無人機(jī)遙感影像在城市“兩違”動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

羅飛

（福州市勘測(cè)院，福建福州 350003）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市發(fā)展日新月異，違法用地、違法建設(shè)的“兩違”行為也伴隨而生。“兩違”建筑和城市規(guī)劃格格不入，還往往因突擊而建存在嚴(yán)重安全隱患，無疑是城市發(fā)展過程中的一大問題。“兩違”建筑成為了城市發(fā)展的一道難題，阻礙了城市的良性發(fā)展，“兩違”建設(shè)監(jiān)測(cè)則是控制“兩違”行為的有效手段。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法依賴于人工實(shí)地巡查，存在滯后、覆蓋不全面的問題，因此需要利用數(shù)字化手段，及時(shí)、高頻發(fā)現(xiàn)城市中的“兩違”建設(shè)問題，快速獲取“兩違”建筑位置和面積等方面信息，從而達(dá)到早發(fā)現(xiàn)、早制止、早查處的目的。

高分辨率遙感技術(shù)具有高空間分辨率、全天候及全方位等技術(shù)特點(diǎn)[1]，適合大范圍、遠(yuǎn)距離等各種變化的監(jiān)測(cè)分析，可為“兩違”執(zhí)法工作提供實(shí)時(shí)詳盡的高分辨工作底圖。傳統(tǒng)的數(shù)碼航攝是獲取高分辨率遙感影像的有效途徑，但存在數(shù)據(jù)獲取費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、缺乏機(jī)動(dòng)靈活性等問題，無法適用于短期、高頻的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

近年來，無人機(jī)低空航空攝影發(fā)展迅猛，以其快速響應(yīng)、作業(yè)成本低、天氣場(chǎng)地要求不高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航攝方式效率低、獲取周期長(zhǎng)等不足，可實(shí)現(xiàn)快速靈活獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)并生成實(shí)時(shí)測(cè)繪地理信息[2-4]，及時(shí)提供可靠、實(shí)時(shí)、直觀的二維或三維影像圖，十分適合用于城市地表變化尤其是“兩違”建設(shè)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

本文以福州市高新區(qū)開展的“兩違”動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)為例，闡述通過無人機(jī)獲取多時(shí)相高分辨率遙感影像，并對(duì)其加以遙感處理分析，采取網(wǎng)格化人工目視解譯，對(duì)高新區(qū)“兩違”變化進(jìn)行多時(shí)相、高頻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可突破“違”局。

1 高新區(qū)“兩違”動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

1.1 案例概況

福州市高新區(qū)總面積約193km2，“兩違”監(jiān)測(cè)區(qū)域主要包括建成區(qū)及平原地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)村莊，涉及航拍面積約80km2，每個(gè)季度采用無人機(jī)航拍一次。

1.2 無人機(jī)平臺(tái)

本項(xiàng)目采用的大疆Phantom 4 RTK無人機(jī)是一款小型四旋翼高精度航測(cè)無人機(jī)，其具備厘米級(jí)高精度RTK導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，能大幅度減少傳統(tǒng)航測(cè)中所需的地面控制點(diǎn)，簡(jiǎn)化作業(yè)流程（表1）。Phantom 4 RTK無人機(jī)系統(tǒng)具有機(jī)身尺寸小、重量輕、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，其垂直起降方式受空域限制小，同時(shí)它還具有視覺避障、智能返航等功能，多個(gè)作業(yè)小組可同時(shí)作業(yè)，可提升航測(cè)效率與精度，降低作業(yè)難度和成本。無人機(jī)搭配型號(hào)為FC6310R的高精度數(shù)碼航攝儀，該航攝儀具有影像高清、畸變小、高分辨率和均質(zhì)的鏡頭系統(tǒng)等特點(diǎn)，同時(shí)相機(jī)帶有陀螺平臺(tái)的鏡頭座架，飛行控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)保持相機(jī)在工作中的正確姿態(tài)，實(shí)時(shí)控制航攝飛行質(zhì)量。

表1 無人機(jī)參數(shù)

1.3 “兩違”圖斑提取與分析

（1）原始影像獲取

根據(jù)航攝范圍及實(shí)際地形地貌采用大疆的飛控進(jìn)行航飛設(shè)計(jì)，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。選擇較好的航飛天氣實(shí)施航攝，飛行高度控制在300m，獲取地面分辨率優(yōu)于0.2m的數(shù)碼航攝影像，具體拍攝時(shí)間為3月底、6月底、9月底、12月底（圖1）。

