遙感航測(cè)技術(shù)在武漢市房屋拆遷量測(cè)算中的應(yīng)用

朱傳勇，答星，劉文光，文琳，任楊

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北武漢 430022)

1 引言

隨著城市建設(shè)水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的大幅提升，城中村作為中國(guó)城市化歷史進(jìn)程中的遺留問(wèn)題已納入城市統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)和發(fā)展的戰(zhàn)略視野。按《武漢市土地利用總體規(guī)劃(2006年～2020年)》要求，武漢作為國(guó)家中心城市要進(jìn)一步優(yōu)化土地資源空間布局，節(jié)約集約建設(shè)用地，從而科學(xué)地提升城中村現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平［1］。城中村改造工作中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，就是針對(duì)拆遷升級(jí)改造涉及的拆遷補(bǔ)償費(fèi)用問(wèn)題。這一工作任務(wù)艱巨，尤其是通過(guò)常規(guī)的房產(chǎn)測(cè)繪和調(diào)查手段進(jìn)入居民區(qū)中作業(yè)易引起矛盾，嚴(yán)重影響了城中村改造工作的進(jìn)展。因此，如何利用現(xiàn)代測(cè)繪手段摸清拆遷建筑的面積、數(shù)量、樓層，成為精確測(cè)算補(bǔ)償費(fèi)用，切實(shí)維護(hù)政府和人民利益的關(guān)鍵因素。

隨著數(shù)碼航攝相機(jī)性能的不斷提高，遙感航測(cè)技術(shù)也被越來(lái)越多地應(yīng)用于城市規(guī)劃建設(shè)領(lǐng)域。武漢市測(cè)繪研究院遙感工程中心受武漢市洪山區(qū)勝利村委會(huì)的委托，核查2009年和2012年兩個(gè)時(shí)間段該村范圍線內(nèi)房屋建(構(gòu))筑物的樓層、投影面積和建筑面積信息，從而科學(xué)地測(cè)算測(cè)區(qū)內(nèi)的拆遷量。本文以武漢市洪山區(qū)勝利村城中村改造項(xiàng)目中建筑物面積測(cè)算為實(shí)例，結(jié)合遙感航測(cè)技術(shù)制定了生產(chǎn)技術(shù)方案，并探討總結(jié)了提高生產(chǎn)效率的若干技術(shù)要點(diǎn)。

2 航測(cè)技術(shù)應(yīng)用于房屋拆遷量測(cè)算中的優(yōu)勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)較為常規(guī)的房屋建筑量統(tǒng)計(jì)方法主要有3種:①常規(guī)測(cè)量手段外業(yè)采集和房產(chǎn)調(diào)查。該方法能得到房屋各角點(diǎn)坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)精確，現(xiàn)勢(shì)性好，但外業(yè)工作量大，工程執(zhí)行力易受多方面因素干擾，同時(shí)無(wú)法獲取歷史節(jié)點(diǎn)的房屋信息。②基于LiDAR與航空影像對(duì)房屋進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取。該方法首先要對(duì)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波預(yù)處理，常規(guī)利用荷蘭Vosselman博士提出的基于坡度變化的濾波算法分離出DSM和DEM，再采用圖像分割算法對(duì)植被、非建筑物等信息進(jìn)行剔除，從而獲取建筑物的地表高程模型［2］。該方法自動(dòng)化處理程度高，適用于較大范圍的房屋面積估算，但數(shù)據(jù)獲取成本高、處理流程復(fù)雜，同時(shí)房屋邊緣因受點(diǎn)云影響而定位不準(zhǔn)，且相鄰高度的房屋界限無(wú)法自動(dòng)分離，不適合獨(dú)棟房屋建筑面積的精確測(cè)算。③航空攝影測(cè)量和GIS相結(jié)合的方式。航空攝影測(cè)量作為非接觸性測(cè)量手段，能夠真實(shí)和詳盡地記錄攝影瞬間客觀景物的紋理和形態(tài)，高精度數(shù)碼傳感器也極大地提高了影像的空間分辨率和立體量測(cè)精度。對(duì)于拆遷主體的城中村房屋來(lái)說(shuō)，以某一特定時(shí)間作為分界線的影像資料，能夠?yàn)榕卸ńㄖ黧w是否違規(guī)建設(shè)提供確鑿證據(jù)。由于拆遷工作所涉及利益的特殊性，政府及規(guī)劃部門通常會(huì)在發(fā)布公告前，完成拆遷量的測(cè)算和評(píng)估工作。利用多時(shí)態(tài)的遙感影像作為評(píng)估節(jié)點(diǎn)，相較前述兩個(gè)方法而言，能夠提高拆遷量測(cè)算工作的保密性和精確性，使成果具有較強(qiáng)的客觀性，使歷史影像資源實(shí)現(xiàn)再增值［3］。

