應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行城市違法建設(shè)精治理

亢 瑋

(北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司, 北京 100000)

0 引言

近年來,隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程突飛猛進(jìn),城市規(guī)模日益擴(kuò)大,人口數(shù)量激增,在取得豐碩成果的同時(shí),由于土地價(jià)值飆升、城市早期粗放管理和土地制度的不完善,在各方利益的驅(qū)動(dòng)下,違法建設(shè)愈演愈烈,屢禁不止,嚴(yán)重侵害人們的權(quán)益[1]。常規(guī)的城市違法建設(shè)判別和監(jiān)察主要依靠人工巡查和群眾舉報(bào)等的方式,這種方式城市違法建設(shè)識(shí)別效率低、取證難、周期長(zhǎng)、人力耗費(fèi)極大[2]。因此,城市執(zhí)法部門迫切需要新的技術(shù)手段能夠快速對(duì)違法建設(shè)進(jìn)行判別和監(jiān)察。通過遙感變化檢測(cè)手段進(jìn)行城市違法建設(shè)的判別是目前研究的熱點(diǎn),傳統(tǒng)上是通過遙感衛(wèi)星影像或者航空影像進(jìn)行違法建設(shè)的判別,這種方法存在價(jià)格高、現(xiàn)勢(shì)性較差、機(jī)動(dòng)性差的缺點(diǎn),不適合對(duì)城市違法建設(shè)進(jìn)行高頻的實(shí)時(shí)監(jiān)察。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是近幾年快速發(fā)展的新興技術(shù),它可以短周期、低成本和高分辨率獲得城市影像和城市三維數(shù)據(jù),為城市違法建設(shè)的判別和監(jiān)察提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。本文通過對(duì)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的研究,引入城市網(wǎng)格化管理的模式,提出了一套城市違法建設(shè)快速識(shí)別、治理和監(jiān)察的全周期管理流程,構(gòu)建了城市違法建設(shè)動(dòng)態(tài)管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)城市違法建設(shè)科學(xué)高效的管理。

1 工作機(jī)制

為了更好地完成城市“治違控違”工作,實(shí)現(xiàn)對(duì)城市違法建設(shè)的精細(xì)化管理,引入違法建設(shè)管理網(wǎng)格責(zé)任制,以社區(qū)為單位,將城市劃分為三級(jí)責(zé)任網(wǎng)格(區(qū)、街道和社區(qū))[3],確定每個(gè)網(wǎng)格的網(wǎng)格長(zhǎng)及其責(zé)任信息,結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù),打造城市違法建設(shè)動(dòng)態(tài)巡查、定期監(jiān)察和快速治理的立體化管理新模式。

1.1 城市網(wǎng)格化責(zé)任機(jī)制

城市違法建設(shè)管理難,一方面是違法類型多,位置隱蔽;另一方面是基層組織包庇和放任城市違法建設(shè),進(jìn)而加大了政府的管理難度[4]。因此,采用城市網(wǎng)格化責(zé)任制,依照“人員職責(zé)到網(wǎng)格、治理到網(wǎng)格、考核到網(wǎng)格”的原則,對(duì)城市進(jìn)行網(wǎng)格化劃分,做到城市管轄區(qū)域全覆蓋、不遺漏、不交叉,設(shè)置網(wǎng)格責(zé)任人,明確違法建設(shè)管理職責(zé)?；诰W(wǎng)格,建立城市違法建設(shè)巡查、治理及考核制度,實(shí)現(xiàn)城市違法建設(shè)的精細(xì)化管理。

1.2 無人機(jī)違法建設(shè)巡查機(jī)制

無人機(jī)具有現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、周期短的特點(diǎn),建立無人機(jī)違法建設(shè)巡查機(jī)制。利用無人機(jī)定期進(jìn)行航飛,獲取網(wǎng)格內(nèi)的正射影像和三維實(shí)景模型,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)新的違法建設(shè)和對(duì)存量違法建設(shè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)察。

