減量提質背景下的北京市單體建筑監測關鍵技術創新與應用

余永欣 王文寶 秦 飛 王 怡 謝艷峰 郭燕賓 靳子航

(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;3. 北京圖拓撲科技有限公司, 北京100043)

0 引言

漫長的歲月長河里，誕生的一座座建筑，除了實用和美學之外，更是一座城池的精神符號，建筑對于城市有著極其重要的意義。經多年發展，北京發生滄桑巨變，城市快速發展中也出現一些新問題，集中表現為“城市病”[1-2]。 2013年12月23日，北京首次把治理“城市病”寫入市委全會決議，要求全力破解首都可持續發展中的重大問題和百姓關心的熱點難點問題。2014年2月26日，習總書記在北京市考察調研時，要求北京市“健全城市管理體制，提高城市管理水平”。2016年，北京市打響治理“大城市病”攻堅戰。

“大城市病”突出的根源在于城市承載了過多的功能和產業，北京在“十三五”迎來了新總規，總規首提“減量”。北京“十四五”規劃要求深入落實新總規，推動城市空間布局和功能優化調整，科學實施減量提質[3]。

目前，在新發展模式中，要做好人、地、房之間協調關系，要破解這個難題，就必須摸清和掌握北京“房”的家底；重新調整產業和功能空間布局，以產業疏解帶動人口疏解[4]。 北京把落實首都城市戰略定位，疏解非首都核心功能作為“牽牛鼻子”的重點工作來抓。這些問題的解決都需要掌握一套空間完整、屬性豐富、信息準確的北京市單體建筑數據。

1 背景與需求

北京市于2015年完成北京市第一次全國地理國情普查工作，2017—2022年連續六年完成了常態化監測工作。地理國情信息是重大國情國力的客觀反映，是制定和實施國家發展戰略與規劃，優化國土空間開發格局的重要依據，也是科學實施提質減量發展的重要手段，具有不可替代的重要作用。

多年來，北京市立足首都實情，結合實際需求，將單體建筑監測納入地理國情監測工作，持續不斷開展單體建筑變化監測，其成果已在疏解非首都功能、城市體檢、規劃評估、綜合治理和新型冠狀病毒疫情防控等多個領域得到應用，在生態文明建設中也發揮了不可或缺的作用[5-6]。

在“城市減量提質”新發展模式中，北京市對時間連續、內容完整規范、質量穩定可靠的單體建筑數據提出了更高的要求，迫切需要創建完善的單體建筑監測機制、技術流程、方法手段及應用服務體系，實現單體建筑快速、準確獲取。同時，北京市政府也提出：“要建立動態更新機制，以單體建筑數據為試點，不斷完善數據采集，使數據更加精準”等相關要求，因此持續快速開展單體建筑監測，提供源源不斷穩固的信息支撐，顯得十分必要。

2 總體思路與技術路線

基于北京市第一次地理國情普查和年度地理國情監測工作基礎，按照全面覆蓋、規范一致、突出重點的原則，依據2020年1月17日自然資源部印發《自然資源調查監測體系構建總體方案》(自然資發〔2020〕15號)及北京市規劃和自然資源委員會印發的《北京市規劃和自然資源委員會關于加強地理國情監測工作的意見(試行)》(京規自發〔2020〕222號)的文件要求，開展年度單體建筑監測工作，2021年始，開展單體建筑半年更新監測機制，標準時點為每年12月31日、2021年6月30日。

依托北京市地理國情監測工作，先期開展多源數據融合工作，對最新基礎地理信息數據、“現狀一張圖”數據及“國土三調”及變更調查數據、違法建設專項臺賬現場核驗數據、建設工程全過程監督核測數據、市住建委數據、建設工程規劃許可數據等相關部門專題資料進行梳理、清洗、歸約以及消除冗余等加工處理，形成高質量的數據融合成果。

