街景影像技術(shù)在新增違法建設(shè)監(jiān)測中的應(yīng)用

張勁松 劉志祥 李新煜

(1. 北京市測繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

0 引言

近年來違法建設(shè)呈現(xiàn)出增長的態(tài)勢,管理部門也加大了打擊違法建設(shè)的力度。現(xiàn)有的違法建設(shè)監(jiān)測主要包括人工發(fā)現(xiàn)、衛(wèi)星影像查違識別等。人工發(fā)現(xiàn)包括各區(qū)塊網(wǎng)格員巡視發(fā)現(xiàn)異常,市長熱線“12345”市民舉報(bào)和相關(guān)執(zhí)法部門的日常巡檢等,該方法確實(shí)在一定程度上能夠發(fā)現(xiàn)和治理違法建設(shè),但是其人為因素大,投入成本高,發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)的效率低。衛(wèi)星影像查違有面積廣、效率高等多方優(yōu)勢,但受衛(wèi)片分辨率影響,尤其是受街邊植被影響,容易出現(xiàn)被植被遮擋無法發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)的情況。北京市為全面貫徹落實(shí)“疏解整治促提升”的重大戰(zhàn)略部署,聚焦城市街巷環(huán)境中的痼疾頑癥,打好環(huán)境整治提升的“整體仗”、彰顯“首都風(fēng)范、古都風(fēng)韻、時代風(fēng)貌”的城市特色,加快推進(jìn)國際一流的和諧宜居之區(qū)建設(shè),采用了街景影像技術(shù)對沿街違法建設(shè)進(jìn)行監(jiān)測,效率較高,監(jiān)測區(qū)域面積廣[1],取得了不錯的效果。

1 街景影像數(shù)據(jù)采集與制作

北京市要求對六環(huán)內(nèi)及通州區(qū)、順義區(qū)、昌平區(qū)、大興區(qū)、房山區(qū)的部分道路進(jìn)行街景數(shù)據(jù)采集,采集長度共計(jì)32 000 km。項(xiàng)目作業(yè)區(qū)地勢平坦,道路規(guī)整,非常利于外業(yè)數(shù)據(jù)采集,然而項(xiàng)目周期跨越初夏、秋季、冬季,同時也是霧霾和雨雪天氣高發(fā)季節(jié),給項(xiàng)目帶來一定的外業(yè)數(shù)據(jù)采集障礙,需要調(diào)配足夠的資源確保項(xiàng)目的順利開展。因此合理規(guī)劃作業(yè)時間和數(shù)據(jù)采集作業(yè)路徑顯得尤為重要。為此,我們將作業(yè)區(qū)域進(jìn)行劃分,盡量保證每個區(qū)域每年采集時間和采集行走路徑相似,提高對比性[2]。

1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1.1.1數(shù)據(jù)采集任務(wù)規(guī)劃

任務(wù)規(guī)劃的目的是在滿足測區(qū)全覆蓋的前提下,結(jié)合已有的數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)、路中線及測區(qū)范圍資料,設(shè)計(jì)合理的行車掃描路徑和掃描時間,避免設(shè)備長時間高負(fù)荷工作,避免交通擁擠,控制全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)失鎖時間,避免在高架橋等容易共振晃動的地方對系統(tǒng)進(jìn)行初始化和結(jié)束化[3],實(shí)現(xiàn)最高效、最經(jīng)濟(jì)、最精確地采集測區(qū)測量數(shù)據(jù)。

1.1.2數(shù)據(jù)采集實(shí)施

數(shù)據(jù)采集實(shí)施包括設(shè)備準(zhǔn)備、架設(shè)GPS基準(zhǔn)站、系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)結(jié)束化、儀器回收。

設(shè)備準(zhǔn)備要按照《車載激光掃描建模測量系統(tǒng)外業(yè)工作手簿》準(zhǔn)備需要的設(shè)備、資料,需要查看所需的設(shè)備是否齊全。作業(yè)開始前先在規(guī)劃的控制點(diǎn)上架設(shè)GPS基準(zhǔn)站,將GPS整平對中后測量儀器高度并記錄，用于后期高度校正。同時需要安裝車輪編碼器。系統(tǒng)初始化需要打開平板電腦(Portable Android Fevice，PAD),連接wifi,依次開啟LiDAR,GPS按鈕;檢查配置文件情況,確認(rèn)編碼器左輪還是右輪;檢查每秒脈沖數(shù)(Pulse Per Second，PPS)信號,衛(wèi)星個數(shù)以及世界協(xié)調(diào)時間(Universal Time Coordinated，UTC)時間;調(diào)試相機(jī),確認(rèn)曝光無誤,影像尺寸正確,設(shè)置曝光間距為10 M;開啟慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)按鈕,并在PAD中打開IMU開關(guān),再進(jìn)行初始化10 min[4]。記錄外業(yè)記錄手簿。

準(zhǔn)備好上述工作即可開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在PAD中開始掃描,開啟外置相機(jī),等待數(shù)據(jù)總計(jì),計(jì)數(shù)時開始作業(yè)即可。