圖1 無人機(jī)數(shù)碼航攝DOM樣圖

（2）工作底圖生產(chǎn)

控制測(cè)量：充分利用已有的控制資料，對(duì)不足的區(qū)域采用FZCORS進(jìn)行外業(yè)像控測(cè)量。

POS數(shù)據(jù)處理：對(duì)外業(yè)航拍得到的相片和POS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過DJI Terra軟件將其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并通過控制點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，生成帶位置與姿態(tài)信息的影像和后續(xù)處理工程文件。

正射影像生產(chǎn)：采用POS數(shù)據(jù)、相機(jī)文件、控制資料輔助空中三角測(cè)量解算方式，使用DJI Terra專業(yè)航攝處理軟件，生產(chǎn)高新區(qū)高精度二維正射影像。

（3）疑似“兩違”圖斑提取

采用前后相鄰的兩期工作底圖，先利用人工智能算法自動(dòng)檢測(cè)初始圖斑，然后利用影像的紋理信息進(jìn)行網(wǎng)格化（1km×1km）人工目視解譯獲得篩選錯(cuò)檢及漏檢圖斑，提取“兩違”圖斑的面積、位置、違建類型等信息，最后經(jīng)綜合處理形成“兩違”疑似圖斑結(jié)果并輸出各村鎮(zhèn)“兩違”專題圖表供實(shí)地核查（圖2、圖3、圖4）。高新區(qū)疑似“兩違”圖斑分為四類，包括新增民房、新增棚房、拆除房屋和硬化地表（如駕校新增硬化地，農(nóng)田變?yōu)閴災(zāi)埂⒐袒氐龋钚∩蠄D面積為20m2。

圖2 自動(dòng)變化檢測(cè)

圖3 疑似“兩違”圖斑

圖4 2017—2019年“兩違”圖斑分布圖

1.4 “兩違”圖斑信息化管理

（1）數(shù)據(jù)庫建設(shè)

基于ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建福州市高新區(qū)“兩違”遙感監(jiān)測(cè)疑似圖斑數(shù)據(jù)庫，主要包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫和“兩違”疑似圖斑庫兩個(gè)子庫。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)各種類型工作底圖及行政界線數(shù)據(jù)，“兩違”疑似圖斑庫記錄圖斑的空間位置、建設(shè)狀態(tài)、管控狀態(tài)、審批狀態(tài)、占地面積等信息。

（2）建設(shè)“兩違”地理信息平臺(tái)

基于ArcGIS一整套解決方案把原有的獨(dú)立分散的數(shù)據(jù)整合在一起，建立“兩違”數(shù)據(jù)庫，并通過WebGIS技術(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)布到服務(wù)器上建立“一張圖”系統(tǒng)（圖5、圖6），用戶可以方便地通過瀏覽器訪問本系統(tǒng)，達(dá)到數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)布的效果，統(tǒng)一管理多用戶同時(shí)使其可訪問最新最全的“兩違”數(shù)據(jù)；通過地圖展示比對(duì)模塊，用戶可以清晰明了地查看到不同區(qū)域、不同年份、不同季度疑似“兩違”建筑圖斑數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊清晰展示出不同階段、不同村鎮(zhèn)的“兩違”統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可為決策部門提供更加精準(zhǔn)的決策數(shù)據(jù)。

圖5 登陸界面

圖6 “兩違”圖斑管理

2 結(jié)論

福州市高新區(qū)“兩違”項(xiàng)目監(jiān)測(cè)從2017年5月至今共開展16期，共計(jì)發(fā)現(xiàn)變化圖斑約2800個(gè)（含審批建設(shè)項(xiàng)目變化圖斑）。經(jīng)區(qū)執(zhí)法部門現(xiàn)場(chǎng)逐一核對(duì)，確認(rèn)違章建筑準(zhǔn)確率達(dá)到98.6%，為高新區(qū)“兩違”建筑拆除提供了精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在這場(chǎng)零容忍“兩違”整治行動(dòng)中，無人機(jī)航空攝影技術(shù)應(yīng)用于“兩違”工作的有效性、便捷性得到了很好驗(yàn)證，在監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。通過無人機(jī)高頻次、多時(shí)相航攝與底圖生產(chǎn)，“兩違”圖斑網(wǎng)格化解譯提取并建立數(shù)據(jù)庫和管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了“兩違”圖斑監(jiān)測(cè)、管理全周期控制，為早發(fā)現(xiàn)、早制止、早查處“兩違”行為提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。該方法具有良好的可操作性、科學(xué)性，可為相關(guān)工作的開展提供一定參考。