街景影像技術在新增違法建設監測中的應用

張勁松 劉志祥 李新煜

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

近年來違法建設呈現出增長的態勢,管理部門也加大了打擊違法建設的力度。現有的違法建設監測主要包括人工發現、衛星影像查違識別等。人工發現包括各區塊網格員巡視發現異常,市長熱線“12345”市民舉報和相關執法部門的日常巡檢等,該方法確實在一定程度上能夠發現和治理違法建設,但是其人為因素大,投入成本高,發現違法建設的效率低。衛星影像查違有面積廣、效率高等多方優勢,但受衛片分辨率影響,尤其是受街邊植被影響,容易出現被植被遮擋無法發現違法建設的情況。北京市為全面貫徹落實“疏解整治促提升”的重大戰略部署,聚焦城市街巷環境中的痼疾頑癥,打好環境整治提升的“整體仗”、彰顯“首都風范、古都風韻、時代風貌”的城市特色,加快推進國際一流的和諧宜居之區建設,采用了街景影像技術對沿街違法建設進行監測,效率較高,監測區域面積廣[1],取得了不錯的效果。

1 街景影像數據采集與制作

北京市要求對六環內及通州區、順義區、昌平區、大興區、房山區的部分道路進行街景數據采集,采集長度共計32 000 km。項目作業區地勢平坦,道路規整,非常利于外業數據采集,然而項目周期跨越初夏、秋季、冬季,同時也是霧霾和雨雪天氣高發季節,給項目帶來一定的外業數據采集障礙,需要調配足夠的資源確保項目的順利開展。因此合理規劃作業時間和數據采集作業路徑顯得尤為重要。為此,我們將作業區域進行劃分,盡量保證每個區域每年采集時間和采集行走路徑相似,提高對比性[2]。

1.1 外業數據采集

1.1.1數據采集任務規劃

任務規劃的目的是在滿足測區全覆蓋的前提下,結合已有的數字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)、路中線及測區范圍資料,設計合理的行車掃描路徑和掃描時間,避免設備長時間高負荷工作,避免交通擁擠,控制全球定位系統(Global Positioning System，GPS)失鎖時間,避免在高架橋等容易共振晃動的地方對系統進行初始化和結束化[3],實現最高效、最經濟、最精確地采集測區測量數據。

1.1.2數據采集實施

數據采集實施包括設備準備、架設GPS基準站、系統初始化、數據采集、系統結束化、儀器回收。

設備準備要按照《車載激光掃描建模測量系統外業工作手簿》準備需要的設備、資料,需要查看所需的設備是否齊全。作業開始前先在規劃的控制點上架設GPS基準站,將GPS整平對中后測量儀器高度并記錄，用于后期高度校正。同時需要安裝車輪編碼器。系統初始化需要打開平板電腦(Portable Android Fevice，PAD),連接wifi,依次開啟LiDAR,GPS按鈕;檢查配置文件情況,確認編碼器左輪還是右輪;檢查每秒脈沖數(Pulse Per Second，PPS)信號,衛星個數以及世界協調時間(Universal Time Coordinated，UTC)時間;調試相機,確認曝光無誤,影像尺寸正確,設置曝光間距為10 M;開啟慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)按鈕,并在PAD中打開IMU開關,再進行初始化10 min[4]。記錄外業記錄手簿。

準備好上述工作即可開始進行數據采集。在PAD中開始掃描,開啟外置相機,等待數據總計,計數時開始作業即可。

數據采集完畢,停止掃描,下車進行結束化,10 min,并填寫外業記錄手簿。關閉所有設備,檢查數據是否有問題,沒有問題則采集數據結束,有問題及時安排補救措施。同時,將影像數據、激光數據、相機數據和流動站GPS數據一并拷貝到項目指定的存儲硬盤中,按照相應的目錄進行放置。

1.1.3外業數據質檢

外業數據在處理之前需要進行質量檢查,具體工作內容[5]如表1所示。

表1 車載激光掃描系統數據采集后的數據質檢元素

1.2 數據預處理

數據預處理主要包括姿態解算和全景影像數據處理。

1.2.1姿態數據解算

使用組合導航結算軟件,將移動站GPS數據與基站GPS數據進行差分后處理,再將GPS數據與IMU、車輪編碼器數據進行融合,得到高精度的位置與姿態數據[6]。

1.2.2影像數據與姿態數據相融合

車載激光建模測量系統中各傳感器工作在同一個時間系統中,姿態數據曝光那一時刻是相片在空中位置和角度的真實還原。姿態數據由相機標定參數和IMU記錄的車的行駛方向和姿態融合解算,通過影像數據以及IMU數據中記錄的時間信息,結合標定數據將影像數據與IMU數據進行融合,影像和姿態數據一一對應就覆上坐標,為影像數據賦予坐標信息[7]。

1.2.3影像數據預處理

借助四臺高清索尼魚眼相機獲得高清影像,通過影像改正與影像拼接,輸出8 192 ppi×4 096 ppi像素的全景影像。

1.3 數據加工

街景數據加工由街景軌跡數據加工和街景影像切片組成,且同一批切片數據應與同一批的外業照片數量、SHP(shape縮寫，一種GIS系統里的數據格式)曝光點個數一致。

1.3.1街景影像切片

街景數據要求原始圖片尺寸為8 192 ppi×4 096 ppi。圖片影像應能正確反映自然界存在的顏色現狀,通過查看影像直方圖來確保無明顯曝光過度或曝光不足現象。街景數據最終提交的形式是切片以后的數據,切片要求是:全景影像采用六面體模型,借助切片軟件自動進行切片。具體規則如下:全景影像照片投影到六面體的六個面上;瓦片大小設定為512 ppi×512 ppi;六面體每個面構建三級瓦片金字塔:第一級由1×1個瓦片構成、第二級由2×2個瓦片構成、第三級由4×4個瓦片構成[8]。