數(shù)據(jù)采集完畢,停止掃描,下車進(jìn)行結(jié)束化,10 min,并填寫外業(yè)記錄手簿。關(guān)閉所有設(shè)備,檢查數(shù)據(jù)是否有問題,沒有問題則采集數(shù)據(jù)結(jié)束,有問題及時安排補(bǔ)救措施。同時,將影像數(shù)據(jù)、激光數(shù)據(jù)、相機(jī)數(shù)據(jù)和流動站GPS數(shù)據(jù)一并拷貝到項(xiàng)目指定的存儲硬盤中,按照相應(yīng)的目錄進(jìn)行放置。

1.1.3外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)檢

外業(yè)數(shù)據(jù)在處理之前需要進(jìn)行質(zhì)量檢查,具體工作內(nèi)容[5]如表1所示。

表1 車載激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)質(zhì)檢元素

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括姿態(tài)解算和全景影像數(shù)據(jù)處理。

1.2.1姿態(tài)數(shù)據(jù)解算

使用組合導(dǎo)航結(jié)算軟件,將移動站GPS數(shù)據(jù)與基站GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分后處理,再將GPS數(shù)據(jù)與IMU、車輪編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,得到高精度的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)[6]。

1.2.2影像數(shù)據(jù)與姿態(tài)數(shù)據(jù)相融合

車載激光建模測量系統(tǒng)中各傳感器工作在同一個時間系統(tǒng)中,姿態(tài)數(shù)據(jù)曝光那一時刻是相片在空中位置和角度的真實(shí)還原。姿態(tài)數(shù)據(jù)由相機(jī)標(biāo)定參數(shù)和IMU記錄的車的行駛方向和姿態(tài)融合解算,通過影像數(shù)據(jù)以及IMU數(shù)據(jù)中記錄的時間信息,結(jié)合標(biāo)定數(shù)據(jù)將影像數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,影像和姿態(tài)數(shù)據(jù)一一對應(yīng)就覆上坐標(biāo),為影像數(shù)據(jù)賦予坐標(biāo)信息[7]。

1.2.3影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

借助四臺高清索尼魚眼相機(jī)獲得高清影像,通過影像改正與影像拼接,輸出8 192 ppi×4 096 ppi像素的全景影像。

1.3 數(shù)據(jù)加工

街景數(shù)據(jù)加工由街景軌跡數(shù)據(jù)加工和街景影像切片組成,且同一批切片數(shù)據(jù)應(yīng)與同一批的外業(yè)照片數(shù)量、SHP(shape縮寫，一種GIS系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)格式)曝光點(diǎn)個數(shù)一致。

1.3.1街景影像切片

街景數(shù)據(jù)要求原始圖片尺寸為8 192 ppi×4 096 ppi。圖片影像應(yīng)能正確反映自然界存在的顏色現(xiàn)狀,通過查看影像直方圖來確保無明顯曝光過度或曝光不足現(xiàn)象。街景數(shù)據(jù)最終提交的形式是切片以后的數(shù)據(jù),切片要求是:全景影像采用六面體模型,借助切片軟件自動進(jìn)行切片。具體規(guī)則如下:全景影像照片投影到六面體的六個面上;瓦片大小設(shè)定為512 ppi×512 ppi;六面體每個面構(gòu)建三級瓦片金字塔:第一級由1×1個瓦片構(gòu)成、第二級由2×2個瓦片構(gòu)成、第三級由4×4個瓦片構(gòu)成[8]。

1.3.2軌跡數(shù)據(jù)要求

軌跡數(shù)據(jù)是由曝光點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的shp數(shù)據(jù),具體屬性列表及要求見表2。

表2 曝光點(diǎn)字段要求

2 街景影像技術(shù)發(fā)現(xiàn)新增違法建設(shè)

通過對比兩次不同時期采集的街景影像數(shù)據(jù)來獲取新增建筑信息,將新增建筑與規(guī)劃審批數(shù)據(jù)相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)新增違法建設(shè)。北京市的街景影像數(shù)據(jù)采集對違法建設(shè)高發(fā)重點(diǎn)區(qū)域每年多次采集,對非高發(fā)區(qū)域每年進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)對比工作包括今年和去年采集的街景影像數(shù)據(jù)對比,以及今年兩次不同時期數(shù)據(jù)的對比。

2.1 街景影像數(shù)據(jù)對比

違法建設(shè)識別分為兩個階段。第一階段,2019年6月第一輪、8月第二輪采集的街景數(shù)據(jù)與2018年所有已有街景數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。第二階段,2019年10月第三輪的數(shù)據(jù)與第一輪采集和2018年的街景數(shù)據(jù)采用以上同樣的對比方法,動態(tài)監(jiān)測前后變化,及時發(fā)現(xiàn)疑似違法建設(shè),如圖1所示。

