無人機(jī)在城市違法建筑調(diào)查中的應(yīng)用

侯純濤 HOU Chuntao

0 引言

隨著城市建設(shè)空間的不斷擴(kuò)展，在各種經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，城市中違法建設(shè)行為層出不窮，尤其在城郊地帶等監(jiān)管薄弱的地區(qū)，大量違法建筑不規(guī)則蔓延，嚴(yán)重破壞了城市風(fēng)貌，制約了城市的健康發(fā)展和城鄉(xiāng)規(guī)劃的順利執(zhí)行；且違法建設(shè)泛濫的地區(qū)往往防火防災(zāi)配套差，存在較大的安全隱患，違法建筑已成為城市的“毒瘤”。在傳統(tǒng)的城市違法建筑監(jiān)測中，城市執(zhí)法管理部門投入了大量的人力物力，但效果并不顯著，主要體現(xiàn)在監(jiān)測周期長、工作強(qiáng)度大等。近年來，伴隨著低空攝影測量技術(shù)和GIS 分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人機(jī)應(yīng)用于城市違法建筑調(diào)查已成為一種較為成熟的技術(shù)，在部分城市區(qū)域的試點(diǎn)運(yùn)行中，取得了令人滿意的成果。

2015 年開始，上海市在全市范圍內(nèi)持續(xù)開展了“五違四必”區(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合治理工作，其中，上海市某鄉(xiāng)鎮(zhèn)利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)和GIS 分析技術(shù)，在較短的時(shí)間內(nèi)，對區(qū)域內(nèi)的違法違章建筑進(jìn)行了排摸，并構(gòu)建了全鎮(zhèn)范圍內(nèi)的違法建筑數(shù)據(jù)庫，取得了寶貴的第一手資料，為未來進(jìn)一步開展違法建筑治理工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

無人機(jī)應(yīng)用于城市違法建筑調(diào)查，具有快速、靈活、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，在違法違章現(xiàn)象突出的區(qū)域，可利用無人機(jī)航空攝影技術(shù)進(jìn)行低空攝影，得到高分辨率的正射影像，同時(shí)利用GIS 分析技術(shù)，通過影像變化發(fā)現(xiàn)和特征提取，實(shí)現(xiàn)對違法建筑動(dòng)態(tài)全面的監(jiān)測。

1 無人機(jī)違法建筑調(diào)查的作業(yè)機(jī)制

違法建筑的識別，其本質(zhì)在于建筑物變化的檢測，即對比分析提取到的建筑物現(xiàn)狀分布圖和歷史數(shù)據(jù)（規(guī)劃圖、權(quán)籍圖等）是否一致。無人機(jī)低空拍攝得到的高分辨率影像數(shù)據(jù)能夠清晰的反映建筑物的現(xiàn)狀，是構(gòu)建建筑物現(xiàn)狀圖的數(shù)據(jù)來源。通過疊加對比建筑物現(xiàn)狀圖和合法的建筑圖斑，即可對比分析得到疑似違法的建筑物。最后，通過現(xiàn)場核實(shí)確認(rèn)違法建筑，對違法建筑進(jìn)行處置?？傮w而言，就是要實(shí)現(xiàn)“三步走”——“一查、二認(rèn)、三處理”[1]的作業(yè)機(jī)制（圖1）。

2 無人機(jī)違法建筑調(diào)查的工作流程

無人機(jī)應(yīng)用于違法建筑調(diào)查的工作內(nèi)容主要分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。其中，外業(yè)的主要工作內(nèi)容是合理設(shè)計(jì)航飛路線，進(jìn)行無人機(jī)低空攝影測量；內(nèi)業(yè)的工作內(nèi)容是利用GIS 分析技術(shù)，得到正射影像圖DOM 和數(shù)字高程模型DSM，同時(shí)，對DOM 進(jìn)行矢量化處理，獲得建筑物現(xiàn)狀圖斑，再疊加權(quán)籍圖斑，分析得到違法建筑數(shù)據(jù)庫。

