無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)下的城市違建督察中舉證

母懋麒

（四川省煤田測(cè)繪工程院，四川 成都 610000）

傳統(tǒng)的違建查處方法手段特殊，因?yàn)檫`建具有隱蔽性，同時(shí)執(zhí)法人員在執(zhí)法過程中總會(huì)出現(xiàn)各種阻礙執(zhí)法的行為，導(dǎo)致城市違建取證困難重重。由于不能及時(shí)予以制止，導(dǎo)致安全問題頻頻發(fā)生?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展提升了調(diào)查取證的效率。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的使用，可以清楚的獲悉違建建筑的三維實(shí)景攝像，通過對(duì)建筑物攝影圖片進(jìn)行整合和分析，精準(zhǔn)判斷其是否為違建，并且將違建的位置、面積和結(jié)構(gòu)等信息顯示出來。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

1.1 無人機(jī)遙感技術(shù)

三維建模中采用攝影測(cè)量技術(shù)是最為常見的方法，攝影測(cè)量具有相對(duì)精準(zhǔn)的特點(diǎn)，通過對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以實(shí)現(xiàn)較好的建模效果[1]。但是在攝影測(cè)量的時(shí)候，往往會(huì)因?yàn)轱w機(jī)和衛(wèi)星的傳感器與地面呈垂直狀態(tài)，會(huì)被攝影的空間和航高所約束，在獲取頂部紋理信息和建筑物高度信息的時(shí)候，難以符合數(shù)字城市建模三維數(shù)據(jù)要求。

數(shù)據(jù)信息采集的基本方案設(shè)計(jì)大約包括5個(gè)步驟，分別是無人機(jī)準(zhǔn)備階段、采集數(shù)據(jù)信息的階段、數(shù)據(jù)信息處理階段、數(shù)據(jù)信息分析階段以及提交數(shù)據(jù)成果階段。在準(zhǔn)備工作中，需要做好對(duì)相關(guān)資料的儲(chǔ)備以及對(duì)所使用的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，保證設(shè)備捕獲的信息數(shù)據(jù)具有較高的精準(zhǔn)度。數(shù)據(jù)處理階段也可以將其詳細(xì)地劃分成4個(gè)步驟，分別是獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行導(dǎo)入，對(duì)空三加密，另外還需要同時(shí)重建模型，將最終處理的結(jié)果輸送出來。

1.2 傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜技術(shù)的研究發(fā)展加快了人們研究和認(rèn)識(shí)自然的過程，結(jié)合自然物體與人們的認(rèn)識(shí)，為人類帶來新的感知。近些年來，國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域興起了傾斜攝影技術(shù)，并成為一項(xiàng)高新技術(shù)，避免了傳統(tǒng)的垂直角度拍攝的弊端。通過將多臺(tái)傳感器搭載到同一個(gè)飛行器上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)角度影像的采集。傾斜攝影技術(shù)的引入使人們可以更加精準(zhǔn)、清晰地對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)景進(jìn)行全面感知。借助高效的采集數(shù)據(jù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的數(shù)據(jù)信息采集，為測(cè)繪的精準(zhǔn)度以及數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性提供保障。傾斜攝影中并沒有完全核心的部分，在收發(fā)數(shù)據(jù)信息的時(shí)候，通過無人機(jī)實(shí)現(xiàn)。融合信息技術(shù)、分析技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)可以形成無人機(jī)高效傳導(dǎo)技術(shù)，通過這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)收集移動(dòng)物體的溫度、速度和方向等信息[1]。

2 基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的違建監(jiān)測(cè)取證系統(tǒng)

無人機(jī)城市建筑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)是利用傾斜攝影技術(shù)展開測(cè)量活動(dòng)，飛行平臺(tái)依賴六旋翼無人機(jī)，傳感器選擇五鏡頭攝像機(jī)，該款攝像機(jī)能夠在無人機(jī)飛行過的區(qū)域動(dòng)態(tài)地獲取位置和姿態(tài)等多種信息，之后工作人員對(duì)收集捕捉的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，構(gòu)件出建筑實(shí)景三維立體模型。

