“多元融合”技術(shù)在國土綜合業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

劉一鋒

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510060)

0 引 言

土地是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),是各種生產(chǎn)和生存的源泉。土地的科學(xué)開發(fā)、利用和分配是土地資源可持續(xù)發(fā)展的根本保證。有效管理土地,制止非法使用土地,切實保護(hù)耕地,是土地工作的重點[1-5]?，F(xiàn)階段,我國仍然處于持續(xù)推動國家重要中心城市的現(xiàn)代化中心城區(qū)建設(shè)的進(jìn)程中。在現(xiàn)代化中心城區(qū)建設(shè)的過程中,土地開發(fā)利用是城市建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),并且具有“環(huán)節(jié)煩瑣、耗時時間長”的特點,如何依托新技術(shù)、新服務(wù)模式實現(xiàn)土地開發(fā)環(huán)節(jié)的提質(zhì)增效對于助力經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義[6]。

1 概 述

在對土地進(jìn)行開發(fā)利用時,政府部分需完成各類土地征收儲備和土地開發(fā)業(yè)務(wù),伴隨著政府的各類業(yè)務(wù)衍生出了各種國土綜合的規(guī)劃測繪服務(wù)工作,具體包括現(xiàn)狀地形圖測量、土地套圖及附圖、土地勘測定界、不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查、低空無人機(jī)航攝、二調(diào)建筑量比對、建筑量估算、建(構(gòu))筑物年份核查等,這些業(yè)務(wù)可統(tǒng)稱為國土綜合業(yè)務(wù),貫穿土地征拆收儲開發(fā)整個流程。傳統(tǒng)的國土綜合業(yè)務(wù)主要是以勘測定界和權(quán)籍調(diào)查為主,根據(jù)土地征拆收儲開發(fā)的流程,現(xiàn)階段利用多種新技術(shù)優(yōu)化了各類業(yè)務(wù)工作流程,也發(fā)展出了更多的新型業(yè)務(wù)。本文對廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院國土綜合業(yè)務(wù)中最具代表性的突破和創(chuàng)新的成果進(jìn)行了闡述。

2 “多元融合”技術(shù)在國土業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

2.1 建設(shè)戰(zhàn)略數(shù)據(jù)庫,搭建核心數(shù)據(jù)中臺

國土業(yè)務(wù)是需要契合需求的數(shù)據(jù)專項服務(wù),包含的工作內(nèi)容眾多,要求更高的數(shù)據(jù)調(diào)取能力,要滿足平行處理數(shù)據(jù)于各職能部門架構(gòu)信息傳輸端口之間傳輸、集成和應(yīng)用。但受數(shù)據(jù)多源影響,初始數(shù)據(jù)集不可避免需經(jīng)過人工與計算機(jī)共同清洗處理,經(jīng)數(shù)據(jù)信息化工作,形成坐標(biāo)統(tǒng)一、格式統(tǒng)一、信息統(tǒng)一、圖形統(tǒng)一的有效數(shù)據(jù)集。因此廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院根據(jù)使用主體的需求,對數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)組織與管理,打造戰(zhàn)略數(shù)據(jù)庫,將其作為強(qiáng)大的基礎(chǔ)工具和整個平臺設(shè)計的核心中臺,可以為后續(xù)工作提供強(qiáng)有力的支持。

在戰(zhàn)略數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院應(yīng)契合項目多元應(yīng)用的需求建設(shè)“服務(wù)區(qū)”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺,通過眾多的國土數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、無人機(jī)、手機(jī)、三維激光掃描儀、全站儀等多種手段進(jìn)行多方面采集數(shù)據(jù)和模塊化的業(yè)務(wù)流結(jié)合,實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用的目的,形成“服務(wù)區(qū)”國土測繪業(yè)務(wù)“一張圖”?；A(chǔ)數(shù)據(jù)平臺是一個在計算機(jī)和現(xiàn)代信息技術(shù)支持下,以“地塊”為核心實體,實現(xiàn)地理信息的輸入、貯存、檢索、處理、綜合分析、輔助決策以及結(jié)果輸出的信息系統(tǒng),從開發(fā)架構(gòu)上主要是B/S子系統(tǒng)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺應(yīng)實現(xiàn)以下六大模塊:

(1)數(shù)據(jù)獲取模塊:主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、調(diào)取等功能。

(2)數(shù)據(jù)管理模塊:支持?jǐn)?shù)據(jù)的輸入輸出、編輯及處理、查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)可視化等功能。

(3)建筑量估算模塊:實現(xiàn)在實景三維模型上直接測定點的三維坐標(biāo)、進(jìn)行空間量測、矢量圖形編輯等功能。在獲取二調(diào)、農(nóng)調(diào)、現(xiàn)狀等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上快速獲取和計算范圍內(nèi)的建筑量(圖1)。