2.1 技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

在正式進(jìn)行無人機(jī)飛行前，為實(shí)現(xiàn)比例尺1:500 的DOM 精度要求，應(yīng)設(shè)定基本技術(shù)參數(shù)（表1）。

2.1.1 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)是攝影測量控制加密和測圖的基礎(chǔ)，野外像控點(diǎn)目標(biāo)選擇的好壞和指示點(diǎn)位的準(zhǔn)確程度，直接影響成果的精度[2]。像控點(diǎn)的作用包括后期實(shí)現(xiàn)圖像的糾正和配準(zhǔn)、DOM和權(quán)籍圖斑疊加等，其布設(shè)要求為：①像控點(diǎn)要分布均勻，在四角和中心都要有像控點(diǎn)，根據(jù)測區(qū)的面積，需均勻布置約為60 個(gè)像控點(diǎn)；②要盡量選擇平坦的地方布置像控點(diǎn)，避免遮擋；③應(yīng)盡量選擇半永久存在的物體作為像控點(diǎn)，必要時(shí)可進(jìn)行人工噴漆制作像控點(diǎn)；④像控點(diǎn)要和地面顏色形成鮮明對比。

2.1.2 技術(shù)參數(shù)設(shè)定

（1）按照GPS（E 級II 類）控制點(diǎn)，用刺點(diǎn)的方式進(jìn)行像控點(diǎn)采集。

（2）使用上海CORS 網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行RTK 實(shí)時(shí)差分解算技術(shù)，對地面現(xiàn)有的高反差地物進(jìn)行測量。

（3）使用測繪院提供的已知點(diǎn)，計(jì)算本區(qū)域轉(zhuǎn)換參數(shù)，得到上海市城建坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)及吳淞高程系統(tǒng)下的高程點(diǎn)坐標(biāo)，精確匹配上海市1:500 地形圖。

2.2 外業(yè)作業(yè)流程

無人機(jī)外業(yè)作業(yè)一般使用無人機(jī)搭載高分辨率的相機(jī)進(jìn)行拍攝，目的是高效、快速地獲取地面建筑物的正射影像（圖2）。在進(jìn)行無人機(jī)航飛之前，需遵循無人機(jī)航飛安全作業(yè)、合法作業(yè)要求，對于軍事管理區(qū)、政府機(jī)構(gòu)等限飛區(qū)域需提前做好航飛空域申請工作，若無法獲得這些區(qū)域的飛行許可，應(yīng)合理規(guī)劃飛行路線，避開限制區(qū)域。

在本案中，采用精靈4pro 多旋翼無人機(jī)和eBee RTK 中型固定翼航測無人機(jī)，前者適用于常規(guī)航飛正射拍攝，后者適用于飛行路線難以達(dá)到時(shí)的遠(yuǎn)距離拍攝。無人機(jī)飛行高度不高于150m，搭載相機(jī)像素達(dá)到2 000 萬，采用全局快門、GPS等距拍攝，預(yù)設(shè)地面分辨率2.8cm，航向重疊80%，旁向重疊75%。測區(qū)范圍約為14km2，預(yù)計(jì)飛行時(shí)間共9h，采集照片不少于12 000張，航線間距50m，單張照片涵蓋150m×100m 范圍，可達(dá)1:500 作業(yè)要求。

表1 技術(shù)指標(biāo)

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.3.1 DOM 和DSM 制作

數(shù)字正射影像圖（DigitalOrthophoto Map，簡稱DOM）是帶有建筑物圖廓、公里格網(wǎng)、標(biāo)注標(biāo)記的平面圖。其特點(diǎn)是具備地圖影像特征，且?guī)缀尉雀?、圖像內(nèi)容豐富、表現(xiàn)直觀真實(shí)、制作時(shí)間短。

