基于無人機影像的違章建筑監(jiān)測分析

鄭志宏，楊文競

(泉州市規(guī)劃勘測研究院，福建 泉州 362000)

基于無人機影像的違章建筑監(jiān)測分析

鄭志宏*，楊文競

(泉州市規(guī)劃勘測研究院，福建 泉州 362000)

為了掌握城市的變化，實施有效的管理，規(guī)劃部門迫切需要掌握城市的違法建筑面積、違法用地面積等信息。傳統(tǒng)的航攝方式(如衛(wèi)星遙感、普通航空遙感)數(shù)據(jù)獲取周期較長、缺乏機動靈活性，不適用于短期、高頻的城市動態(tài)監(jiān)測研究。本項目采用無人機影像進(jìn)行違建分析，通過網(wǎng)格化監(jiān)測結(jié)合人工目視解譯，將泉州市區(qū)分為 1 km×1 km格網(wǎng)，并結(jié)合批地數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)空間、數(shù)據(jù)疊加及建庫技術(shù)對城市違章建設(shè)進(jìn)行城市動態(tài)監(jiān)測。

無人機；影像；違章建設(shè)；監(jiān)測分析

1 引 言

隨著城市的快速擴張，城市的變化也一日千里。為了掌握城市變化情況，以對城市進(jìn)行高效科學(xué)的管理，城市規(guī)劃主管部門需要掌握城市規(guī)劃布局、土地利用、違法建筑面積、違法用地等方面的信息。

遙感具有宏觀、動態(tài)、快速、準(zhǔn)確和全面的優(yōu)點，適合大范圍、遠(yuǎn)距離等各種變化的監(jiān)測分析。通過遙感手段，獲得了不同時期的城市地表信息，可分析監(jiān)測城市用地變化，為規(guī)劃管理部門提供了科學(xué)客觀定量的依據(jù)[1]。

傳統(tǒng)的航攝方式(如衛(wèi)星遙感、普通航空遙感)存在著信息獲取費用昂貴、數(shù)據(jù)獲取周期較長、缺乏機動靈活性等問題，不適用于短期、高頻的城市動態(tài)監(jiān)測研究。而低空飛行方式具有較短的數(shù)據(jù)獲取周期，對天氣要求不高，可較靈活地獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)。并且低空無人飛行器運輸便利、升空準(zhǔn)備時間短、操作簡單，可以快速到達(dá)指定地點。航飛時間自由靈活。低空無人飛行器一次性投入成本、使用成本均相對低廉，切設(shè)備易于操作和維護(hù)[2]。以低空無人機作為平臺的影像數(shù)據(jù)具有對天氣依賴性較小、影像分辨率較高、機動性較強、一次性投入較少、性價比較高、使用方便的優(yōu)勢更適合用于城市地表變化的監(jiān)測[3]。

本項目通過對無人機獲取的遙感信息進(jìn)行處理分析，并采用有別于傳統(tǒng)的遙感監(jiān)測方法，采用網(wǎng)格化監(jiān)測結(jié)合人工目視解譯，將泉州市區(qū)分為 1 km×1 km格網(wǎng)，進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。并結(jié)合批地數(shù)據(jù)，利用GIS對城市違章建設(shè)進(jìn)行城市動態(tài)監(jiān)測。

2 在監(jiān)測城市違章建設(shè)中的應(yīng)用

利用RS技術(shù)進(jìn)行動態(tài)變化分析是城市用地變化監(jiān)測的一種常用方法，在數(shù)據(jù)源選擇上通常采用傳統(tǒng)衛(wèi)星、航空攝影[4]。本文在數(shù)據(jù)源上選取低空無人機影像，以提高分辨率和時相性，解決傳統(tǒng)影像技術(shù)的不足。并根據(jù)違章建筑物的特殊性選擇不同的變化信息監(jiān)測方法。

2.1 項目概況

(1)研究區(qū)概況

鯉城區(qū)是泉州市中心城區(qū)之一，陸域面積 53.74 km2，處于東經(jīng)118°29′～118°37′，北緯24°52′～24°56′之間，地勢西北高東南低，平坦開闊，臺地和平原占全區(qū)總面積的70%以上。位于晉江下游的泉州平原，東、北鄰豐澤區(qū)，西、北毗南安市，西、南與晉江市交界，因區(qū)域范圍較大，進(jìn)行分期航攝。

(2)無人機遙感平臺

本次低空飛行器獲取航空攝影采用索尼ILCE-7R。因該相機，且經(jīng)常變動，需要對其進(jìn)行檢校，以獲得其精確的內(nèi)方位元素。確定物鏡后節(jié)點和像片面相對位置的數(shù)據(jù)，稱為像片的內(nèi)方位元素。包括像主點(攝影機主光軸與像片面的交點)，在像片框標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)x0、y0和像片主距f[5]。攝影時，地面上各點與投影中心之間形成的攝影光束可用像片上各相應(yīng)像點和投影中心之間的光學(xué)來確定，如圖1所示。

