“多元融合”技術在國土綜合業務中的應用

劉一鋒

(廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣東 廣州 510060)

0 引 言

土地是人類生存和發展的物質基礎,是各種生產和生存的源泉。土地的科學開發、利用和分配是土地資源可持續發展的根本保證。有效管理土地,制止非法使用土地,切實保護耕地,是土地工作的重點[1-5]。現階段,我國仍然處于持續推動國家重要中心城市的現代化中心城區建設的進程中。在現代化中心城區建設的過程中,土地開發利用是城市建設的關鍵環節,并且具有“環節煩瑣、耗時時間長”的特點,如何依托新技術、新服務模式實現土地開發環節的提質增效對于助力經濟社會發展具有重要意義[6]。

1 概 述

在對土地進行開發利用時,政府部分需完成各類土地征收儲備和土地開發業務,伴隨著政府的各類業務衍生出了各種國土綜合的規劃測繪服務工作,具體包括現狀地形圖測量、土地套圖及附圖、土地勘測定界、不動產權籍調查、低空無人機航攝、二調建筑量比對、建筑量估算、建(構)筑物年份核查等,這些業務可統稱為國土綜合業務,貫穿土地征拆收儲開發整個流程。傳統的國土綜合業務主要是以勘測定界和權籍調查為主,根據土地征拆收儲開發的流程,現階段利用多種新技術優化了各類業務工作流程,也發展出了更多的新型業務。本文對廣州市城市規劃勘測設計研究院國土綜合業務中最具代表性的突破和創新的成果進行了闡述。

2 “多元融合”技術在國土業務中的應用

2.1 建設戰略數據庫,搭建核心數據中臺

國土業務是需要契合需求的數據專項服務,包含的工作內容眾多,要求更高的數據調取能力,要滿足平行處理數據于各職能部門架構信息傳輸端口之間傳輸、集成和應用。但受數據多源影響,初始數據集不可避免需經過人工與計算機共同清洗處理,經數據信息化工作,形成坐標統一、格式統一、信息統一、圖形統一的有效數據集。因此廣州市城市規劃勘測設計研究院根據使用主體的需求,對數據進行科學組織與管理,打造戰略數據庫,將其作為強大的基礎工具和整個平臺設計的核心中臺,可以為后續工作提供強有力的支持。

在戰略數據庫的基礎上,廣州市城市規劃勘測設計研究院應契合項目多元應用的需求建設“服務區”基礎數據平臺,通過眾多的國土數據、規劃數據、無人機、手機、三維激光掃描儀、全站儀等多種手段進行多方面采集數據和模塊化的業務流結合,實現數據分析及應用的目的,形成“服務區”國土測繪業務“一張圖”。基礎數據平臺是一個在計算機和現代信息技術支持下,以“地塊”為核心實體,實現地理信息的輸入、貯存、檢索、處理、綜合分析、輔助決策以及結果輸出的信息系統,從開發架構上主要是B/S子系統。

基礎數據平臺應實現以下六大模塊:

(1)數據獲取模塊:主要實現對數據的接收、調取等功能。

(2)數據管理模塊:支持數據的輸入輸出、編輯及處理、查詢統計、數據可視化等功能。

(3)建筑量估算模塊:實現在實景三維模型上直接測定點的三維坐標、進行空間量測、矢量圖形編輯等功能。在獲取二調、農調、現狀等數據的基礎上快速獲取和計算范圍內的建筑量(圖1)。

圖1 平臺模型計算

(4)權屬分析模塊:對用地范圍內的權屬情況,包括國有土地、集體土地、合法集體住宅、合法集體物業、非法集體住宅、國有建筑等進行統計和分析。

(5)勘測定界模塊:滿足勘測定界成果中包含的各項地籍要素、土地利用現狀要素和地形、地物要素數據的調取和靈活應用。

數據中臺的建設理念是將基礎數據從文件方式管理提升為數據庫系統管理,以網絡發布的方式向提供基礎數據分發服務,提供快速搭建模型計算功能,實現數據的在線瀏覽、查詢、提取、快速計算,實現空間數據“一查多用、一庫多用”,支撐空天地大數據分析,使傳統業務的作業效率進行大幅提升,可滿足更加多元化的業務類型,減少約三分之一的人力操作,新更好地滿足業務的生產需求。

2.2 采用基于無人機傾斜實景模型的三維測圖方法

在進行國土業務數據采集的過程中,經常使用無人機進行三維測圖,為實現三維模型的高精度重建,廣州市城市規劃勘測設計研究院使用了多視幾何的傾斜式攝影空中三角測量技術。在同等分辨率條件下,傾斜攝影比傳統航攝照片數量多10倍以上,廣州市城市規劃勘測設計研究院采用了哈瓦四軸八旋翼折疊雙電版無人機MEGA-V8Ⅲ,無人機搭載五鏡頭,機身采用碳纖維一體化設計,增加整體抗風強度。機型采用“L”形仿生設計,四個電機座相互平行,由于傳導結構的不同,A、D點振動波到達H點時相互抵消,盡量減少震動對機身中心點造成的影響(圖2)。無人機傾斜攝影平臺搭載的高精度導航定位系統采用雙RTK設計,能夠接收三星(北斗、GPS、GLONASS)七個頻段數據。此外,無人機傾斜攝影平臺實現了相機與GNSS定位(毫秒級)同步,保證POS數據歸算到照片主點,最大限度地減少了機械延時產生的誤差,實現了高清晰、高精度原始影像的采集。

