佘佐明,申勇智,鐘寶,雷洋,宋劍虹
(貴陽市測繪院,貴州 貴陽 550000)
開展建筑物普查,全面、準(zhǔn)確掌握城市內(nèi)各建筑物的空間分布特征與基本信息,是建設(shè)“智慧城市”不可缺少的基礎(chǔ)性工作,是為國土空間規(guī)劃、城市建設(shè)和城市管理等領(lǐng)域性工作建立科學(xué)數(shù)據(jù)支撐的重要手段。為實現(xiàn)城市“精準(zhǔn)規(guī)劃”的目標(biāo),貴陽市原城鄉(xiāng)規(guī)劃局制定了“規(guī)劃大數(shù)據(jù)”行動,2018年~2021年開展了貴陽市規(guī)劃管理區(qū)域現(xiàn)狀建筑普查工作,實現(xiàn)“摸清規(guī)劃數(shù)據(jù)家底,搞清規(guī)劃存量數(shù)據(jù)”。其工作思路與目標(biāo)為:對貴陽市建成區(qū)現(xiàn)狀建筑物存量數(shù)據(jù)及相關(guān)聯(lián)的規(guī)劃管理審批檔案進行普查、梳理,全面摸清貴陽市規(guī)劃區(qū)建筑物信息情況,建立建筑物信息綜合數(shù)據(jù)庫,為下一步做好城市規(guī)劃工作,提供準(zhǔn)確的查詢與分析的科學(xué)依據(jù)。
貴陽市特定的地理環(huán)境條件對建筑物信息普查也帶來了一些現(xiàn)實難題,通過合理的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和技術(shù)設(shè)計,高效、準(zhǔn)確地獲取了建筑物基本信息,這里梳理項目中涉及的現(xiàn)實問題與技術(shù)路線,希望對于城市測繪地理信息部門或企業(yè)開展下一步的自然資源類調(diào)查監(jiān)測項目,提供有價值的參考。
貴陽是貴州省省會,是一座具有亞高原地形特征的現(xiàn)代都市,其地貌可概括為“山中有城,城中有山,綠帶環(huán)繞,森林圍城,城在林中,林在城中”,屬于典型的山地城市。因此,城市建筑普查具有明顯的地域性特征,不同區(qū)域的建筑物在高度、朝向、疏密分布上存在明顯的差異,在新建城區(qū)范圍,建筑物分布規(guī)整、密度適中;老舊城區(qū)地形復(fù)雜,建筑物依山而建,密度高,多低矮建筑;偏遠地區(qū)建筑物密度較低,交通不便。這為調(diào)查工作獲取與處理帶來了復(fù)雜性與難度。
建筑物普查區(qū)域為貴陽市規(guī)劃管理區(qū),范圍覆蓋貴陽市所轄的云巖區(qū)、南明區(qū)、白云區(qū)、觀山湖區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、經(jīng)開區(qū)、花溪區(qū)北部,區(qū)域總面積約 2 163 km2,地勢起伏較大,南北高、中部低。預(yù)計永久性建筑物數(shù)量為40萬棟以上。
本次普查的具體內(nèi)容是:在現(xiàn)有1∶500地形圖、規(guī)劃竣工測量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像、航空影像等數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上,通過梳理規(guī)劃設(shè)計成果資料、規(guī)劃審批檔案數(shù)據(jù),實地調(diào)查、拍攝永久性建筑物現(xiàn)場照片等方法手段,完善和擴充單棟建筑物現(xiàn)狀的空間及屬性(13類)信息,建立普查數(shù)據(jù)庫及實時更新與瀏覽查詢系統(tǒng),形成建筑物的現(xiàn)狀普查常態(tài)機制方法。具體要求包括如下幾個方面:
(1)更新周期。建筑物信息的更新周期為6個月,信息延遲應(yīng)不超過6個月。
(2)建筑物基本屬性的完整性要求。建筑物應(yīng)當(dāng)包括建筑名稱、詳細地址、結(jié)構(gòu)類型、使用期限、建造年代、建筑狀態(tài)、建筑層數(shù)、建筑高度、地下室及附屬設(shè)施、停車位數(shù)、基底面積、總建筑面積、建筑質(zhì)量評價、外觀照片等。
(3)單棟建筑物的標(biāo)識碼要求。貴陽市區(qū)域根據(jù)城市網(wǎng)格化管理的需要,由網(wǎng)格化服務(wù)管理指揮調(diào)度中心依據(jù)村居(社區(qū))管轄范圍,制定一套網(wǎng)格管理單元的劃分體系。普查成果在應(yīng)用時,單棟建筑物的唯一性標(biāo)識碼應(yīng)與該網(wǎng)格管理單元保持關(guān)聯(lián)性。
