直升機(jī)傾斜攝影測(cè)量在違法建設(shè)巡查中的應(yīng)用

金兵兵，金 婷，劉 洋， 吳子為

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

大城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也引發(fā)了城市的一些病態(tài)現(xiàn)象，不斷涌現(xiàn)的違法建設(shè)就是其中一個(gè)非常突出的問題[1-2]。然而目前違法建設(shè)巡查方式略顯粗放被動(dòng)，主要依靠執(zhí)法部門的人工現(xiàn)場(chǎng)巡視和群眾舉報(bào)，屬于粗放被動(dòng)接受式巡查，難以滿足違法建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)管需要。因此迫切需要對(duì)當(dāng)前的違法建設(shè)巡查工作提檔升級(jí)，研究更為科學(xué)、實(shí)用且高效的巡查技術(shù)方法[3-10]。基于此，本文以廣州市天河區(qū)為例，提出一種以傾斜攝影測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，融合多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算、建筑單體化建模、快速變化檢測(cè)、內(nèi)業(yè)三維矢量提取技術(shù)為一體的違法建設(shè)巡查模式，精準(zhǔn)、高效地獲取違法建設(shè)數(shù)據(jù)信息，解決違法建設(shè)執(zhí)法存在的問題，助力違法建設(shè)治理工作。

1 總體技術(shù)路線

1）圍繞違法建設(shè)監(jiān)管需求，針對(duì)研究區(qū)的復(fù)雜場(chǎng)景，采用直升機(jī)平臺(tái)搭載框幅式5 鏡頭數(shù)碼航攝儀，合理分區(qū)進(jìn)行航線規(guī)劃，進(jìn)行傾斜攝影外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

2）在影像預(yù)處理、POS 解算、像控點(diǎn)加密、控制測(cè)量的基礎(chǔ)上，基于多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算數(shù)據(jù)處理，開展空三解算、數(shù)據(jù)密集匹配及三維建模，得到實(shí)景三維模型、正射影像和數(shù)字表面模型（DSM）。

3）基于面向?qū)ο蠓诸惙椒?gòu)建可靠決策樹，實(shí)現(xiàn)建筑物快速單體化，提取建筑物輪廓邊線。

4）利用正射影像和數(shù)字表面模型（DSM），基于分類后比較法的變化檢測(cè)技術(shù)，提取農(nóng)村地區(qū)隱蔽、分散的違法新建圖斑。

5）在EPS 中加載實(shí)景三維模型和正射影像，二三維聯(lián)動(dòng)勾繪違法建設(shè)圖斑，開展內(nèi)業(yè)三維矢量提取和面積量算，輔以適當(dāng)?shù)耐鈽I(yè)核查及修補(bǔ)測(cè)，構(gòu)建違法建設(shè)圖斑數(shù)據(jù)庫，編制指引圖冊(cè)和統(tǒng)計(jì)表格，建立違法建設(shè)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的臺(tái)賬。整體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 總體技術(shù)路線

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 復(fù)雜場(chǎng)景下的直升機(jī)傾斜攝影外業(yè)數(shù)據(jù)采集

航攝區(qū)域總面積200 km2，地面分辨率設(shè)計(jì)精度優(yōu)于2 cm，總體地勢(shì)由北向南傾斜，形成低山丘陵、臺(tái)地、沖積平原三級(jí)地臺(tái)，地勢(shì)復(fù)雜，既覆蓋了高樓林立的CBD 珠江新城，也包含廣州典型的城中村區(qū)域，建筑物高程起伏較大，且位于南部戰(zhàn)區(qū)機(jī)場(chǎng)的凈空五邊以內(nèi)，空域控制嚴(yán)格。

傾斜攝影數(shù)據(jù)采集具體包含飛行平臺(tái)及相機(jī)選型、航線設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、像控點(diǎn)布設(shè)加密、影像預(yù)處理、POS 解算、控制測(cè)量等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，其中針對(duì)航攝區(qū)域的復(fù)雜場(chǎng)景，飛行平臺(tái)及相機(jī)選型、航線設(shè)計(jì)是傾斜攝影外業(yè)數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。

在飛行平臺(tái)及相機(jī)選型方面，針對(duì)上述復(fù)雜場(chǎng)景，綜合考慮飛機(jī)布局、航速、航高及安全性能，采用較無人機(jī)平臺(tái)續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)的“貝爾206”直升機(jī)作為航空攝影飛行平臺(tái)，對(duì)于復(fù)雜大場(chǎng)景下航攝任務(wù)的實(shí)施更具有可行性。搭載框幅式數(shù)碼航攝儀SWDC5-P100，單鏡頭1 億像素，5 鏡頭總像素高達(dá) 5 億像素，滿足地面高分辨率要求（如圖2 所示）。

