移動測量技術在規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法中的應用研究

呂楠，茍永剛，龍川，向華

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.重慶市移動測量工程技術研究中心，重慶 401121；3.重慶數(shù)字城市科技有限公司，重慶 401121)

1 引 言

移動測量技術是近幾年來發(fā)展迅速的一項測繪新技術[1]。該技術集成GNSS(全球定位系統(tǒng))、INS(慣性導航系統(tǒng))、LiDAR(激光掃描儀)、Ladybug(全景相機)、DMI(里程計)等傳感器，架設在車載移動平臺上，在平臺移動過程中，可快速獲取周邊的高精度三維點云與實景影像數(shù)據(jù)。經(jīng)過多年的研究，移動測量技術在數(shù)字城市、智慧城市建設、城市市政設施普查、高速路資產(chǎn)普查、環(huán)保廠區(qū)數(shù)據(jù)獲取、交通設施管理、勘察測繪、公共安全應急、公眾地圖服務等領域得到了廣泛的應用，并取得了良好的應用效果[2～8]。

城市規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法主要是對城市規(guī)劃區(qū)內建設工程項目的實施情況進行監(jiān)督、檢查，依法對違法建筑實施強行制止和拆除，參與規(guī)劃違法行為的調查、取證，是城市環(huán)境優(yōu)美的基本保障[9]。規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法傳統(tǒng)的作業(yè)方式往往是通過群眾舉報或執(zhí)法人員現(xiàn)場踏勘等發(fā)現(xiàn)違法行為，具有很大的被動性，且效率低下，妨礙了違法行為的及時發(fā)現(xiàn)、取證和處理。移動測量技術在數(shù)據(jù)獲取上的優(yōu)勢，為城市規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法提供了便利，研究移動測量技術在規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法中的應用方法具有很大的現(xiàn)實意義。

因此，本文針對移動測量技術獲取數(shù)據(jù)速度快、精度高的特點，與城市規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法相結合，探索了移動測量技術在城市規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法中應用的可行性及優(yōu)越性。

2 車載移動測量系統(tǒng)

本文研究所用的車載移動測量設備是重慶數(shù)字城市科技有限公司自主研發(fā)的DCQ-MMS-X1型車載移動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成的主要設備包括GNSS、INS、LiDAR、DMI、Ladybug等，是一種新型的點云及全景影像采集裝置。該系統(tǒng)的技術原理如圖1所示：

圖1 移動測量技術原理

如圖1所示，該系統(tǒng)集成了3臺LiDAR設備，分別安裝在左、右、后(以車輛前進方向為正前方)三個方向，用于采集點云數(shù)據(jù)；Ladybug安裝在平臺最頂端，用于采集全景影像數(shù)據(jù)；INS穩(wěn)固在平臺內部，用于記錄平臺的姿態(tài)信息；GNSS用于獲取平臺的實時位置。此外，還有安裝在車輛右后輪胎上的DMI傳感器，用于記錄車輛行駛的距離等信息。集成的所有傳感器都由車內控制單元統(tǒng)一控制，并實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的同步。

車載移動測量系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)主要有慣導數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、原始點云數(shù)據(jù)、原始影像數(shù)據(jù)。其中，位置數(shù)據(jù)作為移動站數(shù)據(jù)、與基站數(shù)據(jù)、慣導數(shù)據(jù)結合進行POS(位置與姿態(tài))數(shù)據(jù)的解算，然后通過POS數(shù)據(jù)，可以將原始點云數(shù)據(jù)轉換為通用格式的點云數(shù)據(jù)，并將原始實景影像轉換為帶有位置信息的影像數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)和實景影像數(shù)據(jù)是本文研究移動測量技術在規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法中應用數(shù)據(jù)基礎。

當前違法建筑數(shù)據(jù)采集主要依靠執(zhí)法人員現(xiàn)場踏勘，不僅工作費時費力，而且后期的數(shù)據(jù)整理、登記和管理存在著數(shù)據(jù)不全面、不夠系統(tǒng)化的缺點，同時城市違法建筑采集數(shù)據(jù)的更新也無法及時保障[9～11]。利用移動測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)城市違法建筑數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性、完整性，并且有準確的位置信息，能夠協(xié)助執(zhí)法人員及時的發(fā)現(xiàn)違法行為，對執(zhí)法工作的開展有很大幫助。

3 違法建筑數(shù)據(jù)采集

3.1 數(shù)據(jù)采集方案

結合已有數(shù)據(jù)和常規(guī)數(shù)據(jù)采集方案及違法建筑特點，從城市規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法人員的需求出發(fā)，制定了移動測量系統(tǒng)違法建筑數(shù)據(jù)采集方案，如圖2所示：

