基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測系統(tǒng)研究

曹端廣鄭國強馬銀張子民賈德芳

(山東建筑大學 測繪地理信息學院，山東 濟南250101)

0 引言

城鎮(zhèn)違法用地和違章建筑監(jiān)測屬于全國土地調(diào)查工作的范疇，是一項重大的國情國力調(diào)查，是查實查清土地資源的重要手段。 但是，目前該項工作的開展仍存在較大的局限性，尤其是違法用地圖斑核查結(jié)果數(shù)據(jù)缺乏真實性和現(xiàn)勢性，這將降低城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測的準確性，對土地可持續(xù)集約利用具有負面影響[1]，進一步影響到國家對土地利用和城市規(guī)劃的統(tǒng)一部署[2]。 當前國內(nèi)外大多采用傳統(tǒng)的違法用地監(jiān)測工作方法，主要采用人員地面實地調(diào)研查看、衛(wèi)星遙感影像比對和傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)等手段開展工作[3]。 其中，地面實地調(diào)研查看方式需要大量人力、物力，工作效率較低；衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)下發(fā)周期長，獲取的土地變化信息滯后性較明顯，很大程度上影響宏觀調(diào)控的效果，同時衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解譯精度不能完全滿足違法用地解譯精度的要求，且存在投入產(chǎn)出不對等的缺點；航空攝影受空域管制和氣候等因素制約，且成本較高。

國內(nèi)有較多學者對城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測進行了相關(guān)的研究。 楊宏光等[4]提出利用高分辨率遙感影像監(jiān)測城鎮(zhèn)違法違規(guī)建筑用地，這也是目前國內(nèi)大部分相關(guān)工作單位開展工作的手段。 為了解決以往依靠人工實地核查調(diào)研存在的效果差、效率和準確性較低等問題，曾凡洋等[5]提出了利用微型無人機進行違法用地和違法建設動態(tài)監(jiān)測的思路，雖然此方法提高了獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)的精度，但是監(jiān)測工作依靠的數(shù)據(jù)仍然局限于二維數(shù)據(jù)層面，較三維模型數(shù)據(jù)仍存在局限性。 薛雁明等[6]首次提出了將傾斜攝影應用于地理國情普查與監(jiān)測工作中，闡述了地理國情普查與監(jiān)測的現(xiàn)狀，并簡單介紹了傾斜攝影測量技術(shù)以及三維模型的建模流程，分析了將三維模型應用于國情普查工作中的優(yōu)點。

在現(xiàn)有研究的基礎上，文章提出了利用傾斜攝影生成三維模型進行城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測的思路，并總結(jié)得出了基于傾斜攝影技術(shù)的高精度三維模型制作和生產(chǎn)流程，在此基礎上開發(fā)了一套完整的基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地三維核查系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)進行精度評定，以驗證系統(tǒng)的可靠性和可行性。 文章的研究思路及開發(fā)的核查系統(tǒng)，為違法用地監(jiān)測部門提供新的工作手段，有利于提高監(jiān)測準確度及工作效率。

1 研究方法

1.1 基于高分辨率影像的違法用地圖斑的獲取

傾斜攝影相機具有多個鏡頭，能夠同時獲取同一地物多方向上的影像，從而獲得地物多視角影像和詳細的側(cè)面信息。 利用獲取的照片數(shù)據(jù)，通過軟件生成高分辨率正射影像，對正射影像的分塊目視解譯，可以發(fā)現(xiàn)存在疑似違法用地和違法建設的區(qū)域。 對處于城中村中心等人力巡查難以到達的區(qū)域，無人機監(jiān)測具有巨大的優(yōu)勢，讓“兩違”現(xiàn)象無處遁形。

在違法用地監(jiān)測工作中，將兩期間隔拍攝的無人機正射影像進行對比，或?qū)o人機正射影像與上一年度年底獲取的高分辨率衛(wèi)星影像進行對比，分辨出變化區(qū)域，即可得到兩期影像之間的變化圖斑。將變化圖斑與土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，得到每一個變化圖斑內(nèi)土地利用現(xiàn)狀類型。