地面控制系統(tǒng)采用Misson Planner，采用INPHO全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站，進(jìn)行空三加密。

圖1 航攝相機檢校

2.2 作業(yè)流程

圖2 建筑變化監(jiān)測工作流程

(1)外業(yè)航拍

①影像控制測量

由于泉州市是海邊城市，風(fēng)力較大，無人機質(zhì)量相對較輕，且航拍高度位于 500 m以下的低空，屬于風(fēng)區(qū)，很容易受到風(fēng)力影響。導(dǎo)致無人機偏航、飛行姿態(tài)不穩(wěn)、破壞航攝的穩(wěn)定性，致使POS數(shù)據(jù)精度降低。為了提高內(nèi)業(yè)成圖精度，需要在測區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)攝影測量控制點，本項目像片控制點布設(shè)以泉州市CORS為基礎(chǔ)，觀測采用RTK技術(shù)，平面及高程精度為 ±2 cm。

②無人機航測

通過地面站軟件MissonPlanner規(guī)劃航線，進(jìn)行航測，由于本次項目范圍較大，任務(wù)路線較長，采取分區(qū)設(shè)計航線，進(jìn)行分區(qū)航攝[6]。飛行高度設(shè)置 300 m。設(shè)置完成后進(jìn)行航攝作業(yè)，如圖3所示。

(2)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

對外業(yè)航拍得到的相片和POS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過軟件將其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并通過控制點對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，生成帶位置與姿態(tài)信息的影像和后續(xù)處理工程文件。

POS系統(tǒng)主要是IMU/GPS通過將航攝儀和定位定姿系統(tǒng)集成在一起，POS硬件主要包括GPS和IMU設(shè)備。通過GPS獲取航攝儀的位置參數(shù)(即外方位線元素)及慣性測量裝置IMU測定航攝儀的姿態(tài)參數(shù)(即外方位角元素)，經(jīng)過處理，可直接獲得每張像片的外方位元素，減少外業(yè)布設(shè)像控點工作量。

①空三加密

空三加密主要包括內(nèi)定向、相對定向、絕對定向、區(qū)域網(wǎng)平差計算，內(nèi)定向是實現(xiàn)拍攝得到的右手像方坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到像平面坐標(biāo)系；相對定向時暫不考慮外方位元素，建立任意比例尺和方位的相對立體模型，實現(xiàn)從像平面坐標(biāo)系到像空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，相對定向的唯一標(biāo)準(zhǔn)是所有同名點投影光線對對相交。絕對定向是在相對定向的基礎(chǔ)上，利用地面控制點實現(xiàn)從相對空間坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。區(qū)域網(wǎng)平差采用光束法平差模型，使整個區(qū)域最佳的納入到泉州坐標(biāo)系統(tǒng)中。

圖4 共線方程

具體數(shù)據(jù)處理中：首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化處理，生成校正后的POS數(shù)據(jù)以及初步質(zhì)量報告，對本次航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行初步評價。然后通過像控點進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計算所有影像的外方位元素和加密點的地面坐標(biāo)。

在INPHO中進(jìn)行空三加密，主要通過內(nèi)定向、相對定向?qū)⒖蚍鴺?biāo)戲轉(zhuǎn)換到像空間坐標(biāo)，結(jié)合像控點刺點進(jìn)行絕對定向?qū)⑾窨臻g坐標(biāo)系納入泉州地方坐標(biāo)系中，并采用光束法作為平差模型，將整個測區(qū)最佳的納入泉州坐標(biāo)系中，完成空三加密過程，如圖5所示。

圖5 空三加密流程

②生成DEM、DOM

根據(jù)上述空三加密的成果，采用空三導(dǎo)入的方法通過單片后方交會進(jìn)行定向，創(chuàng)建立體像對，建立數(shù)字立體模型，對航攝照片進(jìn)行核線重采樣制作核線影像，并進(jìn)行核線影像匹配。生成點云，通過點云數(shù)據(jù)生成數(shù)字表面模型(digital surface model)，進(jìn)行房屋過濾，生成數(shù)字高程模型(digital elevation model)。

根據(jù)上述空三加密的成果，利用DEM數(shù)據(jù)對影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正和影像重采樣，生成單片的DOM，并進(jìn)行色彩調(diào)整、影像鑲嵌等，最終得到DOM成果[8]。

由于無人機飛行高度較低，高層地物同名點視差較大；所攜帶的航攝系統(tǒng)為非量測型相機，相機內(nèi)部參數(shù)較不穩(wěn)定，沒有經(jīng)過嚴(yán)格的相機檢校，按照相機中心投影的成像原理，影像邊緣投影誤差較大，經(jīng)過軟件自動處理生成的DSM和DOM，由于DSM精度不足，對于地面高層建筑物無法進(jìn)行真正射糾正，自動生成的DOM往往會出現(xiàn)接縫和建筑物邊緣扭曲的現(xiàn)象[9]，所以，需要對正射影像的鑲嵌線進(jìn)行人工編輯，鑲嵌線的選取及修改應(yīng)盡量避免穿過獨立地位，如大型建筑物、停車場等，選擇紋理不豐富的位置，遠(yuǎn)離影像的邊緣，盡量沿道路及地面實體的邊緣等[10]。同時，對于不同拍攝角度、位置的照片存在的色差、亮度差進(jìn)行勻光勻色處理，鑲嵌線周邊羽化處理，保證照片鑲嵌自然，整體影像亮度、色差一致。