圖2 違法建筑數(shù)據(jù)采集方案

(1)資料收集

首先，收集采集區(qū)域的路網(wǎng)、道路交叉口、隧道、橋梁及立體交通等分布情況，收集采集區(qū)域違法建筑的歷史資料，了解采集當日的天氣狀況，避免在雨天或惡劣天氣條件下進行違法建筑數(shù)據(jù)采集。結合采集區(qū)域地形圖或者電子地圖初步確定采集路線，并對無法確定的路線進行標記。

(2)踏勘

若有必要，可實地了解采集區(qū)域交通、違法建筑隱患點。若需實地架設基站，則需確定基站的架設位置。踏勘結束后，確定采集路線及作業(yè)計劃。

(3)外業(yè)采集

根據(jù)確定的采集路線，使用移動測量系統(tǒng)進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，外業(yè)采集的主要原始數(shù)據(jù)有點云數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)和慣性導航數(shù)據(jù)，用于內業(yè)數(shù)據(jù)的處理。

(4)數(shù)據(jù)處理

首先，利用GPS數(shù)據(jù)和慣性導航數(shù)據(jù)進行POS數(shù)據(jù)的解算；然后根據(jù)POS數(shù)據(jù)將原始點云數(shù)據(jù)和全景數(shù)據(jù)進行格式轉換。為了使規(guī)劃執(zhí)法人員在發(fā)現(xiàn)違法違規(guī)建筑后，能夠在實景影像上直接進行違法建筑的標注及登記，將轉換后的點云數(shù)據(jù)與全景數(shù)據(jù)在空間上進行匹配，生成可量測的實景影像數(shù)據(jù)，這也是本文的關鍵技術之一。

(5)質量檢查

由于光照、天氣等因素，可能會造成影像曝光過度或顏色失真等現(xiàn)象，對影像質量不符合要求的需要重新進行采集，對符合要求的可存儲到可量測實景影像數(shù)據(jù)庫。

3.2 數(shù)據(jù)采集成果

移動測量系統(tǒng)違法建筑數(shù)據(jù)采集的成果主要包括采集線路數(shù)據(jù)和可量測實景影像數(shù)據(jù)。根據(jù)采集線路數(shù)據(jù)可將可量測實景影像進行空間位置關聯(lián)，生成連續(xù)的實景影像[12]。利用該連續(xù)影像，規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法人員不僅可以進行違法建筑巡查，而且可以通過點擊電子地圖上某一位置即可定位到相應的影像，實現(xiàn)隨機巡查。

4 規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)建設中的關鍵技術

在基于數(shù)據(jù)采集成果構建規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)的過程中涉及兩方面的關鍵技術，具體如下：

4.1 可量測全景影像生成技術

為了便于執(zhí)法人員在全景影像上直接對違法案件進行標注、量測等操作，本文將點云數(shù)據(jù)與實景影像數(shù)據(jù)在空間位置上進行了精確匹配，生成了可量測的實景影像數(shù)據(jù)，算法步驟如下：

圖3 可量測實景影像生成流程圖

(1)空間匹配

假設點云數(shù)據(jù)中某點坐標為Pc(xc，yc，zc)，其中xc，yc和zc是點Pc的三維世界坐標，1≤c≤N(N為點云數(shù)據(jù)中點的個數(shù))。假設全景影像的位置與姿態(tài)為POS=(X，Y，Z，yaw，pitch，roll)，其中X、Y和Z分別為全景影像的三維坐標位置；yaw，pitch和roll分別為全景影像的偏航值、俯仰值、側滾值；

則與點Pc對應的全景影像中點P(x，y，z)的計算方法為：

(1)

其中R為旋轉矩陣，表示為：

R=inv(Ryaw·Rpitch·Rroll)

(2)

其中inv為矩陣的逆，矩陣Ryaw，Rroll，Rpitch表示如下：

(3)

(4)

(5)

通過式(1)，可將點云數(shù)據(jù)與全景數(shù)據(jù)進行空間位置的匹配。

(2)UV轉換

根據(jù)下式，將全景影像坐標系中的點坐標p轉換成全景影像的uv坐標：

(6)

其中α和β為方位角，計算方法為：

(7)

根據(jù)全景影像的uv坐標，計算全景影像景深圖中的像素點(I，J)：

(8)

其中W為景深圖的寬度，為H景深圖的高度，0<λ≤1。

(3)景深計算

全景影像景深圖中像素(I，J)景深的計算方法為：

(9)

(4)生成景深圖

按照上述步驟便可為全景影像生成其對應的景深圖，在景深圖的支持下，全景影像中的每個像素點都有其對應的空間三維坐標，可直接在全景影像上進行量測和標注，獲得可量測的實景影像。