兩個階段采用的對比方法相同,主要采用人工外業(yè)識別、內(nèi)業(yè)識別相結(jié)合的技術(shù)手段,同時研發(fā)計(jì)算機(jī)自動識別手段。人工外業(yè)和內(nèi)業(yè)識別主要通過作業(yè)員根據(jù)不同時期影像對比和現(xiàn)場判斷,對疑似違法建設(shè)進(jìn)行識別與定位,動態(tài)監(jiān)測前后變化,并套合規(guī)劃數(shù)據(jù),及時發(fā)現(xiàn)疑似違法建設(shè)[9]。計(jì)算機(jī)自動識別主要通過軟件對比前后期照片,發(fā)現(xiàn)新增建筑。對比發(fā)現(xiàn)疑似違法建設(shè)后,需要制作專題圖和信息表,專題圖中必須指明明顯參照物,指明疑似違法建設(shè)與參照物的關(guān)系,做到證據(jù)充分。

注： 圖中方框部分建筑有變化圖1 不同時期街景影像對比

2.2 新增違法建設(shè)發(fā)現(xiàn)和成果整理

通過對比前后兩次的街景影像發(fā)現(xiàn)疑似新增違法建設(shè),然后提取相關(guān)信息,整理出成果。成果包含兩個部分,一個圖片文件夾與一個excel表格。圖片文件夾中的內(nèi)容為本次疑似違法建設(shè)專題圖的所有照片,excel表格為本次所有違法建設(shè)的列表。列表中包括違法編號、發(fā)現(xiàn)批次、所屬區(qū)縣、所屬街道(鄉(xiāng)鎮(zhèn))、具體地點(diǎn)、發(fā)現(xiàn)日期、具體坐標(biāo)、變化前影像名稱和時間、變化后影像名稱和時間、位置圖名稱等,如圖2所示。

圖2 街景影像發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)成果組圖

3 街景影像監(jiān)測新增違法建設(shè)經(jīng)驗(yàn)

北京市從2015年開始進(jìn)行街景影像技術(shù)監(jiān)測新增違法建設(shè)以來,該項(xiàng)工作已進(jìn)行了5年,每年采集道路長度超過3 000 km。通過近5年的街景影像監(jiān)測新增違法建設(shè)工作總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)[10]。

3.1 外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集經(jīng)驗(yàn)

基站應(yīng)該架設(shè)在開闊、GPS信號好的控制點(diǎn)(已知1984坐標(biāo)系坐標(biāo));堅(jiān)決避免CF(一種存儲卡的格式，Compact Flash)卡和設(shè)備電纜等帶電插拔;保證工作電壓不低于12 V;初始化過程中,避免開關(guān)車門等造成采集車晃動,保證采集車靜止;每半天重新根據(jù)環(huán)境設(shè)置相機(jī)拍照參數(shù),并測試相機(jī)曝光情況;作業(yè)行車速度要求低于30 km/h,避免倒車,減少急剎車,急加速,避免檔位高轉(zhuǎn)速低造成的采集車抖動;盡量靠內(nèi)側(cè)車道行駛,特別是在路窄樹密的路段,避免增加不必要的GPS信號失鎖時間;在失鎖路段應(yīng)減少失鎖時間,在數(shù)據(jù)采集允許的最快速度下快速通過;全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)接收機(jī)應(yīng)該在IMU結(jié)束化后2 min關(guān)閉;掃描時沿快車道(緊靠隔離帶)行駛,如果前方有車,應(yīng)該等待其離開,不能繞過其行駛,以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求經(jīng)驗(yàn)

外業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)該是完整無誤的GPS,IMU,可量測實(shí)景影像(Digital Measurable Image， DMI),顯示技術(shù)(Clear Motion Rate，CMR)數(shù)據(jù);四個相機(jī)的img數(shù)據(jù)格式相同,并與ATD(一種數(shù)據(jù)格式，里面是曝光點(diǎn)信息)一致;輸出導(dǎo)航結(jié)果數(shù)據(jù);圖片影像應(yīng)該是8 092×4 096的全景數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)證明,利用該方法進(jìn)行新增違法建設(shè)的監(jiān)測效率高、人員投入少,對新生違法建設(shè)可以形成強(qiáng)有力的遏制力。車載移動街景影像發(fā)現(xiàn)可疑違法建設(shè)的周期為3個月,在如此短暫的時間查處一處違法建設(shè),使其制造者還未從中獲利便已被查處,能較好地打擊違法建設(shè)新增的制造者的作案動機(jī),形成強(qiáng)有力的威懾,在一定程度上遏制違法建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。同時,該方法也對衛(wèi)星影像因受植被遮蓋等因素的影響而難以及時發(fā)現(xiàn)的城市死角進(jìn)行有效補(bǔ)充。

但是,該方法也有其局限性。首先,對社區(qū)內(nèi)部汽車無法通行的區(qū)域無法進(jìn)行掃描和監(jiān)測。其次,對路邊有茂盛植被遮擋區(qū)域,存在盲區(qū)。最后,對影像對比自動識別新增建筑還需提高其準(zhǔn)確性,保障成果質(zhì)量和工作效率。

北京市近年來除了采用街景影像監(jiān)測違法建設(shè),也采用了地理國情普查單體建筑模型成果進(jìn)行違法建設(shè)整治。通過各種手段綜合進(jìn)行,相信北京市創(chuàng)建全市基本無違法建設(shè)工作會早日完成。