利用參考高分辨率遙感影像，采用內外業結合的方法開展單體建筑監測，每期監測以上期監測成果數據為監測本底，基于兩期監測遙感影像數據，通過人工識別、深度學習模型的機器識別以及人機交互的技術手段識別變化區域，使用內業信息采集、外業調查核查、數據編輯與整理等技術方法與手段，充分利用已經收集的佐證照片數據輔助內業解譯，采集變化信息，結合多行業專題數據和外業調查成果，完善專題要素屬性信息，最終完成單體建筑專題要素數據更新，并在此基礎上開展統計分析。總體技術路線如圖1所示。

圖1 總體技術路線

3 監測方法與關鍵技術

減量提質背景下,通過研發與創新,實現了單體建筑監測手段、關鍵技術、工藝流程、統計分析及應用服務等方面的提升,形成了一套日趨成熟、具有較強可移植性、創新性的北京市單體建筑監測方法和技術體系。

3.1 監測方法與工藝流程

采用內業采集+外業調查相結合的監測方法開展單體建筑監測工作,采用遙感影像解譯、變化信息提取等技術與方法,結合多行業專題數據和外業調查成果,完善單體建筑空間信息和屬性信息,最終完成單體建筑數據的半年度更新,并在此基礎上開展統計分析。主要內容包括數據資料準備、數據融合、任務區劃分、變化信息提取及采集、外業調查、內業整理、統計分析、監測成果數據提交等重點技術環節,其中,質量檢查貫穿項目生產全過程,單體建筑監測的工藝流程如圖2所示。

圖2 北京市單體建筑監測工藝流程

通過技術革新和流程再造,實現提升單體建筑更新手段、數據獲取效率和成果質量的目標需求。構建面向首都高質量發展的特大城市單體建筑內容與指標體系,更好地服務城市綜合治理;運用了基于機器深度學習的算法模型,實現建筑物的自動變化檢測及快速提取,優化檢測算法,改進非對稱卷積塊和注意力機制對U-Net模型改進,實現了對建筑物變化情況的快速檢測[7]; 構建以多粒度時空對象來描述特大城市單體建筑的全空間信息系統建模理論,通過提升北京市海量單體建筑數據的豐度和精度,滿足了單體建筑數據不同維度的應用需求;創新單體建筑更新工作機制,更新數據生產工藝流程,通過變化檢測數據和任務分發,為數據更新提供靶向目標,在此過程中,基礎地理信息數據和單體建筑數據迭代優化,基礎測繪為單體建筑監測提供空間信息和部分關聯屬性信息,單體建筑為基礎測繪提供更新目標,二者緊密關聯、互相支撐,實現螺旋式提升;打通內外業銜接的最后“一公里”,通過基于云架構的信息系統開發,真正實現了從內業采集到外業核查,再到內業編輯整理的實時貫通的內外內全流程技術;構建了一系列單體建筑監測軟件體系,包括數據采集、數據預處理、成果質檢一系列軟件系統,支撐單體建筑一年兩次更新全面完成,形成現勢性強、精度高、全覆蓋的半年度全市單體建筑信息數據,據此,進行相關統計分析與評價,深入開展應用服務探索,積極落實首都新總規,科學實施北京減量提質發展。

3.2 關鍵技術

3.2.1 構建了面向首都高質量發展的特大城市單體建筑內容與指標體系

面向首都城市總體規劃、國土精細化管理、城市精準治理、生態環境保護等需求,利用決策樹模型,構建了滿足北京特色的特大城市單體建筑監測內容與指標體系。針對北京市等特大城市人口無序過快增長、水資源短缺、城市內澇、交通擁堵、公共服務設施不配套等“大城市病”,開展單體建筑“循環式”試點驗證并不斷修改完善。