圖1 平臺模型計算

(4)權(quán)屬分析模塊:對用地范圍內(nèi)的權(quán)屬情況,包括國有土地、集體土地、合法集體住宅、合法集體物業(yè)、非法集體住宅、國有建筑等進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

(5)勘測定界模塊:滿足勘測定界成果中包含的各項地籍要素、土地利用現(xiàn)狀要素和地形、地物要素數(shù)據(jù)的調(diào)取和靈活應(yīng)用。

數(shù)據(jù)中臺的建設(shè)理念是將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從文件方式管理提升為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理,以網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的方式向提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù),提供快速搭建模型計算功能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線瀏覽、查詢、提取、快速計算,實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)“一查多用、一庫多用”,支撐空天地大數(shù)據(jù)分析,使傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的作業(yè)效率進(jìn)行大幅提升,可滿足更加多元化的業(yè)務(wù)類型,減少約三分之一的人力操作,新更好地滿足業(yè)務(wù)的生產(chǎn)需求。

2.2 采用基于無人機(jī)傾斜實景模型的三維測圖方法

在進(jìn)行國土業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集的過程中,經(jīng)常使用無人機(jī)進(jìn)行三維測圖,為實現(xiàn)三維模型的高精度重建,廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院使用了多視幾何的傾斜式攝影空中三角測量技術(shù)。在同等分辨率條件下,傾斜攝影比傳統(tǒng)航攝照片數(shù)量多10倍以上,廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院采用了哈瓦四軸八旋翼折疊雙電版無人機(jī)MEGA-V8Ⅲ,無人機(jī)搭載五鏡頭,機(jī)身采用碳纖維一體化設(shè)計,增加整體抗風(fēng)強(qiáng)度。機(jī)型采用“L”形仿生設(shè)計,四個電機(jī)座相互平行,由于傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的不同,A、D點振動波到達(dá)H點時相互抵消,盡量減少震動對機(jī)身中心點造成的影響(圖2)。無人機(jī)傾斜攝影平臺搭載的高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用雙RTK設(shè)計,能夠接收三星(北斗、GPS、GLONASS)七個頻段數(shù)據(jù)。此外,無人機(jī)傾斜攝影平臺實現(xiàn)了相機(jī)與GNSS定位(毫秒級)同步,保證POS數(shù)據(jù)歸算到照片主點,最大限度地減少了機(jī)械延時產(chǎn)生的誤差,實現(xiàn)了高清晰、高精度原始影像的采集。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影平臺

在航攝數(shù)據(jù)處理過程中,廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院采用了分布式優(yōu)化方案,結(jié)合POS系統(tǒng)提供的外方位元素和相機(jī)位置關(guān)系,將全局光束法平差修正為基于共軛梯度的迭代求解法,充分利用集群內(nèi)部各節(jié)點的算力資源,實現(xiàn)了高精度并行空三。傾斜攝影影像相對于傳統(tǒng)的垂直攝影影像具有重疊度高、相鄰影像間基高比小、傾斜影像尺度變化大的特點,對此項目采用地空多源不同尺度數(shù)據(jù)生成多角度特征降維視差圖,來滿足大場景高精度密集點云的需求,再輔助全局網(wǎng)格均勻分布的三維表面重建技術(shù)來實現(xiàn)規(guī)則化城市級大范圍三維實景模型的生成。通過垂直影像獲取頂部結(jié)構(gòu),四周傾斜影像獲取房屋立面結(jié)構(gòu)信息,利用建筑物側(cè)面紋理可采集的特點,配合計算機(jī)視覺特征匹配算法檢索結(jié)構(gòu)相似性高的傾斜影像,自動完成紋理映射、幾何糾正、模型修飾的建筑單體化流程[7-8]。

無人機(jī)航空攝影是基于事先已設(shè)計好的航線由相機(jī)傳感器和POS系統(tǒng)在空中采用自動定點拍攝和定點記錄的方式進(jìn)行的。在航測飛行前,將航線設(shè)計的數(shù)據(jù)導(dǎo)入無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)內(nèi),通過地面監(jiān)控系統(tǒng)控制無人機(jī)按預(yù)定的線路起飛,當(dāng)無人機(jī)飛到相應(yīng)的高度后,相機(jī)按照預(yù)先導(dǎo)入的拍攝點進(jìn)行自動定點拍攝,獲取地面像片,與此同時,POS系統(tǒng)記錄像片拍攝瞬間無人機(jī)的各項姿態(tài)參數(shù),像片數(shù)據(jù)存儲在相機(jī)自帶的存儲卡中,POS數(shù)據(jù)、飛行航線數(shù)據(jù)、飛行記錄數(shù)據(jù)存儲在飛行控制系統(tǒng)的存儲器中。