圖2 貝爾206 直升機(jī)平臺(tái)和數(shù)碼航攝儀

在航線設(shè)計(jì)方面，由于航攝影像地面分辨率受飛行高度的影響，若對(duì)地形起伏較大的區(qū)域采用同樣的飛行高度，將會(huì)導(dǎo)致影像地面分辨率存在較大起伏，不滿足精度要求。因此，依據(jù)地形、機(jī)場(chǎng)位置、空域情況等，將全區(qū)分為高程分布較為均勻的多個(gè)區(qū)域，對(duì)各個(gè)區(qū)域分別實(shí)施航線規(guī)劃（如圖3 所示），從而保證測(cè)區(qū)具有相似且滿足精度要求的影像地面分辨率。

圖3 航線規(guī)劃分區(qū)

2.2 并行計(jì)算數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是攝影測(cè)量中至關(guān)重要的一步，由于外業(yè)采集采用了5 鏡頭相機(jī)傳感器，航攝范圍約200 km2，攝影重疊度和像對(duì)數(shù)的大幅增加，傳統(tǒng)的單機(jī)串行處理計(jì)算難以滿足要求，故引入多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算數(shù)據(jù)處理模式。①并行計(jì)算是指將數(shù)據(jù)處理任務(wù)劃分為若干并行的子任務(wù)，安排至相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置，基于各節(jié)點(diǎn)位置處理器的協(xié)同操作，可同時(shí)對(duì)子任務(wù)進(jìn)行處理，極大地縮短了計(jì)算耗時(shí)。②并行計(jì)算系統(tǒng)是由并行算法、并行編程以及并行機(jī)組合而成的，其具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。③并行機(jī)作為該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其核心部分由處理器、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及內(nèi)存組成，并行機(jī)之間通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接和同步操作。④并行算法的核心設(shè)計(jì)主要包括任務(wù)分解、任務(wù)聚合、通信設(shè)計(jì)及處理器映射4 個(gè)步驟，運(yùn)算時(shí)在不同編程環(huán)境中獲得最終計(jì)算結(jié)果。

圖4 并行計(jì)算流程示意圖

本研究涉及的數(shù)據(jù)密集匹配、空三解算、三維建模均基于并行計(jì)算模式，利用Smart3D 軟件完成。以三維建模處理為例，將任務(wù)進(jìn)行空間分塊，將攝區(qū)分為若干個(gè)100 m×100 m 等面積的規(guī)則子區(qū)域塊，基于多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算技術(shù)，利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)布任務(wù)，將原先集中在單節(jié)點(diǎn)上的龐大計(jì)算任務(wù)，負(fù)載均衡地分派給分布式網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)十臺(tái)計(jì)算機(jī)上并行處理，最后進(jìn)行成果合并，大大提升了數(shù)據(jù)處理效率。

2.3 面向?qū)ο蠓诸惖慕ㄖ误w化建模

建筑物是城市場(chǎng)景中最重要的對(duì)象，雖然通過傾斜攝影技術(shù)能夠重建三維實(shí)景模型，這種方式得到的場(chǎng)景模型是一個(gè)整體，基本能滿足視覺上的觀感，但不能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別、屬性的賦予且無法對(duì)違法建設(shè)進(jìn)行量算。因此，還需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的語義分割，尤其是建筑物的單體化建模。

為此，本研究充分利用傾斜攝影多視影像密集匹配快速獲取的高精度、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理及水平點(diǎn)云提取、聚類的基礎(chǔ)上，以多尺度平面分割為基礎(chǔ)，結(jié)合多層次面向?qū)ο蠓诸惙椒?，?gòu)建典型目標(biāo)的可靠決策樹，基于柵格圖像計(jì)算點(diǎn)云面域之間的拓?fù)潢P(guān)系，得到各建筑單體的點(diǎn)云覆蓋范圍，并利用最小二乘擬合法，提取合并后的點(diǎn)云外輪廓，最終得到獨(dú)棟建筑的水平外輪廓范圍。

2.4 基于分類后比較法的快速變化檢測(cè)

違法建設(shè)包含違法加建和違法新建兩類，相較于城市違法加建行為，廣大農(nóng)村地區(qū)占用地和未利用地的違法新建行為具有分布零散、隱蔽等特征，人工巡查較為困難。利用傾斜攝影測(cè)量形成的正射影像數(shù)據(jù)、數(shù)字表面模型，比對(duì)不同時(shí)相影像數(shù)據(jù)，基于分類后變化檢測(cè)技術(shù)開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提取違法監(jiān)測(cè)圖斑，保障了巡查效率，具體包含土地利用分類和變化檢測(cè)2 個(gè)步驟（如圖5 所示）。

圖5 分類后比較法的變化檢測(cè)圖斑提取

1）多尺度土地利用分類。采用不同尺度下的分水嶺算法進(jìn)行多次數(shù)的分割，最終生成網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，其中的每一次分割過程均以低一層的影像對(duì)象為基礎(chǔ)，進(jìn)行區(qū)域合并，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置尺度參數(shù)閾值。對(duì)影像分割結(jié)果進(jìn)行樣本訓(xùn)練，通過人工判斷方法分析不同地物類別在特征波段上的特征值，采用人工篩選的方法制定分類規(guī)則，并采用模糊分類法對(duì)影像進(jìn)行基于對(duì)象的分類，最終得到各地物類別分類結(jié)果。

