城鄉(xiāng)建設(shè)遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

吳亞文，聶 倩，申佩佩

（1.寧波市阿拉圖數(shù)字科技有限公司，浙江 寧波 315000；2.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315000）

隨著地球空間信息學(xué)的快速發(fā)展，尤其是遙感、地理信息系統(tǒng)等3S技術(shù)具有信息獲取全面、多尺度、時(shí)效性強(qiáng)、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-3]，可以及時(shí)掌握城市建設(shè)的現(xiàn)狀和變化信息等第一手資料，從而為城市規(guī)劃和建設(shè)管理提供不同視角、不同時(shí)空的科學(xué)論證和決策依據(jù)，因此已成為加強(qiáng)城鄉(xiāng)規(guī)劃實(shí)施監(jiān)督、提升稽查執(zhí)法效能的重要手段。本文以寧波市為例，采用多期高分辨率衛(wèi)星影像實(shí)施城市建設(shè)變化監(jiān)測(cè)分析，建立全市“空、天、地”一體化的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術(shù)服務(wù)體系，從而為城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作提供穩(wěn)定和快速反應(yīng)的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

寧波是我國(guó)首批對(duì)外開(kāi)放的沿海港口城市和計(jì)劃單列市，是一座具有深厚文化底蘊(yùn)而又充滿現(xiàn)代活力的國(guó)際化港口城市。寧波地處我國(guó)海岸線中段，長(zhǎng)江三角洲南翼。東有舟山群島為天然屏障，北瀕杭州灣，西接紹興市的嵊州、新昌、上虞，南臨三門灣，并與臺(tái)州的三門、天臺(tái)相連。是長(zhǎng)三角五大區(qū)域中心之一，也是長(zhǎng)三角南翼經(jīng)濟(jì)中心和浙江省經(jīng)濟(jì)中心之一。目前,寧波印發(fā)了促進(jìn)地理信息發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)，其中加快發(fā)展航空航天遙感技術(shù)及應(yīng)用，培育發(fā)展全市全天候新型多源航空航天遙感獲取、處理、加工和服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作為首要的發(fā)展重點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

本文研究?jī)?nèi)容數(shù)據(jù)源以遙感影像為主，通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)可以得到客觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。但受到拍攝成本和拍攝條件等因素的限制，需要在遙感數(shù)據(jù)處理過(guò)程中融入較多的其他元素對(duì)影像作出參考，且對(duì)數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)系、時(shí)間的統(tǒng)一性提出較高要求，數(shù)據(jù)快速標(biāo)準(zhǔn)化處理成為要完成的第一步。

1.2.1 數(shù)據(jù)源

本文研究?jī)?nèi)容數(shù)據(jù)源由以下四部分構(gòu)成：①分辨率為0.8 m的高分二號(hào)和北京二號(hào)影像；②收集已有（2015年）分辨率為0.5的影像數(shù)據(jù)（digital orthophoto map，DOM）；③收集已有（2015年）數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）；④無(wú)人機(jī)采集影像數(shù)據(jù)。影像范圍寧波市約10 000 km2，同時(shí)收集研究區(qū)poi、路網(wǎng)數(shù)據(jù)等輔助完成后續(xù)位置確定等工作。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于收集影像存在不同時(shí)相、不同傳感器或不同視角的成像條件的差異,圖像間會(huì)存在相對(duì)平移、旋轉(zhuǎn)和尺度等變換,因此需要對(duì)影像做幾何糾正、影像配準(zhǔn)、影像融合、勻光勻色、信息增強(qiáng)等預(yù)處理。

1）數(shù)據(jù)介紹。本次研究主要采用高分二號(hào)和北京二號(hào)2種數(shù)據(jù)源進(jìn)行。高分二號(hào)是我國(guó)自主研制的首顆空間分辨率優(yōu)于1 m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，搭載有2臺(tái)高分辨率1 m全色、4 m多光譜相機(jī)，具有高輻射精度、高定位精度和快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力等特點(diǎn)。北京二號(hào)是由三顆高分辨率衛(wèi)星（0.8 m全色、3.2 m多光譜的光學(xué)遙感衛(wèi)星）組成的民用商業(yè)遙感衛(wèi)星，可提供覆蓋全球、空間和時(shí)間分辨率俱佳的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和空間信息產(chǎn)品。

2）技術(shù)路線。對(duì)本文研究區(qū)的遙感影像預(yù)處理如圖1所示

圖1 遙感影像預(yù)處理流程圖

3）有理函數(shù)模型。通常情況下，遙感影像無(wú)地面控制時(shí)的定位精度不能滿足應(yīng)用要求。采用有理函數(shù)模型（rational function model,RFM）作為影像數(shù)據(jù)的幾何模型，由于RPC是由衛(wèi)星參數(shù)通過(guò)嚴(yán)密幾何模型解算得到的，所以衛(wèi)星原有的系統(tǒng)誤差也被代入有理函數(shù)系數(shù)中，為了保證幾何定位的高精度，應(yīng)在平差過(guò)程中采用某些方法來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。如像方平移改正模型、平移變換模型和仿射變換等補(bǔ)償方案，其實(shí)質(zhì)就是利用影像自帶的RPC系數(shù)來(lái)消除像點(diǎn)的系統(tǒng)誤差[4]。

