基于實(shí)景三維模型的海岸建筑退縮線劃定及管控新方法研究

劉石棟,趙巖,馬紹偉,姜海峰,鄧先睿,梁周雁

(山東省國(guó)土測(cè)繪院,山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

海岸帶是海洋與陸地的交互地帶,具有豐富的陸海資源和獨(dú)特的人文景觀優(yōu)勢(shì),是人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的聚集地帶[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展,越來(lái)越多的人工建筑物占用海岸帶空間資源,伴隨著海浪侵蝕、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害的影響[2],導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境破壞,海岸帶資源的可持續(xù)利用受到威脅,因此,須劃定界線來(lái)科學(xué)控制海岸建筑的活動(dòng)范圍[3]。

本文結(jié)合某市海岸建筑退縮線劃定工作,依據(jù)實(shí)景三維模型對(duì)海岸建筑退縮線及其附屬要素進(jìn)行采集,疊加實(shí)景三維模型,形成海岸帶管理系統(tǒng)。旨在探索一種思路,廣泛應(yīng)用于海岸帶建筑退縮線的劃定和管控。

1 海岸建筑退縮線的劃定

1.1 定義

海岸建筑退縮線是為了保護(hù)海岸生態(tài)資源、規(guī)避海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)海岸特征規(guī)定的海岸線向陸一側(cè)禁止開(kāi)發(fā)或限制特定類型開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)的界線[4-5]。關(guān)于海岸建筑退縮線的劃定和管理,我國(guó)還處于摸索階段,還沒(méi)有明確的界定,孫苗等[6-9]對(duì)海岸建筑退縮線劃定的方法進(jìn)行了研究,并在秦皇島、珠海等地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。

本文探索以大陸海岸線類型及特征為依據(jù),綜合考慮生態(tài)環(huán)境、海洋災(zāi)害、親?？臻g等要素,基于大陸海岸線向陸一側(cè)延伸一定的距離,劃定的限制或禁止建筑活動(dòng)的控制界線,稱為海岸建筑退縮線[10-11]。包括海岸建筑核心退縮線(以下簡(jiǎn)稱“核心退縮線”)和海岸建筑一般控制線(以下簡(jiǎn)稱“一般控制線”)

1.2 主要內(nèi)容

海岸建筑退縮線劃定,是根據(jù)海岸帶地理生態(tài)特征,綜合海岸帶保護(hù)及防災(zāi)減災(zāi)的需求,通過(guò)科學(xué)評(píng)估和與現(xiàn)狀情況對(duì)接2個(gè)方面進(jìn)行考量。對(duì)大陸海岸線進(jìn)行分類,大陸海岸線可分為人工岸線、自然岸線和其他岸線,不同的岸線類型抵御海洋災(zāi)害的侵蝕是不一樣的,根據(jù)具體岸線類型分別進(jìn)行基礎(chǔ)退縮距離的劃定。參考經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)活動(dòng)的現(xiàn)狀和需求,疊加城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界,根據(jù)建筑物設(shè)計(jì)使用年限、海岸侵蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及國(guó)內(nèi)外退縮線劃定經(jīng)驗(yàn),制訂“不同類型海岸線基礎(chǔ)退縮距離劃定標(biāo)準(zhǔn)表”(表1),按照表1完成海岸線基礎(chǔ)退縮距離劃定工作。

表1 不同類型海岸線基礎(chǔ)退縮距離劃定標(biāo)準(zhǔn)表

依據(jù)“基礎(chǔ)退縮距離劃定+特定要素修正”方式進(jìn)行劃定,基于實(shí)景三維模型根據(jù)不同大陸海岸線類型進(jìn)行基礎(chǔ)退縮距離劃定[12-13],然后利用采集或收集的濱海道路、親?？臻g、沿海防護(hù)林、自然保護(hù)地、海洋災(zāi)害影響等特定要素,修正基礎(chǔ)退縮距離,形成核心退縮線。一般控制線為大陸海岸線向陸一側(cè)1km距離的界線劃定?；趯?shí)景三維模型對(duì)海岸建筑退縮區(qū)內(nèi)建設(shè)用地圖斑逐一進(jìn)行矢量化、調(diào)查和舉證。