數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，簡稱DSM）是包含了地表建筑物及橋梁、樹木等地物高度信息的地面高程模型。DSM 包括了地面以外的其他地表信息的高程，對于建筑物研究具有很高的價(jià)值。

DOM 和DSM 的生產(chǎn)過程類似，本文僅以DOM 的生產(chǎn)為例，簡要介紹數(shù)字影像圖的制作過程（圖3）。簡單來說，就是應(yīng)用專業(yè)的遙感影像軟件（如Pix4D）及高性能工作站，先對原始的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正，再處理各種畸變和位移誤差，在經(jīng)過配準(zhǔn)、影像鑲嵌、制圖整飾等一系列步驟后，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的拼接得到所需要的DOM（圖4）。

DSM 增加了高程信息，通過DOM 和DSM 疊加，可以實(shí)現(xiàn)對建筑物的三維瀏覽效果（圖5）。

2.3.2 現(xiàn)狀圖斑提取（矢量化）

在上述DOM 和DSM 模型的基礎(chǔ)上，采用專業(yè)軟件eCongnition 進(jìn)行面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)視覺技術(shù)建筑物現(xiàn)狀圖斑的自動(dòng)識別和提取。為提高識別的準(zhǔn)確性，最后需要通過人工再進(jìn)行判讀修改，以防止出現(xiàn)錯(cuò)漏情況。經(jīng)過矢量化處理后，可導(dǎo)出ArcGIS 平臺(tái)支持的shp 格式的矢量圖斑文件（圖6）。

圖2 無人機(jī)低空攝影測量外業(yè)作業(yè)流程

圖3 DOM 生產(chǎn)流程

2.3.3 違法建筑圖斑提取

在ArcGIS平臺(tái)中，將高清DOM、權(quán)籍圖斑、現(xiàn)狀圖和基礎(chǔ)地理信息等圖層疊加，即可進(jìn)行對比分析，認(rèn)定疑似違法建筑（圖7）。根據(jù)權(quán)籍圖的詳細(xì)程度，亦可對疑似違法建筑分類，如與權(quán)籍圖不符、權(quán)籍圖不存在、有批復(fù)無產(chǎn)證等，然后進(jìn)行現(xiàn)場核查確認(rèn)，交由執(zhí)法部門處理。同時(shí)，在ArcGIS 平臺(tái)中，可以很方便地生成圖斑的面積，建立違法建筑數(shù)據(jù)庫，為今后制訂整治方案提供依據(jù)（圖8）。

圖4 高清DOM

圖5 DOM 和DSM 疊加顯示效果

圖6 建筑物圖斑矢量化提取

圖7 高清DOM 和權(quán)籍圖斑疊加的效果（黃色圖斑為確認(rèn)疑似違章建筑）

圖8 違法建筑數(shù)據(jù)庫

3 結(jié)語

無人機(jī)應(yīng)用于違法建筑調(diào)查已是一種較為成熟的技術(shù)，操作技能日趨智能化、自動(dòng)化，飛行過程中即可完成對目標(biāo)的校準(zhǔn)和測量，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)完成大范圍的測繪。雖然對測區(qū)第一次調(diào)查工作成本較高，但可以一次性建立區(qū)域違法建筑數(shù)據(jù)庫，后續(xù)只需間隔一定的周期，對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充航飛調(diào)查即可，總體上還是節(jié)約了成本。

在條件允許的情況下，可基于無人機(jī)技術(shù)建立城市違法建筑監(jiān)測平臺(tái)，即以無人機(jī)低空攝影測量為監(jiān)測手段，結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)處理、3S 等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市違法建筑的自動(dòng)采集、智能分析、在線監(jiān)測預(yù)警等功能，實(shí)現(xiàn)城市違法建筑監(jiān)測管理的自動(dòng)化、信息化、動(dòng)態(tài)化，將城市整體管理水平提升到一個(gè)新的高度。