有理函數(shù)模型是將像點(diǎn)(r，c)表達(dá)為與其相應(yīng)的地面點(diǎn)空間坐標(biāo)(X，Y，Z)為自變量的的多項(xiàng)式比值，

其 中，p1(Xn，Yn，Zn)，p2(Xn，Yn，Zn)，p3(Xn，Yn，Zn)，p4(Xn，Yn，Zn)的表達(dá)式為：

式中,aijk(a0......a19)為有理函數(shù)的多項(xiàng)式系數(shù)（rational functioncoefficientsRFC）。

2 研究方法

寧波市自2015年以來(lái)，逐步開(kāi)展了利用衛(wèi)星遙感技術(shù)輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作，以高分辨率遙感影像為基礎(chǔ)，以無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、地理信息技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)為依托，綜合遙感監(jiān)測(cè)、督察統(tǒng)籌、分局監(jiān)管等模式，構(gòu)建寧波市一站式遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術(shù)服務(wù)體系（如圖2所示），在維護(hù)城鄉(xiāng)總體規(guī)劃?rùn)?quán)威性和嚴(yán)肅性方面取得了明顯成效。其關(guān)鍵技術(shù)包括研究區(qū)遙感影像采集、遙感影像預(yù)處理、基于感知哈希算法的遙感影像變化發(fā)現(xiàn)、基于層級(jí)信息匹配的變化圖斑空間化技術(shù)、變化圖斑快速核查與反饋技術(shù)和傾斜實(shí)景三維快速建模與取證。

圖2 遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)體系流程

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于感知哈希算法的遙感影像變化發(fā)現(xiàn)

基于感知哈希算法的遙感影像變化發(fā)現(xiàn)采用格網(wǎng)將影像劃分為不同的區(qū)域，由于感知哈希算法大多針對(duì)圖像全局進(jìn)行特征提取[5]，對(duì)影像進(jìn)行基于信息熵的自適應(yīng)格網(wǎng)劃分，先對(duì)影像進(jìn)行隱形格網(wǎng)劃分，將其分割為大小相等的區(qū)域；設(shè)定相似度閾值，根據(jù)閾值范圍提取變化圖斑；數(shù)據(jù)編輯后如不滿足信息劃分需求，將基于局部自適應(yīng)策略，根據(jù)信息熵自適應(yīng)地對(duì)格網(wǎng)單元進(jìn)行格網(wǎng)加密操作。實(shí)現(xiàn)不同時(shí)相間遙感影像變化發(fā)現(xiàn)與提取（如圖3所示）。

圖3 基于感知哈希算法的遙感影像變化發(fā)現(xiàn)流程

相較于傳統(tǒng)人工對(duì)比影像和識(shí)別變化位置的方法，存在人工操作干預(yù)度高、數(shù)據(jù)冗余量大等問(wèn)題。而基于感知哈希算法的遙感影像變化發(fā)現(xiàn)在提高運(yùn)算速度、減少人工操作、減少數(shù)據(jù)冗余方面都可完成較大程度的提升。針對(duì)不同的變化尺度，采用動(dòng)態(tài)格網(wǎng)分割的方式，對(duì)影像進(jìn)行分塊對(duì)比檢測(cè)，提取出準(zhǔn)確的變化位置（如圖4所示）。

圖4 變化發(fā)現(xiàn)示意圖

3.2 基于層級(jí)信息匹配的變化圖斑空間化技術(shù)

城市建設(shè)的規(guī)劃管理是基于各層級(jí)各階段進(jìn)行流程化審批與監(jiān)管，如選址、建設(shè)用地許可、初驗(yàn)、建設(shè)工程許可、復(fù)驗(yàn)、竣工核實(shí)等，而變化檢測(cè)數(shù)據(jù)與規(guī)劃審批信息存在地理空間上的一致性，寧波市遙感輔助動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以城鄉(xiāng)建設(shè)項(xiàng)目為索引，通過(guò)空間位置關(guān)系、對(duì)應(yīng)關(guān)系、映射關(guān)系等進(jìn)行檢索統(tǒng)一（如圖5所示），然后進(jìn)行智能匹配空間化，使兩者的空間位置與屬性信息進(jìn)行高度融合。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的形式對(duì)將核查的圖斑空間屬性和數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行整合，形成完整的數(shù)據(jù)體系。

圖5 層級(jí)匹配示意圖

3.3 變化圖斑快速核查與反饋技術(shù)