1.3 修正方法

海岸建筑退縮線按照“基礎(chǔ)退縮距離劃定+特定要素修正”方式劃定,基于實(shí)景三維模型參考大陸海岸線類型劃定基礎(chǔ)退縮距離后,通過(guò)交通部門專題資料收集、實(shí)景三維模型解譯等方式確定沿海第一條濱海道路的邊界和范圍。以沿海第一條濱海道路為修正要素,假如濱海道路部分或全部位于基礎(chǔ)退縮區(qū)域內(nèi),以基礎(chǔ)退縮區(qū)域內(nèi)道路向海一側(cè)范圍為邊界,形成新的核心退縮線(圖1)。在此修正基礎(chǔ)上,相關(guān)區(qū)域涉及親海空間、海洋災(zāi)害影響、沿海防護(hù)林、自然保護(hù)地、海洋災(zāi)害等要素,須保持其完整性,逐一疊加各要素范圍,以各要素向陸一側(cè)最遠(yuǎn)邊緣線為界(以親海空間為例,見(jiàn)圖2所示),形成最終的核心退縮線。

圖1 濱海道路修正示例圖

圖2 親海空間修正示例圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 實(shí)景三維模型的構(gòu)建

傾斜影像測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展比較快的一門技術(shù)手段,包括飛行控制軟件、地面站和航拍攝像儀三部分[14],在飛行平臺(tái)上搭載航攝儀獲取獲取航攝區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的全方位、多角度的紋理數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù),搭載的高精度IMU/GPS系統(tǒng)可以記錄拍攝瞬間飛行平臺(tái)的位置信息與姿態(tài)數(shù)據(jù)。利用系統(tǒng)軟件下載航攝儀獲取的原始數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,結(jié)合山東省北斗衛(wèi)星導(dǎo)航基準(zhǔn)站網(wǎng)(以下簡(jiǎn)稱北斗基準(zhǔn)網(wǎng))同步觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地面像控點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù),導(dǎo)入軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算,利用解算獲得空三測(cè)量數(shù)據(jù),在軟件中提取出指定的影像數(shù)據(jù),進(jìn)行模型重建并生成實(shí)景三維模型,具體流程如圖3所示。

圖3 實(shí)景三維模型制作流程圖

2.1.1 傾斜影像的獲取

實(shí)景三維模型的品質(zhì)受航攝影像的質(zhì)量影響,在實(shí)際作業(yè)中,根據(jù)測(cè)區(qū)位置和地理情況,做好航線規(guī)劃,根據(jù)飛行平臺(tái)和技術(shù)要求,對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行分區(qū)[15],保持長(zhǎng)寬比適宜,依據(jù)分區(qū)地形起伏、飛行安全條件等確定分區(qū)基準(zhǔn)面高度。分區(qū)基準(zhǔn)面采用DEM計(jì)算,計(jì)算公式(1)如下:

(1)

式中:h基—攝影分區(qū)基準(zhǔn)面高程(m);hi—分區(qū)內(nèi)DEM格網(wǎng)點(diǎn)的高程值(m)。

本項(xiàng)目采用PC-6飛機(jī),搭載CityMapper-2L航攝儀獲取攝區(qū)傾斜影像數(shù)據(jù),設(shè)定飛行相對(duì)高度為2400m,航線采用東西方向設(shè)計(jì),根據(jù)IMU誤差積累的指標(biāo)確定每條航線的直飛時(shí)間不超過(guò)25min,選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣進(jìn)行測(cè)設(shè),航向重疊率為80%,旁向重疊率為75%,保證數(shù)據(jù)不出現(xiàn)空洞或遺漏。對(duì)獲取的影像進(jìn)行預(yù)處理,對(duì)影像的質(zhì)量進(jìn)行檢查。出現(xiàn)不合格的影像或航攝空洞時(shí),需進(jìn)行補(bǔ)測(cè),直至影像全部合格。