圖2 無人機傾斜攝影平臺

在航攝數據處理過程中,廣州市城市規劃勘測設計研究院采用了分布式優化方案,結合POS系統提供的外方位元素和相機位置關系,將全局光束法平差修正為基于共軛梯度的迭代求解法,充分利用集群內部各節點的算力資源,實現了高精度并行空三。傾斜攝影影像相對于傳統的垂直攝影影像具有重疊度高、相鄰影像間基高比小、傾斜影像尺度變化大的特點,對此項目采用地空多源不同尺度數據生成多角度特征降維視差圖,來滿足大場景高精度密集點云的需求,再輔助全局網格均勻分布的三維表面重建技術來實現規則化城市級大范圍三維實景模型的生成。通過垂直影像獲取頂部結構,四周傾斜影像獲取房屋立面結構信息,利用建筑物側面紋理可采集的特點,配合計算機視覺特征匹配算法檢索結構相似性高的傾斜影像,自動完成紋理映射、幾何糾正、模型修飾的建筑單體化流程[7-8]。

無人機航空攝影是基于事先已設計好的航線由相機傳感器和POS系統在空中采用自動定點拍攝和定點記錄的方式進行的。在航測飛行前,將航線設計的數據導入無人機飛行控制系統內,通過地面監控系統控制無人機按預定的線路起飛,當無人機飛到相應的高度后,相機按照預先導入的拍攝點進行自動定點拍攝,獲取地面像片,與此同時,POS系統記錄像片拍攝瞬間無人機的各項姿態參數,像片數據存儲在相機自帶的存儲卡中,POS數據、飛行航線數據、飛行記錄數據存儲在飛行控制系統的存儲器中。

采用無人機設備懸掛多鏡頭傾斜相機,通過smart3D軟件建立實景模型,加載實景三維模型和正射影像數據,實現居民區(含農田區)的二三維聯動一體化地形測繪,將數據生產重心由外業轉為內業(圖3)。通過全野外測量方式采集明顯特征點坐標數據和明顯高程點數據進行精度檢測,精度符合規范要求,該技術方法比較適用于無植被遮擋或植被遮擋區域面積小、建筑密集度低等區域地形測繪,對于隱蔽地區采用地面常規手段進行協同補充。此外,針對重點關注地塊,采用無人機視頻技術實現全過程動態監測與可視化展示。

圖3 三維模型

利用無人機航攝和實景建模模型,可大幅縮減人力成本,傳統的測量方式受天氣制約較大,既需大量的人力外業,也需長時間的內業加工,利用無人機傾斜實景模型的三維測圖方法可大大縮減內外業人力,提高至少三倍單人單日工作量。

2.3 研發基于EPS的腳本增強工具集,提升數據處理效率

廣州市城市規劃勘測設計研究院建立的EPS軟件全流程作業系統是目前國土測繪業務板塊的重要工具,能將繁復的人工工作通過代碼邏輯實現自動化或半自動化作業,從而增強工作效率。以面向多元應用的需求為導向,針對各項業務“庖丁解牛”,基于EPS二次開發編制面積計算、自動構圖、成果輸出等腳本工具集(圖4),僅需少量人工干預即可獲得符合要求的成果圖件,解決作業自動化、成果標準化、出圖數字化等難題,減少重復作業,節省人力時間成本的同時也保證了數據質量。項目通過EPS腳本開發實現了以下功能:

圖4 基于EPS的國土業務腳本工具集

(1)通過導入范圍線,快速生成符合要求的用地結案附圖、建設用地套圖等一系列套圖標準化成果。

(2)利用EPS工具集實現地類圖斑編號的自動生成,通過導入SHP文件,一鍵生成地類圖斑編號,同時根據比例尺自動調整地類圖斑編號的大小以及位置,實現測定界圖與土地利用現狀圖的快速編制。

(3)通過增建坐標文本輸入自動生成弧段的功能和掩膜的功能解決了不動產權籍調查中作業問題。

(4)開發了基于EPS的建筑群自動化面積計算模塊,采用分區構面、分區計算的技術,實現了現狀建筑量的自動輸出,以減少內業計算量。

3 結 語

根據國土綜合業務的特性,廣州市城市規劃勘測設計研究院首先進行了數據布局,建設多個數據庫(1∶500地形庫、國有權屬庫、集體權屬庫、建筑庫等),形成“地塊”一張圖,其次對重點項目進行了模型研發,開辟的新型的數據生產方式,接著對各類基礎業務的處理軟件進行了模塊化的優化升級,從而最大限度地減少了現狀地形圖測繪、勘測定界、不動產權籍調查、建筑量估算等多類業務的工作量,同時在新形成的成果數據后,將依托動態更新機制為數據中臺補充新鮮血液,即對數據中臺進行“反哺”,從而在基礎數據上,我們做到了“有數據可用、要用有數據”的良性循環,在軟件和模型的開發環節我們也做到了“創新與優化共存、效率與質量兼得”,大幅縮減人力成本,提高經濟效益。凸顯出了數據差異化增值價值,構建高效的“需求適應型”服務新模式。