采用無人機(jī)設(shè)備懸掛多鏡頭傾斜相機(jī),通過smart3D軟件建立實景模型,加載實景三維模型和正射影像數(shù)據(jù),實現(xiàn)居民區(qū)(含農(nóng)田區(qū))的二三維聯(lián)動一體化地形測繪,將數(shù)據(jù)生產(chǎn)重心由外業(yè)轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)(圖3)。通過全野外測量方式采集明顯特征點坐標(biāo)數(shù)據(jù)和明顯高程點數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢測,精度符合規(guī)范要求,該技術(shù)方法比較適用于無植被遮擋或植被遮擋區(qū)域面積小、建筑密集度低等區(qū)域地形測繪,對于隱蔽地區(qū)采用地面常規(guī)手段進(jìn)行協(xié)同補(bǔ)充。此外,針對重點關(guān)注地塊,采用無人機(jī)視頻技術(shù)實現(xiàn)全過程動態(tài)監(jiān)測與可視化展示。

圖3 三維模型

利用無人機(jī)航攝和實景建模模型,可大幅縮減人力成本,傳統(tǒng)的測量方式受天氣制約較大,既需大量的人力外業(yè),也需長時間的內(nèi)業(yè)加工,利用無人機(jī)傾斜實景模型的三維測圖方法可大大縮減內(nèi)外業(yè)人力,提高至少三倍單人單日工作量。

2.3 研發(fā)基于EPS的腳本增強(qiáng)工具集,提升數(shù)據(jù)處理效率

廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院建立的EPS軟件全流程作業(yè)系統(tǒng)是目前國土測繪業(yè)務(wù)板塊的重要工具,能將繁復(fù)的人工工作通過代碼邏輯實現(xiàn)自動化或半自動化作業(yè),從而增強(qiáng)工作效率。以面向多元應(yīng)用的需求為導(dǎo)向,針對各項業(yè)務(wù)“庖丁解?！?基于EPS二次開發(fā)編制面積計算、自動構(gòu)圖、成果輸出等腳本工具集(圖4),僅需少量人工干預(yù)即可獲得符合要求的成果圖件,解決作業(yè)自動化、成果標(biāo)準(zhǔn)化、出圖數(shù)字化等難題,減少重復(fù)作業(yè),節(jié)省人力時間成本的同時也保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量。項目通過EPS腳本開發(fā)實現(xiàn)了以下功能:

圖4 基于EPS的國土業(yè)務(wù)腳本工具集

(1)通過導(dǎo)入范圍線,快速生成符合要求的用地結(jié)案附圖、建設(shè)用地套圖等一系列套圖標(biāo)準(zhǔn)化成果。

(2)利用EPS工具集實現(xiàn)地類圖斑編號的自動生成,通過導(dǎo)入SHP文件,一鍵生成地類圖斑編號,同時根據(jù)比例尺自動調(diào)整地類圖斑編號的大小以及位置,實現(xiàn)測定界圖與土地利用現(xiàn)狀圖的快速編制。

(3)通過增建坐標(biāo)文本輸入自動生成弧段的功能和掩膜的功能解決了不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查中作業(yè)問題。

(4)開發(fā)了基于EPS的建筑群自動化面積計算模塊,采用分區(qū)構(gòu)面、分區(qū)計算的技術(shù),實現(xiàn)了現(xiàn)狀建筑量的自動輸出,以減少內(nèi)業(yè)計算量。

3 結(jié) 語

根據(jù)國土綜合業(yè)務(wù)的特性,廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院首先進(jìn)行了數(shù)據(jù)布局,建設(shè)多個數(shù)據(jù)庫(1∶500地形庫、國有權(quán)屬庫、集體權(quán)屬庫、建筑庫等),形成“地塊”一張圖,其次對重點項目進(jìn)行了模型研發(fā),開辟的新型的數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式,接著對各類基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的處理軟件進(jìn)行了模塊化的優(yōu)化升級,從而最大限度地減少了現(xiàn)狀地形圖測繪、勘測定界、不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查、建筑量估算等多類業(yè)務(wù)的工作量,同時在新形成的成果數(shù)據(jù)后,將依托動態(tài)更新機(jī)制為數(shù)據(jù)中臺補(bǔ)充新鮮血液,即對數(shù)據(jù)中臺進(jìn)行“反哺”,從而在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上,我們做到了“有數(shù)據(jù)可用、要用有數(shù)據(jù)”的良性循環(huán),在軟件和模型的開發(fā)環(huán)節(jié)我們也做到了“創(chuàng)新與優(yōu)化共存、效率與質(zhì)量兼得”,大幅縮減人力成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。凸顯出了數(shù)據(jù)差異化增值價值,構(gòu)建高效的“需求適應(yīng)型”服務(wù)新模式。