2.1.2 像控測(cè)量

像控點(diǎn)的布設(shè)采用角點(diǎn)布設(shè)法,在區(qū)域網(wǎng)凸角和凹角轉(zhuǎn)折處布設(shè)平高點(diǎn)[16],內(nèi)部均勻布設(shè)在航片重疊位置,像控點(diǎn)間隔約500m,地形變化復(fù)雜區(qū)域加密控制點(diǎn)個(gè)數(shù)?？刂泣c(diǎn)選在較顯眼的水泥地面的十字路口或平地區(qū)域,依據(jù)不同尺度(0、1、2級(jí),如圖4所示)截取目標(biāo)像片,截取最大尺度能清晰辨別像控點(diǎn)位置,截取最小尺度包含重要地形、地貌信息,便于像控點(diǎn)定位與查找。利用北斗基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行像控點(diǎn)的測(cè)量,對(duì)測(cè)量成果進(jìn)行較差及精度分析后,形成最終的像控點(diǎn)成果。

a—尺度0;b—尺度1;c—尺度2

2.1.3 空中三角測(cè)量

使北斗基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù),利用載波相位測(cè)量差分GPS定位技術(shù),對(duì)IMU/GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算,獲取到外方位元素,編輯制作每個(gè)架次的POS數(shù)據(jù)文件[17],在航攝影像中進(jìn)行像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺,使用Mirauge3D軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量,自動(dòng)提取連接點(diǎn),量測(cè)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn),進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算[18]。對(duì)同名點(diǎn)匹配點(diǎn)云檢查、航線曝光點(diǎn)檢查、像控點(diǎn)檢查后,確認(rèn)空中三角測(cè)量滿足指標(biāo)要求,部分精度分析如表2。

表2 部分空三精度統(tǒng)計(jì)表

2.1.4 實(shí)景三維模型構(gòu)建

利用空三成果和傾斜影像,采用多視影像匹配技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)云密集匹配[19],獲得測(cè)區(qū)范圍內(nèi)密集點(diǎn)云,經(jīng)抽稀與平滑處理后構(gòu)建TIN網(wǎng),生成白模成果。分別對(duì)模型的各個(gè)面調(diào)取相對(duì)應(yīng)的各個(gè)視角中最清晰的影像進(jìn)行首次紋理貼圖。對(duì)于具有紋理信息的瓦片采取色彩均衡算法,得出總體均衡值,根據(jù)色彩均衡值重置參考三維模型紋理,最終形成實(shí)景三維模型。

2.2 海岸建筑退縮線要素采集

2.2.1 要素采集

使用清華山維EPS軟件裸眼三維測(cè)圖模塊,在實(shí)景三維模式下進(jìn)行海岸建筑退縮線的劃定及相關(guān)要素的矢量化。與傳統(tǒng)的立體測(cè)圖方式不同,在該軟件環(huán)境下,擺脫了傳統(tǒng)三維采編中立體眼鏡的束縛,可實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境采集[20],二維環(huán)境同步顯示(圖5)。這種模式下的視覺(jué)感受與真實(shí)世界非常接近,可通過(guò)旋轉(zhuǎn)、拖拽、縮放等操作,能清晰地判別要素類型。

圖5 二、三維同步立體界面圖

在實(shí)景三維模型下,對(duì)第一條濱海道路、親?？臻g、初始退縮線等要素進(jìn)行采集,對(duì)沿海防護(hù)林、自然保護(hù)地、海洋災(zāi)害等要素依據(jù)專題資料進(jìn)行位置與屬性的編輯,對(duì)建筑退縮區(qū)內(nèi)建筑物逐一進(jìn)行矢量化采集,并對(duì)退縮區(qū)內(nèi)建筑物的用地性質(zhì)、權(quán)屬信息進(jìn)行調(diào)查。對(duì)內(nèi)業(yè)無(wú)法確認(rèn)、存疑的要素進(jìn)行外業(yè)調(diào)查。采集后的成果經(jīng)過(guò)正負(fù)修正、屬性錄入、邏輯一致性處理、拓?fù)湟恢滦詸z查后,形成最終的海岸建筑退縮線數(shù)據(jù)庫(kù)。劃定核心退縮線長(zhǎng)度171.86km,核心退縮區(qū)面積26.47km2。一般控制線長(zhǎng)度93.41km,一般控制區(qū)面積87.09km2。