2）變化檢測(cè)。對(duì)同一區(qū)域的前后時(shí)相影像數(shù)據(jù)，采取上述分類后，對(duì)得到的分類結(jié)果進(jìn)行基于變化檢測(cè)算法深入比較，提取違法建設(shè)圖斑。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，自動(dòng)提取的違法建設(shè)圖斑精度高，能有效提高生產(chǎn)效率，降低人工漏查幾率。

2.5 二三維聯(lián)動(dòng)矢量提取和面積測(cè)算

本項(xiàng)目違法建設(shè)圖斑的巡查目標(biāo)和判定標(biāo)準(zhǔn)，主要是城鎮(zhèn)、農(nóng)村、公共管制等區(qū)域內(nèi)亂搭亂建的陽光房、簡(jiǎn)易房、磚木結(jié)構(gòu)、藍(lán)皮屋、田間窩棚等違法建筑。依托清華山維EPS 平臺(tái)，加載實(shí)景三維模型和正射影像數(shù)據(jù)，依據(jù)上述判定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)房屋輪廓的自動(dòng)提取，同時(shí)針對(duì)違法建設(shè)的建構(gòu)筑物，從不同角度借助十字與垂直輔助線進(jìn)行點(diǎn)與線的量測(cè)，實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動(dòng)矢量勾繪（如圖6 所示）。在圖斑構(gòu)面和屬性錄入階段，將重復(fù)性錄入工作通過在EPS 中編寫腳本，一鍵化實(shí)現(xiàn)房屋構(gòu)面及房屋結(jié)構(gòu)、層數(shù)、天面等屬性信息導(dǎo)入，形成違法建設(shè)巡查圖斑數(shù)據(jù)庫，制作違法建設(shè)指引圖冊(cè)和統(tǒng)計(jì)表格。

圖6 EPS 三維測(cè)圖模塊下違法圖斑勾繪

3 結(jié)果分析

3.1 成果制作及分析

在天河區(qū)136.43 km2的轄區(qū)范圍內(nèi)，查清了7 萬余個(gè)約600 萬m2建設(shè)量的違法建設(shè)圖斑，形成了全區(qū)21 個(gè)街道的違法建筑指引圖冊(cè)、統(tǒng)計(jì)表格，以供城管執(zhí)法部門實(shí)地核實(shí)；建設(shè)了違法建筑數(shù)據(jù)庫，納入違法建設(shè)信息化動(dòng)態(tài)監(jiān)管（部分成果如圖7 所示）。

從全區(qū)違法建筑數(shù)量的地域分布來看，位于城鄉(xiāng)結(jié)合部的鳳凰街道違法建設(shè)最為嚴(yán)重，圖斑數(shù)量為8 107 個(gè)，其中村級(jí)工業(yè)園違法亂建情況較為突出，其次是棠下（7 064 個(gè)）、長(zhǎng)興（6 941 個(gè)）、員村（5 963 個(gè)）、車陂（5 719 個(gè)）、珠吉（5 534 個(gè)）等城中村聚集區(qū)域，反映出城郊和城中村的違法巡查任務(wù)較為嚴(yán)峻。

3.2 成果精度檢測(cè)

采用傳統(tǒng)全站儀，布設(shè)圖根導(dǎo)線63 條，外業(yè)設(shè)站對(duì)違法建設(shè)巡查成果的地物點(diǎn)點(diǎn)位進(jìn)行精度檢測(cè)，采用鋼尺對(duì)地物點(diǎn)間距進(jìn)行檢測(cè)。共抽取檢測(cè)地物點(diǎn)位2 000 個(gè)，點(diǎn)位中誤差4.1 cm；抽取檢測(cè)地物間距2 000 個(gè)，間距中誤差為5.7 cm，具體指標(biāo)如表1 所示，精度符合測(cè)量規(guī)范及技術(shù)設(shè)計(jì)要求（點(diǎn)位中誤差±15 cm；間距中誤差±10 cm）。

表1 精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 語

本研究構(gòu)建了一種以傾斜攝影測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，融合多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算、建筑單體化建模、變化檢測(cè)、二三維聯(lián)動(dòng)矢量提取技術(shù)為一體的違法建設(shè)巡查模式，能快速獲取大場(chǎng)景下的違法建設(shè)情況，提供了時(shí)效性強(qiáng)、分辨率高、精度符合技術(shù)要求的正射影像、實(shí)景三維、數(shù)據(jù)庫、圖冊(cè)、統(tǒng)計(jì)表格等佐證資料，摸清了天河區(qū)全域違法建設(shè)的底數(shù)，健全完善了違法建設(shè)治理查處工作臺(tái)賬，為城市違法建設(shè)治理提供了精確的數(shù)據(jù)支撐。