2.1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

在低空領(lǐng)域采用無人機(jī)攝影需要保證無人飛行器具備良好的穩(wěn)定性和良好的場(chǎng)地起降能力[2]。經(jīng)過綜合分析考量，無人機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)采用六旋翼無人機(jī)較為合適，該款無人機(jī)擁有穩(wěn)定的性能和良好的工作效率，六旋翼無人機(jī)所具有的飛控系統(tǒng)能夠在第一時(shí)間對(duì)建筑物的姿態(tài)和位置進(jìn)行拍攝記錄。綜合來看，六旋翼無人機(jī)擁有極佳的可靠性，簡(jiǎn)單的操作讓該款無人機(jī)備受青睞，同時(shí)對(duì)于起飛場(chǎng)地和著陸場(chǎng)地的要求也較低。通過與測(cè)量城市低領(lǐng)域航空的基本要求相結(jié)合，六旋翼無人機(jī)飛行器的性能基本上滿足以下8個(gè)指標(biāo)。1）具有超過2 kg的人物載重量。2）飛行器的上升距離超過800 m。3）飛行器的控制半徑要超過800 m。4）飛行器的懸停高度要滿足水平方向±2m，垂直方向±1m。5）飛行器包括手控飛行和自主飛行2種飛行方式。6）飛行器能夠在溫度為-10℃～+40℃的環(huán)境下使用。7）飛行器能夠抵抗5級(jí)以上的風(fēng)力影響。8）續(xù)航時(shí)間超過30 min。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施

2.2.1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)傳感器設(shè)計(jì)

為了科學(xué)合理地建立起違建建筑物的三維模型，低空航空攝影傳感器需要從多個(gè)方向獲取目標(biāo)地建筑物的實(shí)際影像信息數(shù)據(jù)，獲取信息的方向包括建筑物4個(gè)側(cè)面方向以及頂部方向。為了提升傳感器獲取的建筑物信息的可使用性，最好的方法是將攝影設(shè)備的傾斜角度設(shè)置為45°。根據(jù)行業(yè)所指定的《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z/3003—2010），攝影的時(shí)候采用低航空攝影技術(shù)，能夠使獲取的圖像的清晰度更高，保證圖像層次分明，色差適中，影像資料沒有缺陷，色彩柔和。基于這些要求，在無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)中使用的傳感器為質(zhì)量較輕的航空器外掛攝影吊墜云臺(tái)，為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定，在一開始便將相機(jī)與其設(shè)計(jì)為一體，將傾斜角度設(shè)計(jì)為最小，相機(jī)的質(zhì)量要控制在2 kg以下。相機(jī)的像素?cái)?shù)沒有超過2 000萬，像元的物理尺寸應(yīng)該保持在2.4 μm甚至以上[2]。

2.2.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

法國(guó)Acute3D公司研究出一套基于軟件，命名為Smart3D Capture，這套軟件是以圖形運(yùn)算模塊的快速三維場(chǎng)景運(yùn)作作為基礎(chǔ)，整個(gè)運(yùn)行過程全自動(dòng)開展，僅以連續(xù)的二維影像就能夠?qū)⒆顬樵嫉南袼胤直媛蕦?shí)景模型還原出來。對(duì)于拍攝照片也具有較少的限制要求，同時(shí)在處理信息數(shù)據(jù)的時(shí)候具有較高的效率和較高的伸縮性。如果沒有其他需求，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠在數(shù)分鐘或者是數(shù)小時(shí)內(nèi)完成對(duì)所有原始數(shù)據(jù)的接收工作，同時(shí)可以直接對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行還原操作，使其成為具有連續(xù)性的真實(shí)三維模型，無論是大型數(shù)據(jù)還是小型數(shù)據(jù)，全部可以對(duì)其進(jìn)行還原，得到與真實(shí)情況最為接近的模型，如圖1所示。

2.2.3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)是正射影像圖、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、實(shí)景三維數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與房屋和地籍等空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)其展開綜合分析，通過對(duì)變化情況的監(jiān)測(cè)、地籍情況的核查、房屋建筑情況的監(jiān)測(cè)、分析整理數(shù)據(jù)等4個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物信息的構(gòu)建，核對(duì)建筑工程是否為違章建筑，如圖2所示。

通過利用上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其在抓拍城市違建工作中發(fā)揮積極作用。該項(xiàng)目通過將傳統(tǒng)的建模技術(shù)與無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，及時(shí)捕獲違規(guī)建筑物的高清序列影像，解決了實(shí)景模型細(xì)節(jié)補(bǔ)充以及精細(xì)建模等多種問題，對(duì)采集數(shù)據(jù)的手段進(jìn)行了豐富，與當(dāng)前數(shù)據(jù)信息采集的精準(zhǔn)度要求相吻合。

圖1 業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理流程圖

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)變化監(jiān)測(cè)方法

3.1 利用數(shù)字正射影像圖監(jiān)測(cè)

