基于實景三維的東莞自建住宅提取與特征分析

張適然,陳明輝,黃 燕

(1. 華南農業大學林學與風景園林學院,廣東 廣州 510642; 2. 東莞市地理信息與規劃編制研究中心,廣東 東莞 523000)

建筑物是人類活動的主要場所,其空間分布、面積和高度等信息在城鄉規劃、防災減災及國防安全等領域發揮著重要作用[1-2]。在我國經濟的快速發展和鄉村振興戰略的推動下,自建住宅建設與更新需求日益增長,但自建住宅建設雜亂無序問題日趨嚴重,嚴重制約城市的可持續發展[3]。特別是伴隨著城市更新和舊城改造工作的大力推進,大面積、大批量的違法搶建現象時有發生[4]。因此,真實掌握城市存量建筑物,快速識別增量建筑物,成為城市管理者非常重視的問題[5],這也為農村宅基地管理[6]和城市規劃建設[7]等工作提供基礎,是高分辨率遙感影像的重要應用方向[8]。

近年來,遙感技術快速發展,高分辨率遙感影像的獲取能力日益提升,其應用領域不斷深化。實景三維模型兼顧紋理和地形地貌特點,具有三維展示、多維視角、實時標高、空間分析及全域縮放等特點[9-10]。無人機傾斜攝影測量技術因其空間分辨率高、時效性強和成本低等優勢[11],彌補了常規測量的不足,已成為獲取高分辨率遙感數據的重要手段[12-13]和城市實景三維相關應用數據采集的重要平臺[14-15],被廣泛應用到城市建筑物群三維信息獲取[16]、自然資源調查[17]、村鎮建設規劃、交通勘測規劃[18]及不動產權籍調查中[19]。傾斜攝影測量通過在同一飛行平臺上搭載多臺從垂直、傾斜等不同角度采集圖像的傳感器,來獲取地面物體完整的信息[20],可快速重建可量測的大尺度實景三維模型,大幅降低了三維城市建模成本。基于無人機傾斜攝影測量構建的實景三維模型,能快速準確地巡查、識別地面建筑[21],提供全要素、全紋理的地圖數據,且具有建模速度快、精度高、成本低、色彩符合實際等優點[22-23],被廣泛應用于全息地物要素結構化提取[24]、城市信息展示、應急管理、智慧交通、智慧公共安全等智慧城市精細化管理中[25]。

目前,關于建筑物遙感提取的研究和應用主要集中在城市地區[26],針對農村地區的研究較為少見[27]。為貫徹落實《關于規范農村宅基地審批管理的通知》等文件精神,東莞利用亞米級遙感影像固化存量建筑底數,構建精細顆粒度的自建住宅數據庫,分析研判全市自建住宅現狀,旨在為進一步規范農民住房建設、保障居民正當權益、嚴控違法建設提供數據支撐,為城市空間優化、拓展和現代化治理提供有力保障。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

城市化的快速發展使得原先分布在城市邊緣的農村被納入城市范圍[28],自建住宅是指以家庭為決策單元,不受外界特定指令控制,自主決策房屋的選址、形式、投資所建造的住宅,分為鄉村自建住宅和城鎮自建住宅[29-30]。因此,本文基于東莞市2019年12月實景三維模型進行遙感解譯,提取全市自建住宅數據,并對其現狀特征進行全面調查和分析,為城市治理提供數據基礎。

1.2 研究方法

使用固定翼無人機作為飛行平臺,搭載南方測繪T53相機、睿鉑RIY-DG3相機,采集并建立實景三維模型數據,依托實景三維數據、地形圖、第三次全國國土調查(簡稱“三調”)、地籍調查和不動產登記等數據,根據國家、省、市有關調查規程和標準,按照“所見即所得”和“市-鎮-村(社區)”三級聯動原則,提取自建住宅的物理屬性。結合自主上報權屬信息和外業實地權籍調查,建立和完善自建住宅數據庫,全面查清自建住宅基底面積、層數、高度、建筑面積、權屬、坐落、用途等信息,建立東莞市自建住宅一本臺賬,為后續自建住宅統籌管理、違建執法和搶建預防提供有力支撐。技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

1.2.1 數據采集

本次測區面積為2465 km2,為滿足實景三維數據成果精度和質量,共布設5075個清晰、易于判讀的像控點和403個分布均勻的檢核點。平面中誤差為0.014 m,高程中誤差為0.039 m。

按南北走向敷設航線,航線條數為750條,航高為350 m,正射影像航向重疊度為82%,旁向重疊度為77%,獲取有效像片500多萬張,地面分辨率為5 cm。坐標系統采用2000國家大地坐標系(標準3°帶高斯-克呂格投影)和1985國家高程基準。

1.2.2 實景三維建模

采用ContextCapture軟件,集群調用300多臺GPU同步運算,經過影像數據預處理、傾斜攝影空中三角測量、TIN網格構建、三維白模構建及紋理映射、模型修整(修補玻璃、水面等存在的漏洞;刪除無意義的漂浮物、不完整的車輛等,壓平不符合實際的地物;采用擬合的方式優化房屋面或路面變形較大的區域,使其平滑)等過程,構建真實清晰的實景三維模型。