單體建筑立足首都城市國土空間規劃需求,充分對接相關政府職能部門,對房屋單體建筑進行五個方面擴展細化等內容,并多次征求有關單位及行業內專家意見,經過試生產驗證,最終形成5個一級類(住宅、公共建筑、工業倉儲、農業建筑、特殊建筑等)、34個二級類(行政辦公、零售商業、批發市場、餐飲、旅館等)構建了北京市單體建筑監測內容與指標體系(表1),共計51個屬性信息字段,充分滿足城市精細化管理和公眾服務的要求,突出了首都特色。

表1 單體建筑分類類型與代碼

續表一級類CC碼二級類CC碼一級類要素名稱二級類要素名稱05652監教建筑05653消防建筑05654其他特殊建筑

3.2.2 構建了描述特大城市單體建筑的全空間信息系統建模理論

針對北京市單體建筑監測的綜合應用需求,突破傳統地理信息系統(geographic information system,GIS)局限,創新全空間信息系統理念,解決了單體建筑的接入、處理、描述、表達、管理、分析和應用等關鍵技術問題,對北京市單體建筑設計了58種結構類型豐富的屬性信息數據,全面構建了北京市單體建筑的三維立體數據信息庫,實現了單體建筑全尺度、全類型、全動態、全屬性等綜合特征信息呈現,極大提升了北京市海量單體建筑數據的豐度和精度,滿足單體建筑數據不同維度的場景應用。

(1)多粒度時空對象數據模型定量化描述房屋建筑單體和建筑單體之間的時空參照、時空位置、空間形態、屬性特征、組成結構、關聯關系等綜合信息,研究了單體建筑的生成、消亡、分解、組合、轉換、關聯、運動、表達和認知等計算與實現方法,形成了完整的全空間體系下多粒度對象方法(圖3),較好地實現了單體建筑信息全生命周期監管、滅失數據的復現、未來趨勢的預測,為首都城市體檢和疏解整治、違法建設等專項行動提供了強大的數據支撐和分析評估[8]。

圖3 多粒度時空對象數據模型的建模過程

(2)確定多粒度時空對象存貯模式與交換格式,開展相關數據融合與優化。多粒度時空對象數據模型極大地豐富了單體建筑監測的時空位置、空間形態等矢量信息,通過匯集數據航母綜合數據進行數據質量優化與迭代提升,結合現狀一張圖、建設工程全過程監督核測、建設工程規劃許可、不動產等信息數據對每一棟房屋建筑的空間位置、占地面積、使用性質、地上層數、建筑規模、門牌地址等屬性進行比照、清洗與提升,使之既滿足了國家監測要求,又重點服務城市病治理需求,還能與其他自然資源調查指標銜接,可為多種統計匯總提供堅實的數據基礎。

(3)在多粒度時空對象數據模型可視化的基礎上,通過交互方式可以實現單體建筑的空間相關操作,進行交互式增減、編輯、修改和預覽,利用單體建筑數據、違法建設專項臺賬現場核驗數據、建設工程全過程監督核測數據、基礎地理信息數據、住建委數據、建設工程規劃許可數據等多類型數據的融合。將這些數據融合后優化數據精度及屬性信息,提供更為準確的建筑規模數據。開展影像、本底數據與違法建筑銷賬數據的對比,對確實已滅失的圖斑進行賦值表征刪除。利用優于1 m的高分辨率遙感影像,進行圖形變化識別,針對新增及變化圖斑,完成新增及變化圖斑的采集。將各項專題資料屬性掛接至更新的單體建筑屬性字段中。利用已有海聯數據,制作形成完備的底圖數據，提升單體建筑的精度。