1.3 城市違法建設(shè)快速治理機(jī)制

無人機(jī)定期對(duì)城市違法建設(shè)進(jìn)行巡查,通過同一區(qū)域不同時(shí)間段的正射影像或者三維實(shí)景模型進(jìn)行比對(duì),將疑似違法建設(shè)圖斑的位置通過管理平臺(tái)發(fā)送給負(fù)責(zé)該區(qū)域網(wǎng)格的巡查人員進(jìn)行處置,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格內(nèi)的違法建設(shè)從發(fā)現(xiàn)到處置的無縫銜接[5]。

2 技術(shù)路線

基于無人機(jī)傾斜攝影的城市違法建設(shè)精細(xì)化治理包括3個(gè)階段:城市違法建設(shè)治理前期準(zhǔn)備階段、城市違法建設(shè)治理數(shù)據(jù)處理階段和城市違法建設(shè)治理平臺(tái)建設(shè)階段。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線示意圖

(1)城市違法建設(shè)治理前期準(zhǔn)備階段,包括城市違法建設(shè)相關(guān)數(shù)據(jù)收集、城市違法建設(shè)治理方案編寫和無人機(jī)航飛準(zhǔn)備。城市違法建設(shè)相關(guān)數(shù)據(jù)收集有存量違法建設(shè)臺(tái)賬、網(wǎng)格化數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等;城市違法建設(shè)治理方案編寫包括實(shí)施計(jì)劃、技術(shù)路線和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等;無人機(jī)航飛準(zhǔn)備包括情況分析、設(shè)備配置和人員配置等。

(2)城市違法建設(shè)治理數(shù)據(jù)處理階段,包括存量違法建設(shè)臺(tái)賬處理和無人機(jī)傾斜攝影處理。存量違法建設(shè)臺(tái)賬數(shù)據(jù)首先是進(jìn)行外業(yè)核實(shí),并補(bǔ)充完善臺(tái)賬數(shù)據(jù),其次是進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和標(biāo)準(zhǔn)化處理,最后是進(jìn)行地名地址匹配,實(shí)現(xiàn)違法建設(shè)數(shù)據(jù)空間化,并錄入數(shù)據(jù)庫中;無人機(jī)傾斜攝影處理首先是通過技術(shù)手段,形成城市三維實(shí)景模型和正射影像,其次與歷史城市三維實(shí)景模型進(jìn)行比對(duì),提取變化圖斑,最后是現(xiàn)場(chǎng)核實(shí),確認(rèn)后進(jìn)行錄入數(shù)據(jù)庫中。

(3)城市違法建設(shè)平臺(tái)建設(shè)階段,包括城市違法建設(shè)治理數(shù)據(jù)庫和城市違法建設(shè)動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)。城市違法建設(shè)治理數(shù)據(jù)庫包括違法建設(shè)專題數(shù)據(jù)、格網(wǎng)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等;城市違法建設(shè)動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)城市網(wǎng)格的定期巡查,如網(wǎng)格長(zhǎng)定期巡查和無人機(jī)定期巡查、網(wǎng)格責(zé)任管理、地圖管理和運(yùn)維管理等,確保城市違法建設(shè)從前期發(fā)現(xiàn)、中期監(jiān)察、后期處置的全周期管理。

3 城市違法建設(shè)數(shù)據(jù)處理

3.1 存量違法建設(shè)臺(tái)賬處理

存量違法建設(shè)臺(tái)賬處理包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理、地名地址匹配處理和外業(yè)核實(shí)。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理是由于存量違法建設(shè)臺(tái)賬存在以文件存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)位置描述不準(zhǔn)和屬性信息不一致等問題,因此,需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、屬性補(bǔ)充和規(guī)范化整理。地名地址匹配處理一方面是根據(jù)違法建設(shè)的位置信息利用地名地址數(shù)據(jù)匹配技術(shù),進(jìn)行自動(dòng)空間化[6];另一方面由于一些違法建設(shè)位置無法進(jìn)行匹配,則需要進(jìn)行人工空間化。外業(yè)核實(shí)是對(duì)存量違法建設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)和完善,確保數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確,形成存量違法建設(shè)專題數(shù)據(jù)庫。具體處理流程如圖2所示。