3 項(xiàng)目情況簡(jiǎn)介及技術(shù)路線

本文以武漢市洪山區(qū)勝利村改造項(xiàng)目為例，測(cè)區(qū)內(nèi)城中村居民房屋呈片狀及帶狀分布，房屋間距密集、搭建現(xiàn)象嚴(yán)重;測(cè)區(qū)內(nèi)同時(shí)包括鐵路廠房、工廠車間、工棚、農(nóng)用設(shè)施等。利用我院已有2009年DMC數(shù)碼航攝影像和2012年ADS80數(shù)碼航攝影像資料作為項(xiàng)目數(shù)據(jù)資源，導(dǎo)入空三成果資料到MapMatrix全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站中，恢復(fù)立體模型。將原始二維線劃圖進(jìn)行預(yù)處理，提取房屋數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)，并以此為據(jù)修改測(cè)區(qū)范圍內(nèi)建筑物頂?shù)耐廨喞€，采集建筑物頂面高程和地面高程數(shù)據(jù)。通過(guò)設(shè)計(jì)樓層判斷依據(jù)，提取樓層信息，并在GIS軟件中測(cè)算出兩個(gè)年代的房屋的投影面積及建筑面積。經(jīng)外業(yè)調(diào)繪核查房屋屬性和房屋樓層錯(cuò)判等情況，統(tǒng)計(jì)兩個(gè)年代的房屋面積測(cè)算表，并用CAD軟件制作房屋分布線劃圖和變化圖。最終利用兩個(gè)年代的正射影像數(shù)據(jù)，制作成專題影像圖。其具體技術(shù)流程圖如圖1所示:

圖1 技術(shù)流程圖

4 生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 房屋樓層的判斷依據(jù)設(shè)計(jì)

利用已有空三資料恢復(fù)立體模型后，可在立體模型上采集房屋邊界線獲得房屋的投影面積，再通過(guò)房屋的投影面積與樓層的乘積計(jì)算建筑面積。因此，判斷房屋樓層信息的準(zhǔn)確性直接影響到建筑面積的核算精度。通過(guò)設(shè)置多重標(biāo)準(zhǔn)判斷樓層成為房屋拆遷建筑量核算的關(guān)鍵因素。筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)了4條標(biāo)準(zhǔn)判定樓層，第一，基于房屋側(cè)面影像紋理來(lái)判讀樓層，如能清晰識(shí)別窗戶數(shù)量的房屋，但該方法對(duì)像底點(diǎn)周圍的房屋和因房屋過(guò)密而相互遮擋的情況不適用;第二，基于已有地形圖數(shù)據(jù)與房產(chǎn)測(cè)量資料進(jìn)行輔助判讀，但因歷史數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性欠佳和綜合取舍尺度不同的問(wèn)題，該方法只能作為參考;第三，基于房屋高差判定，通過(guò)采集的屋頂高程與地面高程進(jìn)行比較得到建(構(gòu))筑物高度，按 3 m一層計(jì)算樓層，樓層計(jì)算余數(shù)≥2.5 m加一層，最終得到樓層結(jié)果［4］。該方法適用性廣，但對(duì)于車間、廠房、配電室等特殊建筑物層高與普通房屋層高有一定的誤差，直接套用該方法會(huì)影響建筑面積的統(tǒng)計(jì)精度。第四，向委托方咨詢或外業(yè)實(shí)地調(diào)查判斷，該方法能對(duì)上述樓層判定結(jié)果進(jìn)行檢核，同時(shí)能對(duì)建筑物屬性進(jìn)行定性區(qū)分，以便后期核算不同的拆遷成本。