3.2.3優化變化檢測算法

引入深度學習算法,通過自動變化識別與快速提取技術,以自動化的手段提取出需要更新的“靶向”區域,變向縮小、聚焦范圍。

利用機器學習和深度學習輔助,在變化檢測算法層面,引入非對稱卷積塊和注意力機制對U-Net模型進行改進,實現對建筑物變化情況的監測。一方面,將U-Net模型在特征提取部分的標準卷積操作替換成一組由卷積核為1×3、3×3 和3×1卷積之和組成的非對稱卷積塊,增強了方形卷積核的中心骨架部分,使模型更具有魯棒性;另一方面,在U-Net中引入了注意力機制,使模型訓練時能通過抑制對非變化類像素的關注度,加強對變化類像素特征的學習,提高了模型對變化類建筑物像素的敏感性。改進后的模型能較為準確地檢測出遙感圖像中的變化類建筑物像素,且較原始U-Net模型[9-11],改進后的模型在準確率和F1 score上都有提升。在檢測效果層面,在2021年構建的具有北京特色的單體建筑模型均達到了項目預計的檢測精度,能夠在實際生產中提供變化靶向,從而減輕作業人員的生產壓力。基于深度學習的北京市單體建筑變化檢測實現流程及效果如圖4所示。通過2021、2020兩期影像對比，發現單體建筑為新增變化，變化檢測效果如圖5所示。

圖4 基于深度學習的北京市單體建筑變化檢測實現流程及效果

圖5 基于深度學習的北京市單體建筑變化檢測效果圖

通過連年海量樣本庫的建設,結合高分辨率遙感影像的單體建筑要素提取和變化信息精細檢測等關鍵技術都獲得了突破,大幅提升了單體建筑監測信息解譯、變化發現和成果服務的精度和效率。

3.2.4 更新數據生產工藝流程

在提質減量的背景下,綜合考慮北京市單體建筑監測成果的分層分級的不同應用需求,單體建筑監測由一年一更新模式提升到半年度更新模式,單體建筑監測通過機制更新、數據融合、技術改造,實現新形勢下“持續提升精度、不斷豐富屬性信息、及時掌握變化、統一統計基準,賦能政府決策支持”的高標準、高質量要求(圖6)。最終為城市發展和綜合治理提供了全面覆蓋、規范一致、突出重點的單體建筑數據。

圖6 單體更新頻次及提升目標

基于上輪次單體建筑監測成果數據為監測本底,采用高分辨率遙感影像單體建筑要素提取和建筑信息快速變化精細檢測等關鍵技術與外業調查、數據編輯整理等方法,利用多行業專題數據和外業調查成果,更新數據制作工藝流程。

按照北京市區域數據資料不同的特點,分城六區內以及城六區外兩部分更新單體建筑,城六區(包括東城、西城、朝陽、海淀、豐臺、石景山六區)先期開展數據融合工作,融合后再進行單體建筑更新;城六區外(包括通州區、大興區、門頭溝區、延慶區、懷柔區、密云區、昌平區、順義區、平谷區、房山區)直接進行單體建筑更新工作,制定不同區域單體建筑更新工作機制,探索提高資料融合兼容性,完善單體建筑更新工作。

通過單體建筑監測工作開展,持續優化單體建筑矢量數據精度,提升單體建筑相關成果信息質量。城六區區域內,1∶500地形圖覆蓋范圍內單體建筑不低于1∶500地形圖精度;1∶2 000地形圖覆蓋范圍內單體建筑不低于1∶2000地形圖精度;本輪新增的單體建筑和城六區外單體建筑精度應滿足相關數據采集精度要求。

3.2.5 構建完善的單體建筑監測應用軟件體系

研發基于云技術架構的數據采集與共享平臺,利用云技術架構數據共享平臺的分布式數據匯總,并通過優化數據存儲技術,建立一套單體建筑數據庫云管理與服務綜合交互云平臺,實現數據共享、管理和分析等功能,基于平臺開發集成多個子任務系統,通過“一個PC平臺、多個移動端系統(APP端)”實現內外業一體化[12]。 平臺如圖7所示。

在傳統網絡封閉式外業調查的基礎上,創新研發單體建筑調查軟件,調查軟件分PC端和移動APP端應用,具有內外業聯動處理和共享功能,真正打通內外業銜接壁壘,內外業可互通互聯,不用再有格式轉換等操作,還可在管理端做任務發布。