1.2 高精度實景三維模型的制作

采用傾斜攝影測量技術(shù)進行三維實景建模，其核心技術(shù)包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預處理、空中三角測量、傾斜影像密集匹配、數(shù)字地表模型DSM(Digital Surface Model) 點云生成、構(gòu)建不規(guī)則角網(wǎng)TIN(Triangulated Irregular Netwrk)模型、自動紋理映射和三維實景建模等。 其中，關(guān)鍵步驟為空中三角測量、自動生成三維模型和紋理映射，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、三維建模提供數(shù)據(jù)支撐。 空中三角測量、三維實景建模自動化水平的提高極大地便利了三維實景重建[7]。

1.3 數(shù)據(jù)獲取及處理

建模的原始數(shù)據(jù)主要包括了傾斜影像數(shù)據(jù)、高精度位置和姿態(tài)測量系統(tǒng) POS (Position and Orientation System)數(shù)據(jù)、地面像控數(shù)據(jù)。 鑒于無人機體積小、易于攜帶，技術(shù)門檻低、易于推廣，文章采用大疆Pro 4 無人機進行傾斜影像數(shù)據(jù)采集。

在無人機地面控制系統(tǒng)中進行航線規(guī)劃，設置飛行高度、航向和旁向重疊度、起飛和降落地點等參數(shù)。 在飛行之前對無人機進行調(diào)試、磁場校準，檢查無誤后起飛。 無人機在航飛途中，會自動下載相應的POS 數(shù)據(jù)到飛控系統(tǒng)[8]。

Smart3D 軟件采用世界先進的計算機視覺三維重建算法[9]，只需結(jié)合飛行過程中獲取的POS 數(shù)據(jù)即可解算出精確外方位元素。 采用多基線多特征匹配技術(shù)可生成大量的連接點[10]，結(jié)合少量的外業(yè)控制點，通過區(qū)域網(wǎng)平差步驟，從而完成了多視角聯(lián)合空中三角測量，得到空中三角測量報告；隨后根據(jù)聚簇算法和基于面片的密集匹配算法，實現(xiàn)高密度點云初步構(gòu)建[11]；最終由超高密度點云構(gòu)建的TIN 網(wǎng)模型結(jié)合紋理映射實現(xiàn)實景三維模型的構(gòu)建。

1.4 違法用地監(jiān)測流程

違法用地監(jiān)測流程如圖1 所示。 具體流程為(1) 將兩期間隔拍攝的無人機正射影像進行對比，或?qū)o人機正射影像與上一年度年底獲取的高分辨率衛(wèi)星影像進行對比，分辨出發(fā)生變化的區(qū)域，即可得到兩期影像之間的變化圖斑；(2) 將利用傾斜攝影技術(shù)獲取的變化圖斑照片做為原始數(shù)據(jù)，利用Smart3D 軟件進行實景三維模型的建構(gòu)，并將三維場景模型上傳至所開發(fā)的違法用地監(jiān)測平臺服務器端，同時將城市建設用地審批文件、原始圖斑文件等其他輔助資料一同上傳至監(jiān)測平臺服務器端；(3) 服務器接收詳盡資料后，由客戶端對違法用地圖斑進行審核，人工交互審核完成后對審核結(jié)果進行統(tǒng)計匯總，統(tǒng)計不同地區(qū)違法用地數(shù)量和違法用地占總用地比例等。

圖1 違法用地監(jiān)測流程圖

2 違法用地監(jiān)測系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

為了提高城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測工作效率，突破傳統(tǒng)以二維影像作為監(jiān)測依據(jù)的局限性，解決人為目視解譯帶來的誤差和不確定性等問題，以三維場景的形式更加客觀、公平、嚴謹?shù)剡M行檢查審核，因此需要開發(fā)基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測系統(tǒng)。這符合智慧城市的發(fā)展方向，讓數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測審核、數(shù)據(jù)存儲等一系列工作實現(xiàn)線上運行。