圖2 存量違法建設(shè)臺(tái)賬具體處理流程示意圖

3.2 無人機(jī)傾斜攝影處理

3.2.1無人機(jī)傾斜攝影介紹

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是在無人機(jī)平臺(tái)上搭載相機(jī)從多個(gè)角度獲取地表影像的技術(shù),它較比航空攝影技術(shù),具有快速、靈活、成本低、影像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[7]。本文采用大疆M210進(jìn)行作業(yè)。其參數(shù)見表1。

表1 大疆M210無人機(jī)及相機(jī)硬件參數(shù)示意表

3.2.2無人機(jī)傾斜攝影處理流程

無人機(jī)傾斜攝影處理的流程如圖3所示。包括外業(yè)處理和內(nèi)業(yè)處理。外業(yè)處理是進(jìn)行測(cè)區(qū)踏勘,確定像控點(diǎn)位置、航攝分區(qū)和航線設(shè)計(jì)等內(nèi)容;內(nèi)業(yè)處理包括兩部分,一部分是通過外業(yè)獲取的像片進(jìn)行處理,并采用ContextCapture軟件自動(dòng)進(jìn)行三維建模,形成三維實(shí)景模型;另一方面是對(duì)像片進(jìn)行處理,如空三加密、數(shù)字地表模型(Digital Surface Model，DSM)/數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)提取、正射糾正等,形成正射影像。城市三維模型和正射影像是城市違法建設(shè)判別的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2.3無人機(jī)傾斜攝影處理關(guān)鍵點(diǎn)

(1)像控點(diǎn)布設(shè)。按照《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》中區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)的技術(shù)要求進(jìn)行像控點(diǎn)布點(diǎn)。像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)當(dāng)覆蓋整個(gè)航攝區(qū)域、均勻分布、航攝范圍線的凸角轉(zhuǎn)折處和凹角轉(zhuǎn)折處附近必須布設(shè)平高點(diǎn)。像控點(diǎn)布設(shè)原則為相鄰像控點(diǎn)間距不超過500 m,具體點(diǎn)位應(yīng)結(jié)合測(cè)區(qū)道路分布情況進(jìn)行布設(shè)[8]。

(2)正射影像制作。原始像片空三加密后,進(jìn)行定向,建立立體像對(duì),生成點(diǎn)云。通過點(diǎn)云構(gòu)建DSM,經(jīng)過處理后,得到DEM。利用數(shù)字高程模型對(duì)影像進(jìn)行重采樣,生成單片的正射影像,對(duì)正射影像進(jìn)行色彩調(diào)整以及鑲嵌等操作,形成正射影像成果[9]。

(3)城市三維實(shí)景模型制作。城市三維實(shí)景模型制作大多數(shù)采用自動(dòng)化建模的方式,目前國內(nèi)外建模軟件有: ContextCapture(Smart3d)、Pix4D Mapper、PhotoScan等[10]。本文采用ContextCapture軟件,它是一套無須人工干預(yù)的三維建模軟件,自動(dòng)制作城市三維實(shí)景模型。

3.2.4違法建設(shè)圖斑提取

利用新獲得的正射影像和城市三維實(shí)景模型,結(jié)合歷史影像和歷史三維實(shí)景模型,對(duì)同一網(wǎng)格區(qū)域不同時(shí)期的建筑物進(jìn)行比對(duì),可以識(shí)別該區(qū)域的變化情況。違法建設(shè)圖斑判別采用人工解譯的方式,將城市劃分為多個(gè)圖幅,逐幅進(jìn)行判別。首先,通過對(duì)建筑物的高度、形狀和面積等要素判斷,發(fā)現(xiàn)疑似違法建設(shè);其次,利用平臺(tái)提供的編輯功能,手動(dòng)進(jìn)行違法建設(shè)的圖形勾繪,形成疑似違法建設(shè)圖斑;最后,對(duì)疑似違法建設(shè)圖斑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí),如果確認(rèn)為違法建設(shè),則錄入違法建設(shè)圖斑庫中,最終形成城市違法建設(shè)圖斑數(shù)據(jù)。違法建設(shè)圖斑提取界面示意圖如圖4所示。