4.2 歷史二維線劃圖的三維處理技巧

由于城中村房屋密集，搭建現(xiàn)象嚴(yán)重，一定程度上也影響了地面高程的采集精度，從而使依靠高差判斷樓層有誤。利用歷史線劃圖資料，雖現(xiàn)勢(shì)性不足，但其通過(guò)外業(yè)測(cè)量手段獲取的房屋邊界線和樓層注記信息可在一定程度上可作為輔助判讀樓層的參考依據(jù)，如本文使用我院2008年該區(qū)域 1∶2 000的線劃圖數(shù)據(jù)。因歷史線劃數(shù)據(jù)(dwg格式)經(jīng)二維化處理后，若直接導(dǎo)入到立體模型中會(huì)有明顯的視差，因此需通過(guò)三維化處理，還原數(shù)據(jù)三維信息。依據(jù)這一思路，筆者首先利用FME軟件按要素屬性編碼分類輸出房屋、房屋注記、高程點(diǎn)注記層，并在ArcGIS軟件中對(duì)房屋層要素進(jìn)行面要素的拓?fù)錁?gòu)建，確保面要素中包含唯一的注記信息。若測(cè)區(qū)已有DEM數(shù)據(jù)可直接利用，若無(wú)則利用高程點(diǎn)構(gòu)TIN，內(nèi)插生成該區(qū)域的地面高程模型。通過(guò)ArcGIS軟件中Extract Values to Points函數(shù)獲取注記點(diǎn)位的地面高程，然后加上樓層乘以層高的乘積，得到房屋的近似頂面高層。最后利用空間位置關(guān)聯(lián)注記信息和房屋面要素，并利用Feature to 3D By Attribute函數(shù)將頂面高程值寫入到房屋三維面的Z坐標(biāo)中，實(shí)驗(yàn)證明，導(dǎo)入的三維房屋邊界線數(shù)據(jù)與立體模型套和后，視差明顯減小，有效提高內(nèi)業(yè)采集效率和判讀精度。

4.3 多源影像在高程精度和側(cè)面紋理方面的互補(bǔ)

傳統(tǒng)框幅式航攝影像的高程精度由于受基高比、像元分辨率等影響，通常無(wú)法直接滿足 1∶2 000地形圖的高程采集精度。由空間前方交會(huì)得到的高程精度公式MZ=GSD/(k×b/f)得知，提高高程精度的因素有3點(diǎn)，一是提高基高比b/f;二是提高像點(diǎn)坐標(biāo)的量測(cè)精度即k值越大;三是提高GSD地面分辨率(分辨率越高GSD值越小)。高精度數(shù)碼航攝相機(jī)能夠通過(guò)更小的傳感像元，降低航飛高度，提高地面分辨率，獲得較高的高程精度。以本次項(xiàng)目使用的2009年DMC傳感器為例，像素大小為12 um，以 1∶12 000攝影比例尺進(jìn)行航向65%重疊度的1∶2 000航測(cè)成圖，GSD能控制在14.4 cm(優(yōu)于成圖分辨率 20 cm)，數(shù)碼影像的像點(diǎn)量測(cè)精度為1/3.2個(gè)像元(k=3.2)，高程精度能達(dá)到 18 cm。而2011年使用的ADS80傳感器，能直接通過(guò)前后視夾角(前視14°、后視27°)形成接近0.87的基高比(B/H=tan41°)，從而即使使用GSD為 0.2m的推掃影像，數(shù)碼量測(cè)精度為1/3.2情況下獲得 8 cm的高程精度［5］。雖然ADS80傳感器能獲得更好的地物高程精度，但DMC以其較高的地面分辨率和攝影重疊度能夠?yàn)榉课輼菍犹崛√峁└逦膫?cè)面紋理信息。筆者通過(guò)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，房屋變化通常以擴(kuò)建、搭建、新增、拆除4種為主，其中未大批拆除的房屋地塊基本上以搭建和擴(kuò)建為主，因此通過(guò)相鄰年代的聯(lián)合判讀，能使不同傳感器的數(shù)碼航空影像在高程精度和側(cè)面紋理方面形成互補(bǔ)。