本系統為開展單體建筑監測工作提供信息化支撐,用戶面向主管部門以及調查人員。系統提供數據采集功能,實現房屋建筑空間信息及相關屬性信息的采集,主要功能有調查統計、數據統計、調查類型、任務管理、調查成果、賬戶管理以及日志管理等。數據存儲在私有云上,滿足了數據安全保密的要求。

軟件在線調查時,PC端及安卓移動端(APP端)通過私有云實現實時互通,以集成服務子系統為支撐,建成橫向實現各部門聯動的,APP端房屋調查及核查時主要功能有：軟件登錄、離線任務、外業定位、任務定位、任務圖上瀏覽、任務管理 、調查管理、記錄管理、個人配置以及同步更新等。基于先進的云技術架構的數據管理網站信息平臺具有建設基礎信息資源體系和管理與服務體系的功能。各級主管部門通過系統,可實時掌握各地數據普查工作進展情況,實現對各地調查要素的統一、集中管理。提供高效、便利、自動化程度高的調查手段,以提高單體建筑監測工作的質量和效率[13-15]。

圖7 基于先進技術構架的數據管理信息平臺

4 結束語

總體上,北京市單體建筑監測已經形成一套完整、成熟的技術體系,特別是在監測流程和技術手段上不斷推陳出新,不過在變化檢測技術上,仍有待提升,受到樣本量和算法模型的影響,通過閾值設置,雖然很好地控制了漏檢測的發生概率,但是偽變化的數量仍然比較大,這也是下一步技術攻堅的方向,希望通過技術創新,能夠大幅提升變化識別的效率和準確率。

北京市單體建筑監測始終堅持“邊監測、邊應用、邊見效”的原則,統籌推進、扎實研究、技術攻堅,用科學的手段實現成果數據質量不斷躍上新臺階,并大力推進北京市單體建筑成果應用,為城市國土空間規劃相關工作提供有力支撐,滿足經濟社會發展和生態文明建設的需要,更好地服務經濟社會發展和人民生活。北京單體建筑成果在總規修編、京津冀協同發展、區域總體規劃、規劃國土空間開發、城市空間發展變化、生態環境保護、資源節約集約利用、生態文明建設、災害預警、北京副中心建設、北京冬奧賽場規劃建設、大興機場建設、美麗鄉村建設、疏解整治行動、背街小巷治理等方面開展了 100 余項重要監測應用示范,并取得了一系列重要成果,為國土空間優化開發、生態文明建設提供了技術支撐、空間基礎、監督檢查等保障服務。特別是基于相關專業資料,融合經濟社會和人文地理等信息數據,創造性地探索相關綜合分析,揭示了用地、房屋、生態、環境、人口、經濟、社會等多種要素在空間和時間上相互作用、相互影響的內在聯系,多層次、多維度分析提煉綜合反映國土空間布局、城鎮化進程、區域協調發展等方面的規律性特征,預測城市發展變化趨勢,提出扎實有據的判斷和政策建議,更好地發揮單體建筑監測的經濟效益和社會效益。

面向城市高速發展的現實要求,北京市對時間連續、內容完整規范、質量穩定可靠的單體建筑數據提出了更高的要求,需要持續快速開展單體建筑更新,提供源源不斷穩固的信息支撐,服務政府決策。 2022年2月24日,京津冀協同發展成效新聞發布會在北京市發改委召開,提質減量發展邁出實質性步伐,北京成為全國第一個減量發展城市,首都城市發展方式實現深刻轉型。

北京房屋單體建筑監測,已經走過了近10個春秋,重新審視走過的歷程,為了實現這一目標,始終秉持謙遜嚴謹、追求卓越的理念,不斷創新思維、鉆研技術,勇于進取,為城市國土空間規劃和城市綜合治理提供堅實的數池智庫作用。單體建筑以其廣度和深度,變得更像一本百看不厭的書,也希望將來擁有越來越多的讀者,也希望所有閱讀者都能讀懂單體數據蘊含的智慧、專注、情懷和抱負。