1.2.3 自建住宅提取

以東莞市地形圖、實景三維數據為基礎,借助自主開發二三維結合的建筑圖斑提取軟件,高效提取并矢量化自建住宅圖斑,提取效果如圖2所示,結合人工目視解譯修正圖斑和物理屬性。

圖2 自建住宅圖斑提取

1.2.4 數據庫構建

東莞市自建住宅數據庫屬性字段包含31個字段,其中8個物理屬性、23個權屬屬性,部分字段要求見表1。通過人工目視解譯獲取自建住宅的現狀、結構、層數等信息,進而疊加相關部門提供的數據提取屬地信息、權屬人信息、土地屬性、持證情況等信息,初步建立自建住宅數據庫,再以村(社區)為調查單元,制作1∶500外業調查圖和調查表,下發各鎮街(園區)進行外業調查核實,更新完善自建住宅數據庫。

表1 東莞市自建住宅數據庫字段節選

2 結果分析

2.1 東莞自建住宅規模特征

經解譯和統計,東莞全市自建住宅總數量約113萬棟,總占地面積約111.52 km2,其建設區域占用土地資源(三調時“住宅用地”地類內的自建住宅面積與非“住宅用地”地類的零星自建住宅5 m緩沖區面積之和)約214.51 km2,約占現狀住宅用地面積的69%,平均占地面積約98 m2,約18萬棟占地超過150 m2;總建筑面積約3.84億m2,占存量住房建筑總量(5.24億m2,數據來源于東莞市國土空間規劃)的73%,平均建筑面積約344 m2,18萬棟建筑面積超過600 m2。

全市自建住宅平均毛容積率為1.8,長安等12個鎮街(園區)超過全市平均水平(如圖3所示);平均建筑密度(自建住宅基底總占地面積/自建住宅建設區域占用土地資源面積)為52%,道滘等17個鎮街(園區)超過全市平均水平(如圖4所示);平均層數為2.68層,長安等15個鎮街(園區)超過全市平均水平(如圖5所示),其中建筑層數低于2層的約38萬棟,高于4層的約22萬棟。

圖3 各鎮街(園區)自建住宅平均毛容積率

圖4 各鎮街(園區)自建住宅建筑密度

圖5 各鎮街(園區)自建住宅平均層數

由此可知,東莞自建住宅數量規模大,占用全市約七成(69%)的住宅土地資源及約七成(73%)的存量住房建筑總量,平均建筑密度較大,建設強度較高。

2.2 東莞自建住宅空間特征

空間上,東莞自建住宅沿舊城鎮和主干道、河流等交通線路軸向集聚明顯,呈現遍地開花的局面,主要分布在莞太路、莞樟路、莞長路等主干道,以及東江、寒溪河、東引運河、太平水道、石馬河等河流沿線周邊,以及中心城區(如圖6所示)。總體而言,東莞自建住宅多集中在產業和外來人口較為集中的區域,與工業(產業)園區混雜分布的現象比較突出,虎門、大朗、厚街、寮步鎮的總棟數和建筑面積均位于前列。

圖6 全市自建住宅分布

2.3 東莞自建住宅結構特征

東莞市自建住宅建筑以砼結構為主(約51.2萬棟),磚木結構(含土木結構)約30.0萬棟,磚混結構約28.1萬棟,其他結構約2.4萬棟,在建約1.3萬棟,結構比例如圖7所示。可見,修建時間較長的老式磚木、磚混結構自建住宅超過一半,存在一定的安全隱患。

圖7 自建住宅建筑結構比例

2.4 東莞自建住宅人口居住特征

結合東莞市“二標四實”數據(2020年5月)分析得知,居住在自建住宅的人口約占全市總人口的66%,自建住宅中居住的非戶籍人口約占79%,戶籍人口中居住在自建住宅的約占74%;專科(含)以下學歷的約占98%,研究生學歷人群中居住在自建住宅的約占46%。可見,自建住宅的居住人口承載量大,外來人口占比高,“本地人”大多居住在自建住宅,總體文化程度較低,高端人才的居住品質有待提升。

3 結 語

本文依托實景三維數據實現全市域遙感解譯,提取并建立東莞市自建住宅數據庫,固化了全市存量自建住宅底數,實現了自建住宅建設信息的直觀展示,可為自建住宅管理與規劃建設、村莊規劃、城市存量開發及建筑分層分戶三維建模等工作提供數據基礎和科學依據。分析發現,東莞市自建住宅規模大,分布范圍廣,占用土地資源較多,約占全市七成住宅土地資源和七成存量住房建筑總量,承載了全市近七成的人口,可進一步結合社會數據進行分析和開展自建住宅安全隱患排查,挖掘各鎮街(園區)的自建住宅、保障性租賃住房與人口分布之間的關系,有效盤活閑置自建住宅,解決保障性租賃住房對象的居住問題,提升市民居住幸福成色。