由于督察頻次逐年遞增，變化圖斑的數(shù)量進(jìn)一步增加，從而會(huì)帶來(lái)誤判數(shù)量激增和判讀耗時(shí)等問(wèn)題，拖延了督察工作的進(jìn)度。因此，利用基于感知哈希算法的遙感影像變化情況，可快速發(fā)現(xiàn)變化圖斑；對(duì)發(fā)現(xiàn)的變化圖斑進(jìn)行基于層級(jí)信息匹配的變化圖斑空間化技術(shù)，精準(zhǔn)地完成變化圖斑與高精度地理數(shù)據(jù)、規(guī)劃管理數(shù)據(jù)的匹配。在此基礎(chǔ)上完成了變化圖斑的預(yù)判預(yù)查，通過(guò)督察系統(tǒng)將預(yù)判預(yù)查圖斑分發(fā)至各個(gè)核查部門，對(duì)變化圖斑“定性”，即對(duì)圖斑相應(yīng)的審批信息進(jìn)行確認(rèn)，并將具有違法性質(zhì)的建設(shè)進(jìn)行判斷甄別。在進(jìn)一步核查后移交至相關(guān)管理部門，對(duì)違法建設(shè)采取控制、補(bǔ)辦、拆遷等相關(guān)措施（如圖6所示）。

圖6 多部門信息化導(dǎo)向圖

3.4 傾斜實(shí)景三維快速建模與取證

傾斜實(shí)景三維模型主要采用基于傾斜攝影測(cè)量的三維建模方式進(jìn)行制作，真實(shí)反映測(cè)區(qū)內(nèi)建筑、交通、水系、植被、地形地貌等地物主要的特征和結(jié)構(gòu)，通過(guò)表面紋理真實(shí)反映其表面的顏色、質(zhì)地、形狀和圖案等，達(dá)到色調(diào)協(xié)調(diào)、自然真實(shí)的效果。根據(jù)攝影測(cè)量原理，對(duì)獲得的傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、多視角聯(lián)合平差、模型構(gòu)建、三維模型修改、檢查等過(guò)程，最后進(jìn)行整理提交。在城市規(guī)劃督察工作中，可以全面直觀地了解到現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)于確切掌握變化圖斑的邊界、準(zhǔn)確位置和實(shí)地取證等方面具有參考價(jià)值[6-9]（如圖7所示）。

圖7 傾斜實(shí)景三維實(shí)地取證示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取寧波市部分地區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，利用PCI軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正、影像配準(zhǔn)、影像融合、勻光勻色、信息增強(qiáng)等預(yù)處理。最后得到高分辨率的遙感影像圖，形成DOM。對(duì)于DOM的質(zhì)量，采用控制點(diǎn)中誤差的精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（如表1所示），從精度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在的個(gè)別粗差點(diǎn)，需要剔除后重新計(jì)算。檢測(cè)結(jié)果表明遙感影像精度小于2.5 m，滿足技術(shù)體系要求?；诟兄Ｋ惴ǖ倪b感影像分類，對(duì)于算法的分類質(zhì)量采取目視解譯的方式隨精度進(jìn)行判斷，結(jié)合實(shí)驗(yàn)區(qū)結(jié)果精度（如表2所示），檢測(cè)結(jié)果表明正確率達(dá)到90%以上。利用ArcGIS軟件和圖斑分析工具實(shí)現(xiàn)變化圖斑快速核查，層級(jí)匹配信息包括區(qū)劃范圍、目視解譯內(nèi)容、審批等，之后利用寧波市督察系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行“上傳下達(dá)”，整合數(shù)據(jù)后得到成果，在之后的督查中更新完善并且達(dá)到長(zhǎng)效的生命周期管理。在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)違法性質(zhì)的圖斑，利用傾斜實(shí)景三維技術(shù)進(jìn)行實(shí)地取證（如圖8）。

圖8 實(shí)驗(yàn)區(qū)違法比例情況

表1 檢查點(diǎn)精度分布

表2 部分實(shí)驗(yàn)區(qū)精度提取

5 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)規(guī)范建設(shè)、生態(tài)建設(shè)等問(wèn)題越來(lái)越重視，城鄉(xiāng)督察工作也越來(lái)越重要，在當(dāng)前遙感信息技術(shù)高速發(fā)展的新形式下，結(jié)合高效、成熟的技術(shù)手段為督察工作提供支撐。本文以寧波市城市建設(shè)遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，遙感影像的快速智能處理、基于感知哈希算法的遙感影像變化發(fā)現(xiàn)、基于層級(jí)信息匹配的變化圖斑空間化技術(shù)、變化圖斑快速核查和反饋技術(shù)和傾斜實(shí)景三維快速建模取證，構(gòu)建空天地一體化輔助城市建設(shè)遙感督察服務(wù)體系。實(shí)現(xiàn)利用遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，建設(shè)變化圖斑的采集、處理、分發(fā)、甄別和查處等全流程技術(shù)體系，為相關(guān)工作提高了效率。