③變化分析

對兩時相影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，疊加兩時相高分遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化人工解譯，將鯉城區(qū)劃分為 1 km×1 km的網(wǎng)格逐個處理，提取出該時間段內(nèi)地表覆蓋變化情況。得到變化圖斑，如圖6、圖7所示。

圖6 監(jiān)測網(wǎng)格建立

圖7 鯉城區(qū)建筑變化圖斑

④建立變化圖斑GIS數(shù)據(jù)庫

傳統(tǒng)的違章建設(shè)采用Excel管理，在對違法建設(shè)點位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，采集人員首先將航空影像打印成紙質(zhì)地圖，在紙質(zhì)地圖上標(biāo)注文字說明，違法建筑的其他屬性信息均以Excel表存儲，不夠直觀。在Excel電子表格中匯總，時效性差、統(tǒng)計維度單一、無法直觀反映違建情況。無法對后續(xù)工作進(jìn)行有效規(guī)劃，無法為領(lǐng)導(dǎo)決策提供強有力的數(shù)據(jù)支持。本項目采用GIS數(shù)據(jù)庫對違建圖斑進(jìn)行管理，并建立變化圖斑數(shù)據(jù)庫，真正的用于管理，使得每個變化的圖斑都可查可管，如圖8所示。

圖8 變化圖斑GIS屬性表

3 結(jié) 語

在鯉城區(qū)利用無人機遙感影像進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測中，取得有效的結(jié)果，方便管理。該方法具有良好的可操作性、可行性，較好地完成了城市規(guī)劃區(qū)地表用地變化的監(jiān)測分析。通過生成的違建圖斑一覽表使得違建一目了然、公平公正。并且可以可以直接和管理接軌，方便的操作使用。

基于無人機遙感影像對城市變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，取得了巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。尤其在違建和城市規(guī)劃方面，已在泉州規(guī)劃局、執(zhí)法局實行推廣，并且都取得了一致的好評。

[1] 潘富成，左德山，郝萱等. 基于遙感影像的自動變化檢測技術(shù)在北京市違法建設(shè)監(jiān)測應(yīng)用研究[J]. 中國科技成果，2014(13)：43～45.

[2] 崔紅霞，林宗堅，孫杰. 無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 測繪通報，2005(5)：11～14.

[3] 孫杰，林宗堅，崔紅霞. 無人機低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 遙感信息，2003(1)：49～50.

[4] 晏磊，呂書強，趙紅穎等. 無人機航空遙感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報·工學(xué)版，2004，37(6)：67～70.

[5] 陳光. 遙感圖像中建筑物識別與變化檢測[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2005.

[6] 高暉，陳欣，夏云程. 無人機航路規(guī)劃研究[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2001，33(2)：135～138.

[7] 洪宇，龔建華，胡社榮等. 無人機遙感影像獲取及后續(xù)處理探討[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2008，23(4)：462～466.

[8] 曹明蘭，薄志毅，李亞東. 無控制點數(shù)據(jù)的無人機影像DOM快速制作[J]. 測繪通報，2016(8).

[9] 連蓉. 四旋翼無人機影像獲取及DOM生產(chǎn)研究[J]. 地理空間信息，2014(1)：80～83.

[10] 賈建華，張敏，劉潘等. 高分辨率無人機低空影像DEM的建立及其精度研究[J]. 測繪科學(xué)，2011，36(4)：201～202.

Analysis of Illegally Built Buildings Monitoring Based on UAV Remote Sensing Image

Zheng Zhihong，Yang Wenjing

(Quanzhou Institute of Planning and Surveying，Quanzhou 362000，China)

In the interest of the changes in the city，the implementation of effective management，planning departments need to grasp the city's illegal construction area，illegal land area and other information. Traditional aerial photography (such as satellite remote sensing，remote sensing) data acquisition cycle is long，the lack of flexible and flexible，does not apply to short-term，high frequency dynamic monitoring of urban research. The unmanned aerial image is used to carry on the illegal construction analysis. The grid is divided into 1km×1km grid by the grid monitoring combined with the manual visual interpretation. Combined with the data of the land grant，Dynamic Monitoring.

unmanned aerial vehicle(UAV)；image；illegal construction；monitoring and analysis

1672-8262(2016)06-84-04

P235

B

2016—08—07

鄭志宏(1974—)，男，高級工程師，主要從事工程測量、3S集成等技術(shù)管理工作。