4.4 房屋圖形處理和整飾技巧

立體采集后的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)懸掛處理、拓?fù)錁?gòu)面、屬性掛接等工序，才能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，否則將影響后續(xù)統(tǒng)計(jì)精度。利用ArcGIS軟件的Topology模塊設(shè)置必要的拓?fù)湔Z(yǔ)義能夠完成房屋面狀構(gòu)建工作，大部分工序以計(jì)算機(jī)自動(dòng)判別為主，但環(huán)狀面、重疊面等還需要手工判別修改［6］。以疊置面為例，分為完全重疊型和非完全重疊型，對(duì)于完全重疊型面可使用FME內(nèi)置的DuplicateRemover函數(shù)，以面積屬性和空間位置作為判定依據(jù)自動(dòng)剔除，但非完全重疊型面則只能通過(guò)空間位置進(jìn)行批量提取，再進(jìn)行人工判斷。在房屋面狀要素處理完成后，還要完成樓層等屬性信息的關(guān)聯(lián)工序，該工序關(guān)鍵環(huán)節(jié)是確保注記點(diǎn)和房屋面元素的一一對(duì)應(yīng)。獲取樓層屬性的房屋面元素可批量計(jì)算投影面積、建筑面積等，但為后續(xù)出圖易與房屋對(duì)應(yīng)，還需要添加房屋編號(hào)。筆者在ArcGIS軟件中提取房屋面心點(diǎn)坐標(biāo)，利用FME軟件中的Sorter函數(shù)，按照自上而下、從左到右的順序依次添加編號(hào)，分層輸入成Dwg格式后，在CAD軟件中，完成最終房屋分布圖的圖廓整飾工序。

4.5 多源傳感器影像制作專題影像底圖不同處理方法

通過(guò)疊加注記、區(qū)域范圍線制作不同年代的專題影像圖能夠?yàn)橥鈽I(yè)調(diào)查定位提供準(zhǔn)確翔實(shí)的影像地物信息，配合房屋分布示意圖中房屋范圍線、樓層、編號(hào)、屬性等信息，有效提高外業(yè)調(diào)繪核查效率?；诓煌吹膫鞲衅饔跋裨谥谱鲗ｎ}影像底圖的工序上有所不同，本文以2009年DMC影像和2011年ADS80影像為例，前者基于框幅式數(shù)碼相機(jī)航拍獲取，在Intergraph ssk中完成空三加密后利用DEM進(jìn)行單幅影像的正射糾正，再利用Geoway ImageStation軟件實(shí)現(xiàn)影像的勻色和鑲嵌拼接工序，最后根據(jù)測(cè)區(qū)范圍線裁切矩形的專題影像圖底圖。后者是基于推掃式傳感器航拍獲取，單幅影像覆蓋面積多達(dá)60余平方千米，需利用能夠處理線中心投影模型的PF(像素工廠)系統(tǒng)完成ADS80數(shù)碼影像的空三加密工序，并在Leica Gpro軟件中完成L0級(jí)影像到L2級(jí)正射影像的糾正工序。常規(guī)勻色拼接軟件在處理超過(guò)2G大小的影像方面效率偏低，因此需對(duì)帶狀正射糾正L2級(jí)影像進(jìn)行分塊處理，生成帶有重疊度的分塊數(shù)據(jù)，并利用Inpho軟件進(jìn)行鑲嵌線編輯及全局勻色工作，最后根據(jù)測(cè)區(qū)范圍線裁切矩形的專題影像圖底圖［7］。

5 結(jié)論

當(dāng)前，武漢市正處于城市建設(shè)快速發(fā)展時(shí)期，城中村改造規(guī)劃升級(jí)的步伐也在逐步加快。利用航測(cè)遙感技術(shù)對(duì)拆遷區(qū)的房屋進(jìn)行非接觸測(cè)量和面積統(tǒng)計(jì)，一方面能夠快速地獲得拆遷補(bǔ)償信息，另一方面能有效地解決拆遷補(bǔ)償糾紛問(wèn)題［8］。本文以武漢市洪山區(qū)勝利村拆遷量測(cè)算項(xiàng)目為例，充分發(fā)揮我院歷史影像遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)資源再升值，同時(shí)拓展了我院航測(cè)遙感技術(shù)與多源化的業(yè)務(wù)領(lǐng)域合作的視野，為武漢市大面積城中村改造項(xiàng)目的鋪開(kāi)提供一條高效可行的測(cè)繪保障之路。

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