4 平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

為了更好地展示和管理城市違法建設(shè),開發(fā)了城市違法建設(shè)動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)。平臺(tái)開發(fā)采用 MVC 設(shè)計(jì)模式,以Eclipse平臺(tái)作為開發(fā)工具,采用J2EE體系架構(gòu)與ArcGIS Server10.5技術(shù),平臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理采用 Oracle 11g+ArcSDE。移動(dòng)端開發(fā)操作系統(tǒng)采用Mac OS X lion 10.7以上,開發(fā)軟件采用Xcode4.6以上,數(shù)據(jù)軟件采用Arcgis server 10.5。它是以地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)為核心,集成移動(dòng)端,實(shí)現(xiàn)城市違法從發(fā)現(xiàn)到治理的全過程監(jiān)察,主要功能模塊有網(wǎng)格責(zé)任管理、違法建設(shè)動(dòng)態(tài)巡查管理、違法建設(shè)管理、地圖管理和運(yùn)維管理等。

4.1 網(wǎng)格責(zé)任管理

網(wǎng)格責(zé)任管理包括網(wǎng)格管理和人員考核管理。網(wǎng)格管理的核心是劃分責(zé)任明確、界線清晰的責(zé)任網(wǎng)格。責(zé)任網(wǎng)格的劃分是基于行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù),同時(shí)街道社區(qū)負(fù)責(zé)人現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn),確定網(wǎng)格邊界和責(zé)任邊界。責(zé)任網(wǎng)格確認(rèn)后,明確每個(gè)網(wǎng)格的負(fù)責(zé)人、巡查人員和執(zhí)法人員,確保違法建設(shè)監(jiān)察網(wǎng)格全覆蓋。人員考核管理是通過違法建設(shè)治理情況對(duì)網(wǎng)格責(zé)任人、巡查人員和執(zhí)法人員進(jìn)行考核,考核的指標(biāo)有網(wǎng)格巡查違法建設(shè)發(fā)現(xiàn)是否及時(shí)、是否定期巡查、執(zhí)法人員是否及時(shí)處置違法建設(shè)等。

4.2 動(dòng)態(tài)巡查管理

動(dòng)態(tài)巡查管理包括巡查人員不定期巡查和無人機(jī)定期巡查。巡查人員不定期巡查是利用移動(dòng)端設(shè)備,一方面是根據(jù)群眾舉報(bào)或者在巡查過程中發(fā)現(xiàn)疑似違法建設(shè),并通過app進(jìn)行上報(bào),另一方面是根據(jù)無人機(jī)巡查發(fā)現(xiàn)的疑似違法建設(shè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí),并通過app進(jìn)行確認(rèn)。無人機(jī)定期巡查是每半年對(duì)城市進(jìn)行全覆蓋航飛,但是每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域航飛的時(shí)間不同,因此需對(duì)航飛時(shí)間、航飛區(qū)域和航飛成果等內(nèi)容進(jìn)行管理。

4.3 違法建設(shè)管理

違法建設(shè)管理包括違法建設(shè)上報(bào)、違法建設(shè)編輯以及違法建設(shè)進(jìn)度可視化監(jiān)察等功能。違法建設(shè)上報(bào)是根據(jù)巡查人員上報(bào)的違法建設(shè)進(jìn)行管理,并將違法建設(shè)信息發(fā)送給執(zhí)法人員;違法建設(shè)編輯一是利用定期巡查的正射影像和城市三維實(shí)景模型,通過分屏比對(duì)的方式,人工進(jìn)行違法建設(shè)的判別,將疑似違法建設(shè)數(shù)據(jù)根據(jù)格網(wǎng)反饋到巡查人員app上;二是可以對(duì)違法建設(shè)的屬性信息進(jìn)行編輯。違法建設(shè)進(jìn)度可視化監(jiān)察是以違法建設(shè)圖斑為基礎(chǔ),結(jié)合多時(shí)相正射影像或城市三維實(shí)景數(shù)據(jù),對(duì)現(xiàn)有的違法建設(shè)的進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)察,及時(shí)了解違法建設(shè)的治理情況。