數(shù)字正射影像圖的基礎(chǔ)技術(shù)是遙感影像或者是航攝像片，掃描數(shù)據(jù)信息以后，獲得影像數(shù)據(jù)的時(shí)間，利用微分糾正、輻射糾正以及鑲嵌等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理，影像數(shù)據(jù)形成是需要根據(jù)原有的圖像所涉及的范圍進(jìn)行裁剪的，通過線畫、符號(hào)、內(nèi)外圖廓將地形要素的相關(guān)信息添加到影像平面上，從而形成借助柵格形式進(jìn)行信息儲(chǔ)存的影像數(shù)據(jù)庫。數(shù)字正射影像圖監(jiān)測(cè)具有豐富的信息和較高的精準(zhǔn)度，除此之外，其逼真直觀的特點(diǎn)和強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性也使得正射影像圖監(jiān)測(cè)成為可以提供良好數(shù)據(jù)和更新的手段。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 利用數(shù)字表面模型監(jiān)測(cè)

數(shù)字表面模型是模擬地物表面，通過對(duì)房屋的表面以及植被表面等信息進(jìn)行處理加工，形成數(shù)字地形模型。數(shù)字表面模型監(jiān)測(cè)能夠?qū)⒌孛嫫鸱鼱顩r更為真實(shí)的表達(dá)出來，逐漸被應(yīng)用在更加廣闊的領(lǐng)域。通過該項(xiàng)技術(shù)，可以使無人機(jī)在飛行的時(shí)候避開障礙物，低空飛行。

3.3 外業(yè)核查與實(shí)地補(bǔ)充舉證監(jiān)測(cè)

航攝傾斜攝影技術(shù)可以為后期構(gòu)建以圖像為基礎(chǔ)的自動(dòng)化模型提供條件，該項(xiàng)技術(shù)相比于傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)，具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1）可以將多個(gè)感光器件安裝在同一個(gè)飛行平臺(tái)上，并且將感光器件調(diào)整不同的角度，擴(kuò)大感光范圍，傳感器的布置選擇傾斜角度和垂直角度2個(gè)方向，以此來更為全面地獲得立體圖像信息，與機(jī)器本身所攜帶的精準(zhǔn)度較高的導(dǎo)航衛(wèi)星接收器以及測(cè)量慣性的部件互相配合，在計(jì)算航攝儀器所拍攝的絕對(duì)位置時(shí)，可以運(yùn)用地理參考直接獲取，可以有效避免傳統(tǒng)的測(cè)量方式復(fù)雜的后期操作，這種測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)較少的人工干預(yù)，提高自動(dòng)化程度，可以最大限度地提高三維模型的生產(chǎn)效率。2） 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)將傳統(tǒng)的測(cè)距技術(shù)和航空攝影技術(shù)進(jìn)行整合，通過及時(shí)獲取建筑物影像并且及時(shí)得到結(jié)果，從而滿足人的視覺系統(tǒng)對(duì)于周圍客觀世界的直觀認(rèn)識(shí)。通過將垂直角度拍攝的照片和傾斜角度拍攝的照片相結(jié)合，獲取地面建筑的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，讓結(jié)果與人類的感知相吻合。3）采用傾斜攝影技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)直接測(cè)量單張相片，可以提供多種直接測(cè)量手段，比如高度測(cè)量、距離測(cè)量、面積測(cè)量和體積測(cè)量。

在某省某村莊使用該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)一塊面積為2 km2的建筑用地，對(duì)監(jiān)測(cè)的建筑用地進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)處理，利用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)快速確定了23塊土地，對(duì)大約為2 400 m2的疑似為違章建筑的位置信息和建筑物信息進(jìn)行明確，使得原先需要為期一周的工作時(shí)間縮短到3 d。

通過使用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，獲取航空影像，在短時(shí)間內(nèi)獲取數(shù)據(jù)信息，在對(duì)拍攝的多幅影像進(jìn)行處理時(shí)，要建立起實(shí)景三維模型，通過使用該項(xiàng)技術(shù)，能夠在很大程度上減少人工的投入，提升城市違建檢查的效率。在對(duì)該建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過程中，總共測(cè)量了516個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，392個(gè)高程精度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)DLG成果平面統(tǒng)計(jì)表，見表1和表2。

表1 DLG平面精度統(tǒng)計(jì)表

表2 高程精度統(tǒng)計(jì)表（m）

4 結(jié)語

借助無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)城市違建具有可行性，通過對(duì)違章建筑進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)景的三維數(shù)據(jù)采集和建庫，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)差異在短時(shí)間內(nèi)對(duì)疑似違章建筑進(jìn)行處理分析，為城市執(zhí)法人員開展清障工作提供便利。