1.3.2軌跡數據要求

軌跡數據是由曝光點數據構成的shp數據,具體屬性列表及要求見表2。

表2 曝光點字段要求

2 街景影像技術發現新增違法建設

通過對比兩次不同時期采集的街景影像數據來獲取新增建筑信息,將新增建筑與規劃審批數據相結合,發現新增違法建設。北京市的街景影像數據采集對違法建設高發重點區域每年多次采集,對非高發區域每年進行一次數據采集。數據對比工作包括今年和去年采集的街景影像數據對比,以及今年兩次不同時期數據的對比。

2.1 街景影像數據對比

違法建設識別分為兩個階段。第一階段,2019年6月第一輪、8月第二輪采集的街景數據與2018年所有已有街景數據進行對比。第二階段,2019年10月第三輪的數據與第一輪采集和2018年的街景數據采用以上同樣的對比方法,動態監測前后變化,及時發現疑似違法建設,如圖1所示。

兩個階段采用的對比方法相同,主要采用人工外業識別、內業識別相結合的技術手段,同時研發計算機自動識別手段。人工外業和內業識別主要通過作業員根據不同時期影像對比和現場判斷,對疑似違法建設進行識別與定位,動態監測前后變化,并套合規劃數據,及時發現疑似違法建設[9]。計算機自動識別主要通過軟件對比前后期照片,發現新增建筑。對比發現疑似違法建設后,需要制作專題圖和信息表,專題圖中必須指明明顯參照物,指明疑似違法建設與參照物的關系,做到證據充分。

注： 圖中方框部分建筑有變化圖1 不同時期街景影像對比

2.2 新增違法建設發現和成果整理

通過對比前后兩次的街景影像發現疑似新增違法建設,然后提取相關信息,整理出成果。成果包含兩個部分,一個圖片文件夾與一個excel表格。圖片文件夾中的內容為本次疑似違法建設專題圖的所有照片,excel表格為本次所有違法建設的列表。列表中包括違法編號、發現批次、所屬區縣、所屬街道(鄉鎮)、具體地點、發現日期、具體坐標、變化前影像名稱和時間、變化后影像名稱和時間、位置圖名稱等,如圖2所示。

圖2 街景影像發現違法建設成果組圖

3 街景影像監測新增違法建設經驗

北京市從2015年開始進行街景影像技術監測新增違法建設以來,該項工作已進行了5年,每年采集道路長度超過3 000 km。通過近5年的街景影像監測新增違法建設工作總結出以下經驗[10]。

3.1 外業影像數據采集經驗

基站應該架設在開闊、GPS信號好的控制點(已知1984坐標系坐標);堅決避免CF(一種存儲卡的格式，Compact Flash)卡和設備電纜等帶電插拔;保證工作電壓不低于12 V;初始化過程中,避免開關車門等造成采集車晃動,保證采集車靜止;每半天重新根據環境設置相機拍照參數,并測試相機曝光情況;作業行車速度要求低于30 km/h,避免倒車,減少急剎車,急加速,避免檔位高轉速低造成的采集車抖動;盡量靠內側車道行駛,特別是在路窄樹密的路段,避免增加不必要的GPS信號失鎖時間;在失鎖路段應減少失鎖時間,在數據采集允許的最快速度下快速通過;全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)接收機應該在IMU結束化后2 min關閉;掃描時沿快車道(緊靠隔離帶)行駛,如果前方有車,應該等待其離開,不能繞過其行駛,以便后續數據處理。

3.2 外業數據質量要求經驗

外業數據應該是完整無誤的GPS,IMU,可量測實景影像(Digital Measurable Image， DMI),顯示技術(Clear Motion Rate，CMR)數據;四個相機的img數據格式相同,并與ATD(一種數據格式，里面是曝光點信息)一致;輸出導航結果數據;圖片影像應該是8 092×4 096的全景數據。

4 結束語

實驗證明,利用該方法進行新增違法建設的監測效率高、人員投入少,對新生違法建設可以形成強有力的遏制力。車載移動街景影像發現可疑違法建設的周期為3個月,在如此短暫的時間查處一處違法建設,使其制造者還未從中獲利便已被查處,能較好地打擊違法建設新增的制造者的作案動機,形成強有力的威懾,在一定程度上遏制違法建設的進一步發展。同時,該方法也對衛星影像因受植被遮蓋等因素的影響而難以及時發現的城市死角進行有效補充。

但是,該方法也有其局限性。首先,對社區內部汽車無法通行的區域無法進行掃描和監測。其次,對路邊有茂盛植被遮擋區域,存在盲區。最后,對影像對比自動識別新增建筑還需提高其準確性,保障成果質量和工作效率。

北京市近年來除了采用街景影像監測違法建設,也采用了地理國情普查單體建筑模型成果進行違法建設整治。通過各種手段綜合進行,相信北京市創建全市基本無違法建設工作會早日完成。