4.4 地圖管理

在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下,通過圖層控制,可以實(shí)現(xiàn)地形圖數(shù)據(jù)、違法建設(shè)圖斑數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)和城市三維實(shí)景數(shù)據(jù)的疊加顯示。平臺(tái)提供二三維地圖操作功能、二三維聯(lián)動(dòng)、屬性查詢、空間查詢、在線編輯等功能。二三維地圖操作實(shí)現(xiàn)對(duì)二三維數(shù)據(jù)的放大、縮小、平移、量測(cè)、播放等功能,尤其是城市三維實(shí)景模型具有坐標(biāo)信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)違法建設(shè)的面積和高度的量測(cè)。二三維聯(lián)動(dòng)可同時(shí)在多個(gè)子窗口打開不同的正射影像、違法建設(shè)圖斑和城市三維實(shí)景模型,實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的互相關(guān)聯(lián),拖動(dòng)其中一個(gè)數(shù)據(jù),其他數(shù)據(jù)跟隨移動(dòng),方便進(jìn)行對(duì)比分析,尤其是進(jìn)行違法建設(shè)圖斑的識(shí)別工作。信息查詢可對(duì)違法建設(shè)圖斑進(jìn)行點(diǎn)選查詢,點(diǎn)選該圖斑后,將被查詢違法建設(shè)圖斑的屬性信息彈框顯示,同時(shí)高亮顯示被查詢的違法建設(shè)圖斑,顯示的內(nèi)容包括:違法建設(shè)名稱、違法事實(shí)、網(wǎng)格責(zé)任人、執(zhí)法人員,處置情況以及相關(guān)附件等信息。

4.5 運(yùn)維管理

運(yùn)維管理是整個(gè)平臺(tái)的支撐,包括地圖服務(wù)管理、人員管理、權(quán)限管理、日志管理地等功能。地圖服務(wù)管理是對(duì)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、違法建設(shè)數(shù)據(jù)以及城市三維實(shí)景模型以服務(wù)的方式進(jìn)行管理,控制服務(wù)的開啟和關(guān)閉。人員管理是用戶和機(jī)構(gòu)的管理;可以根據(jù)權(quán)限添加、刪除人員。權(quán)限管理是控制網(wǎng)格責(zé)任人、巡查人員、執(zhí)法人員、領(lǐng)導(dǎo)的權(quán)限范圍。如巡查人員只能上報(bào)和核實(shí),執(zhí)法人員只負(fù)責(zé)執(zhí)法,領(lǐng)導(dǎo)可以進(jìn)行審批和查看違法進(jìn)度等。

5 結(jié)束語

本論文通過對(duì)城市違法建設(shè)治理難和無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行研究,提出利用網(wǎng)格化實(shí)現(xiàn)對(duì)城市違法建設(shè)進(jìn)行精細(xì)管理。一方面網(wǎng)格化管理明確監(jiān)管職責(zé),確保違法建設(shè)巡查和治理全覆蓋;另一方面利用先進(jìn)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù),獲取高精度的正射影像和城市三維實(shí)景模型,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)新增的城市違法建設(shè)以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)違法建設(shè)治理的進(jìn)度。目前平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定,違法建設(shè)治理的效率大大提高,但也存在人工判別違法建設(shè)效率較低和不準(zhǔn)的問題。下一步平臺(tái)將進(jìn)一步完善功能,確保數(shù)據(jù)的及時(shí)和準(zhǔn)確的更新,保證平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行。