2.1 系統(tǒng)設計

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設計如圖2 所示。系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，以IDEA 作為開發(fā)工具，JavaScript 和C＃作為開發(fā)語言，Oracle 作為數(shù)據(jù)庫進行系統(tǒng)搭建。 其中(1) 系統(tǒng)通過Smart3D 軟件將無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)進行三維建模；(2) 將傾斜攝影三維模型加載到SuperMap iDesktop 9D 軟件中生成配置文件并添加到三維場景；(3) 通過SuperMap iServer 9D 軟件將處理好的三維數(shù)據(jù)發(fā)布成能調(diào)用的三維場景服務。

圖2 城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設計圖

2.1.2 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)采用地理數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的存儲，三維場景模型存儲在SuperMap 地理數(shù)據(jù)庫中，建設用地審批文件信息和系統(tǒng)量測的建筑物高度、用地面積等信息存儲在Oracle 數(shù)據(jù)庫中，通過數(shù)據(jù)訪問層來進行訪問。 Oracle 數(shù)據(jù)庫中有國土用地和違法用地兩個數(shù)據(jù)表，字段類型相同。 違法用地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 違法用地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

2.1.3 系統(tǒng)功能模塊設計

基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測系統(tǒng)有國土用地和違法用地數(shù)據(jù)管理、違法用地核查、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、系統(tǒng)管理以及測高測距測面等量測功能，其功能模塊如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

2.1.4 系統(tǒng)工作流程

城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測系統(tǒng)的具體工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

用戶通過瀏覽器打開系統(tǒng)登錄界面，輸入用戶名和密碼登錄。 新用戶需進行注冊，管理員可以通過系統(tǒng)管理對用戶進行審核和設置權(quán)限。 登錄成功后進入系統(tǒng)的首頁，在國土用地中存放了已經(jīng)編號的地塊，用戶點擊相應的地塊，地圖窗口跳轉(zhuǎn)至相應的傾斜攝影三維模型處，使用測高和測面按鈕對建筑物進行量測；根據(jù)量測的數(shù)據(jù)和審批文件要求進行對比，如果合格，則審核通過；如果不合格，那么將該地塊標注為違法用地并存放于違法用地數(shù)據(jù)中。 核查用地是用來對違法用地進行二次審核，如果該地塊后期整改了，那么將通過審核，反之繼續(xù)列為違法用地。 統(tǒng)計分析功能模塊可以根據(jù)不同的地區(qū)、年份對土地進行分析，統(tǒng)計違法用地占總地塊的比例以及不同地區(qū)對違法用地的整改效率。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.2.1 發(fā)布和瀏覽大數(shù)據(jù)量的傾斜攝影三維模型

傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)量大，為了實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的發(fā)布和網(wǎng)頁中的快速加載，主要通過SuperMap的iDesktop 和iServer 實現(xiàn)。 無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)通過Smart3D 軟件建模，生成osgb 格式的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導入SuperMap 的iDesktop中，生成scp 配置文件并對數(shù)據(jù)進行壓縮，以此來提高效率，將三維模型添加到新的三維場景中并保存工作空間。 在SuperMap 的iServer 中發(fā)布此三維模型工作空間，在網(wǎng)頁中通過Cesium 進行調(diào)用[12]，實現(xiàn)傾斜攝影三維模型在以Cesium 的三維地圖為場景的快速加載。

2.2.2 對建筑物進行高度和面積等空間測量

量測功能模塊主要通過超圖的MeasureDistance和MeasureArea 類計算空間量測結(jié)果[13]，包括空間距離、空間面積、高程、依地距離、依地面積和水平距離等多種形式。 該功能在三維場景中通過單擊測距、測高、測面按鈕實現(xiàn)。