4.2 基于WebService的異構數(shù)據(jù)集成框架

由于規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)來源較多，是一個多源異構的系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的可擴展性，使用XML文檔作為實現(xiàn)異構數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)共享的橋梁，將異構數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉換為XML文檔，通過Web服務進行發(fā)送，到達目標數(shù)據(jù)庫后再將XML文檔中的數(shù)據(jù)轉換為目標數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫集成框架如圖4所示：

圖4 基于WebService的異構數(shù)據(jù)集成框架

圖4中，數(shù)據(jù)庫層是各種異構系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲中心。當應用系統(tǒng)進行信息交換時，首先從數(shù)據(jù)層提取數(shù)據(jù)，生成相應的XML文檔，然后帶有XML的Web服務存放在Web服務器上，最終使共享信息(如案件發(fā)生地理位置)可以被相應的應用所利用，這些基于XML的Web服務構成了整個框架的服務層。描述數(shù)據(jù)的XML文件通過Web服務被放置在Internet上，當用戶進行信息訪問時，無須訪問各應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，直接訪問外置在Internet上的Web服務即可。UDDI注冊中心負責應用系統(tǒng)資源的注冊、發(fā)布及查詢，將相應的共享數(shù)據(jù)聚集在全局數(shù)據(jù)庫中。該架構的好處是將資源系統(tǒng)與共享數(shù)據(jù)在物理層次上進行分離，避免資源系統(tǒng)直接暴露在Internet下，從而降低了訪問風險，減輕了資源系統(tǒng)服務器的網(wǎng)絡連接負擔。

5 規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)的建設與應用

本文以重慶主城區(qū)為實驗區(qū)，按照本文的數(shù)據(jù)采集方案，采用移動測量系統(tǒng)進行了重慶主城區(qū) 500 km的違法建筑數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進行了處理及質量檢查，基于采集的成果數(shù)據(jù)，在重慶市違反城鄉(xiāng)規(guī)劃建設舉報中心平臺已有功能(案件投訴、案件咨詢、案件登記、違法建筑處理等案件處理基本流程、地圖服務等)的基礎上，集成了實景影像服務，提供實景巡查、違法案件實景瀏覽等功能，并與案件處理流程進行了融合，形成了案件處理閉環(huán)。主要應用如下：

5.1 違法案件實景瀏覽

系統(tǒng)對違法案件與實景影像進行了關聯(lián)，規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法人員可通過點擊違法案件直接查看與該案件關聯(lián)的實景影像數(shù)據(jù)，例如，案件編號為201702160001的實景影像如圖5所示：

圖5 違法案件實景瀏覽

同時，點擊全景影像中的熱點標記，可查看案件詳情，包括案件編號，業(yè)務類型，案件發(fā)生地等，若為群眾舉報的案件，還可以登記舉報人姓名、舉報人電話號碼等信息。

5.2 實景巡查

巡查人員可以進行360°巡查，在發(fā)現(xiàn)違法建筑后，可對違法建筑直接登記，并且可對違規(guī)建筑進行測量，此外，地圖與全景的地理位置關聯(lián)可支持跳轉瀏覽。實景巡查系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 實景巡查

通過與重慶市違反城鄉(xiāng)規(guī)劃建設舉報中心的集成，極大地提高了規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法的效率。執(zhí)法人員在接到群眾舉報后，可首先在該系統(tǒng)中對違法現(xiàn)象進行核實，然后通過案件發(fā)生地了解違法現(xiàn)象的位置及周邊環(huán)境，再到現(xiàn)場進行取證、核實及進一步處理。通過定期采用移動測量系統(tǒng)對違法違規(guī)建筑進行數(shù)據(jù)采集，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的周期性更新，執(zhí)法人員可通過實景巡查功能對采集線路周邊的違法現(xiàn)象及時發(fā)現(xiàn)、登記與處理。

利用該系統(tǒng)，可滿足規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法人員的日常巡查及案件追蹤等需求，提高工作效率。

6 結 語

作為一種新興的三維點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)獲取技術，移動測量技術能夠快速、準確的完成違法建筑的數(shù)據(jù)采集，通過將數(shù)據(jù)成果與重慶市違反城鄉(xiāng)規(guī)劃建設舉報中心平臺集成，提供實景巡查、違法案件實景瀏覽等功能，并與案件處理流程進行了融合，形成了案件處理閉環(huán)。實驗證明，將移動測量技術應用于城市規(guī)劃建設執(zhí)法工作中能夠極大提高執(zhí)法人員的工作效率，具有可行性和優(yōu)越性。本文的研究工作可以為今后移動測量技術在規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法領域的推廣應用提供參考。此外，由于車載移動測量技術的視野有限，只能獲取地面一定高度范圍內的違法建筑數(shù)據(jù)，將其與機載移動測量技術相結合，將是今后研究的一個方向。

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