìn)行二次審核，如果該地塊后期整改了，那么將通過(guò)審核，反之繼續(xù)列為違法用地。 統(tǒng)計(jì)分析功能模塊可以根據(jù)不同的地區(qū)、年份對(duì)土地進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)違法用地占總地塊的比例以及不同地區(qū)對(duì)違法用地的整改效率。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 發(fā)布和瀏覽大數(shù)據(jù)量的傾斜攝影三維模型

傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)量大，為了實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的發(fā)布和網(wǎng)頁(yè)中的快速加載，主要通過(guò)SuperMap的iDesktop 和iServer 實(shí)現(xiàn)。 無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)通過(guò)Smart3D 軟件建模，生成osgb 格式的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SuperMap 的iDesktop中，生成scp 配置文件并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以此來(lái)提高效率，將三維模型添加到新的三維場(chǎng)景中并保存工作空間。 在SuperMap 的iServer 中發(fā)布此三維模型工作空間，在網(wǎng)頁(yè)中通過(guò)Cesium 進(jìn)行調(diào)用[12]，實(shí)現(xiàn)傾斜攝影三維模型在以Cesium 的三維地圖為場(chǎng)景的快速加載。

2.2.2 對(duì)建筑物進(jìn)行高度和面積等空間測(cè)量

量測(cè)功能模塊主要通過(guò)超圖的MeasureDistance和MeasureArea 類(lèi)計(jì)算空間量測(cè)結(jié)果[13]，包括空間距離、空間面積、高程、依地距離、依地面積和水平距離等多種形式。 該功能在三維場(chǎng)景中通過(guò)單擊測(cè)距、測(cè)高、測(cè)面按鈕實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 統(tǒng)計(jì)分析功能

此功能是用來(lái)統(tǒng)計(jì)不同地區(qū)違法用地?cái)?shù)量及占總用地比例。 國(guó)土用地中無(wú)論是合法用地還是違法用地，所有地塊信息都存儲(chǔ)在Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)中，地塊擁有ID、坐標(biāo)、行政區(qū)、是否違法等屬性字段。 使用Mybatis 做持久化框架查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，基于HTML5 的Echarts 與ArcGIS JavaScript API 的專(zhuān)題制圖方法[14]，將查詢得到的數(shù)據(jù)制作成柱狀圖和餅狀圖在網(wǎng)頁(yè)中顯示。

3 違法用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度評(píng)定

為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)量的精度滿足城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)工作的需要，對(duì)基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行精度評(píng)定。 以濟(jì)南市歷城區(qū)2018 年公布的部分違法用地為例，對(duì)保利銀座幼兒園、辛祝路小別墅等10 個(gè)標(biāo)志性建筑物的高度和面積在系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量。 建筑物高度取建筑物最頂端，建筑物面積為建筑物的占地面積；利用全站儀和激光測(cè)距儀對(duì)所選取建筑物的高度和面積進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。將實(shí)地測(cè)量得到的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)和系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析，具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 建筑物實(shí)地測(cè)量與系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)表

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)發(fā)布的GB/T 14268—2008《國(guó)家基本比例尺地形圖更新規(guī)范》中給出了精度估算公式[15]，由式(1)～(3)表示為

式中:di為較差；a1為系統(tǒng)中建筑物的高度或面積；a2為地面實(shí)測(cè)建筑物的高度或面積；MD為等精度中誤差；MG為高精度中誤差；n為選取的樣本數(shù)。

利用式(1)做系統(tǒng)高度(面積)與實(shí)測(cè)高度(面積)差值得到較差，并通過(guò)式(2)、(3)計(jì)算等精度中誤差和高精度中誤差，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、4。

由表3 可知，系統(tǒng)中測(cè)量的建筑物高度和實(shí)測(cè)高度較差在-0.05 ～0.07 m，董家村倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)高度和實(shí)測(cè)高度較差最大，和潤(rùn)幸福城北側(cè)建筑系統(tǒng)高度和實(shí)測(cè)高度較差最小，其中所選的10 幢建筑物的高度測(cè)量等精度中誤差為±0.03 m，高精度中誤差為±0.05 m。 精度完全滿足違法用地監(jiān)測(cè)的工作要求。

表3 建筑物高度測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)表/m

表4 建筑物面積測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)表/m2

由表4 可知，系統(tǒng)中測(cè)量的和實(shí)測(cè)建筑物面積較差在-1.95～2.8 m2，保利銀座幼兒園系統(tǒng)面積和實(shí)測(cè)面積較差最大，孟家村辦公樓系統(tǒng)面積和實(shí)測(cè)面積較差最小。 所選的10 幢建筑物的面積測(cè)量等精度中誤差為±1.14 m2，高精度中誤差為±1.61 m2。精度完全滿足違法用地監(jiān)測(cè)的工作要求。

4 結(jié)語(yǔ)

文章采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲得監(jiān)測(cè)地物的影像，利用Smart3D 軟件建構(gòu)實(shí)景三維模型，開(kāi)發(fā)了基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，技術(shù)流程可以概括為“三獲取二對(duì)比”，即獲取歷年遙感影像、傾斜攝影模型、審批文件；兩期遙感影像對(duì)比得出變化區(qū)域，傾斜攝影模型與審批文件對(duì)比得出監(jiān)測(cè)結(jié)果。 以濟(jì)南市歷城區(qū)部分違法違章建筑物為例，對(duì)系統(tǒng)三維模型的高度和面積精度檢驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，其表明:建筑物高度測(cè)量等精度中誤差為±0.03 m，高精度中誤差為±0.05 m；面積測(cè)量等精度中誤差為±1.14 m2，高精度中誤差為±1.61 m2。 精度完全達(dá)到違法用地監(jiān)測(cè)的工作要求，系統(tǒng)可以為違法用地監(jiān)測(cè)提供服務(wù)。