2.2.3 統(tǒng)計分析功能

此功能是用來統(tǒng)計不同地區(qū)違法用地數(shù)量及占總用地比例。 國土用地中無論是合法用地還是違法用地，所有地塊信息都存儲在Oracle 數(shù)據(jù)庫中，地塊擁有ID、坐標、行政區(qū)、是否違法等屬性字段。 使用Mybatis 做持久化框架查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，基于HTML5 的Echarts 與ArcGIS JavaScript API 的專題制圖方法[14]，將查詢得到的數(shù)據(jù)制作成柱狀圖和餅狀圖在網(wǎng)頁中顯示。

3 違法用地監(jiān)測系統(tǒng)精度評定

為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量的精度滿足城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測工作的需要，對基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測系統(tǒng)進行精度評定。 以濟南市歷城區(qū)2018 年公布的部分違法用地為例，對保利銀座幼兒園、辛祝路小別墅等10 個標志性建筑物的高度和面積在系統(tǒng)中進行測量。 建筑物高度取建筑物最頂端，建筑物面積為建筑物的占地面積；利用全站儀和激光測距儀對所選取建筑物的高度和面積進行實地測量。將實地測量得到的數(shù)據(jù)作為基準和系統(tǒng)測量結(jié)果進行誤差分析，具體結(jié)果見表2。

表2 建筑物實地測量與系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)表

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化委員會發(fā)布的GB/T 14268—2008《國家基本比例尺地形圖更新規(guī)范》中給出了精度估算公式[15]，由式(1)～(3)表示為

式中:di為較差；a1為系統(tǒng)中建筑物的高度或面積；a2為地面實測建筑物的高度或面積；MD為等精度中誤差；MG為高精度中誤差；n為選取的樣本數(shù)。

利用式(1)做系統(tǒng)高度(面積)與實測高度(面積)差值得到較差，并通過式(2)、(3)計算等精度中誤差和高精度中誤差，計算結(jié)果見表3、4。

由表3 可知，系統(tǒng)中測量的建筑物高度和實測高度較差在-0.05 ～0.07 m，董家村倉庫系統(tǒng)高度和實測高度較差最大，和潤幸福城北側(cè)建筑系統(tǒng)高度和實測高度較差最小，其中所選的10 幢建筑物的高度測量等精度中誤差為±0.03 m，高精度中誤差為±0.05 m。 精度完全滿足違法用地監(jiān)測的工作要求。

表3 建筑物高度測量誤差統(tǒng)計表/m

表4 建筑物面積測量誤差統(tǒng)計表/m2

由表4 可知，系統(tǒng)中測量的和實測建筑物面積較差在-1.95～2.8 m2，保利銀座幼兒園系統(tǒng)面積和實測面積較差最大，孟家村辦公樓系統(tǒng)面積和實測面積較差最小。 所選的10 幢建筑物的面積測量等精度中誤差為±1.14 m2，高精度中誤差為±1.61 m2。精度完全滿足違法用地監(jiān)測的工作要求。

4 結(jié)語

文章采用無人機傾斜攝影獲得監(jiān)測地物的影像，利用Smart3D 軟件建構(gòu)實景三維模型，開發(fā)了基于傾斜攝影的城鎮(zhèn)違法用地監(jiān)測系統(tǒng)，技術(shù)流程可以概括為“三獲取二對比”，即獲取歷年遙感影像、傾斜攝影模型、審批文件；兩期遙感影像對比得出變化區(qū)域，傾斜攝影模型與審批文件對比得出監(jiān)測結(jié)果。 以濟南市歷城區(qū)部分違法違章建筑物為例，對系統(tǒng)三維模型的高度和面積精度檢驗的結(jié)果進行分析，其表明:建筑物高度測量等精度中誤差為±0.03 m，高精度中誤差為±0.05 m；面積測量等精度中誤差為±1.14 m2，高精度中誤差為±1.61 m2。 精度完全達到違法用地監(jiān)測的工作要求，系統(tǒng)可以為違法用地監(jiān)測提供服務。