2.2.2 精度分析

通過(guò)外業(yè)實(shí)地采集與實(shí)景三維模型上采集的同名特征點(diǎn),包括圍墻角點(diǎn)、房屋角點(diǎn)、道路交叉點(diǎn)等,計(jì)算平面精度,共采集366個(gè)檢查點(diǎn),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 要素位置精度統(tǒng)計(jì)表

結(jié)果表明利用外業(yè)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)與實(shí)景三維模型上采集的同名特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,其平面位置中誤差為0.096m,滿足規(guī)范要求。

3 基于實(shí)景三維模型的海岸帶管控

基于劃定的二維海岸建筑退縮線數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù),制作海岸建筑退縮區(qū)內(nèi)重點(diǎn)建(構(gòu))筑物單體化模型,對(duì)其進(jìn)行語(yǔ)義化處理,補(bǔ)充相關(guān)的時(shí)間信息、空間身份編碼等屬性,通過(guò)空間適配、數(shù)據(jù)掛接等手段,在實(shí)景三維數(shù)據(jù)管理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)二維表達(dá)的海岸建筑退縮線數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)之間的融合,實(shí)現(xiàn)相關(guān)要素的精細(xì)化表達(dá),形成海岸帶管理系統(tǒng),相較于傳統(tǒng)的作業(yè)方式,本研究具有以下優(yōu)勢(shì):

(1)要素的采集、編輯是在實(shí)景三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行,是對(duì)真實(shí)世界的客觀反映,基于實(shí)景三維模型對(duì)要素立體化的采集,能有效減少外業(yè)核查的工作量。

(2)各類要素可在實(shí)景三維模型上進(jìn)行多角度、全方位的查詢、管理等功能。在實(shí)際管控中,無(wú)需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查,利用實(shí)景三維模型可以全面、詳細(xì)的了解到海岸建筑核心退縮區(qū)和一般控制區(qū)內(nèi)相關(guān)要素的地物紋理細(xì)節(jié)、屬性信息以及與退縮線位置關(guān)系,可對(duì)核心退縮區(qū)的重點(diǎn)管控項(xiàng)目進(jìn)行個(gè)性化標(biāo)注,一鍵定位,進(jìn)行360度無(wú)死角的查詢。

(3)對(duì)各個(gè)相關(guān)單位涉及海岸帶資料進(jìn)行銜接利用,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整理匯總,形成多行業(yè)專題資料疊加并存的數(shù)據(jù)庫(kù),便于進(jìn)一步的應(yīng)用及管理。

(4)在今后的管控中,可利用消費(fèi)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)及時(shí)對(duì)變化區(qū)域模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新,使其與現(xiàn)實(shí)世界保持對(duì)應(yīng),做到足不出戶的完成海岸帶建筑物的管理,方便快捷、簡(jiǎn)單實(shí)用。

4 結(jié)語(yǔ)

傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)是一項(xiàng)新型的測(cè)繪技術(shù),在海岸建筑退縮線建設(shè)和管控中能發(fā)揮巨大的作用,能全方位、多角度的對(duì)海岸帶建筑退縮線相關(guān)要素進(jìn)行采集、編輯?；趯?shí)景三維模型對(duì)海岸帶相關(guān)要素進(jìn)行管控,要素表達(dá)精準(zhǔn)細(xì)致、可識(shí)別性強(qiáng)、可量測(cè)性高,能滿足精細(xì)化管理的需求。此方法可應(yīng)用于其他地區(qū)的海岸建筑退縮線的劃定及管控中,能有效減少實(shí)際管控中的人員和資金壓力,方便快捷、簡(jiǎn)單實(shí)用。