(4)單棟建筑物空間精度要求。建筑物位置、輪廓、部件結(jié)構(gòu)等空間數(shù)據(jù),達到 1∶2 000比例尺地形圖的精度要求。
傳統(tǒng)的地理信息數(shù)據(jù)采集通過實地調(diào)查測量獲取數(shù)據(jù),往往存在人員和時間成本過高、工作效率低下等問題。為了最大化地提高數(shù)據(jù)獲取效率,這里提出了融合多種技術(shù)方式的思路,一方面通過采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)抓取互聯(lián)網(wǎng)中與貴陽市建筑物相關(guān)的信息數(shù)據(jù)資源,擴充數(shù)據(jù)來源渠道,最大限度地豐富本項目的數(shù)據(jù)源,減少外業(yè)調(diào)查次數(shù)。另一方面,研制手機端調(diào)查App,在部分外業(yè)調(diào)查上,手機端調(diào)查App也能最大化地減少單次調(diào)查的時間。普查的技術(shù)路線圖如圖1所示。
圖1 貴陽市建筑物普查技術(shù)路線
對現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料的整理,首先就是合理劃分普查單元,這也是后續(xù)成果推廣應(yīng)用和動態(tài)更新的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這里最終確定普查單元的劃分技術(shù)原則為:與貴陽市網(wǎng)格管理單元保持一致,強調(diào)城市線狀地理要素(如道路、河流、圍墻)的邊界作用,普查單元不能切分建筑物,并保證普查單元內(nèi)建筑物數(shù)量基本一致。每個普查單元分配唯一編號,并建立與貴陽市網(wǎng)格管理單元的聯(lián)系。
以貴陽市網(wǎng)格管理單元為依據(jù),對每一棟建筑物進行了唯一編碼,編碼將伴隨建筑物的生命周期,建筑物不存在后編碼也將不再用于其他建筑物。為全市各委辦局以建筑物編碼作為關(guān)聯(lián)條件,將人口、法人、國民經(jīng)濟等數(shù)據(jù)進行共享奠定基礎(chǔ),此次普查的單元總數(shù)量為951個,劃分后單元的平均面積為 2.69 km2,其中最大單元為 23.29 km2,最小單元為 0.134 km2。
建筑物外輪廓矢量數(shù)據(jù)是建筑物普查成果的空間化體現(xiàn)。這里提出了技術(shù)原則:在內(nèi)業(yè)采集時根據(jù)影像分辨率用可識別的建筑間隔確定建筑物“對象個體”(幢),對單幢建筑按照樓層數(shù)的不同作區(qū)塊劃分(幢編號相同),城市建筑區(qū)分塔樓和裙樓,農(nóng)村建筑不做區(qū)分,權(quán)屬、樓層數(shù)及用途等未知的信息預(yù)留待外業(yè)調(diào)查時補充。由于成本和效率的原因,建筑物外輪廓無法全部依靠外業(yè)實測來獲取,這里充分利用現(xiàn)有地形圖、衛(wèi)星航空影像、規(guī)劃竣工、規(guī)劃設(shè)計、規(guī)劃審批檔案等成果資料,通過內(nèi)業(yè)綜合提取構(gòu)建。此外設(shè)計了一套建筑物外輪廓實體化構(gòu)建的技術(shù)流程,通過基于影像、人工輔助的建筑物信息提取方法,自動生成了具有建筑物輪廓實體化初級成果,并盡可能在內(nèi)業(yè)階段收集樓層、結(jié)構(gòu)、用途等屬性信息。這些成果將作為進行外業(yè)調(diào)查后續(xù)工作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與參考依據(jù),其包含信息越豐富,外業(yè)調(diào)查的效率和準(zhǔn)確性就越高。
網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù),可以讓研究人員通過設(shè)定需求條件,自動化地從互聯(lián)網(wǎng)中獲取研究者關(guān)心的數(shù)據(jù)內(nèi)容,并將這些數(shù)據(jù)內(nèi)容“爬取”下來進行一定程度的形式化、格式化整理,形成相關(guān)主題的數(shù)據(jù)資源。利用這些“爬取”下來作為數(shù)據(jù)源,可以進行更深層次的數(shù)據(jù)分析,挖掘出更多有價值的信息。網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)的出現(xiàn),最大化地減少了人工參與過程,一定程度上可代替人工訪問相關(guān)主題的網(wǎng)絡(luò)資源,并且,相比傳統(tǒng)人工操作效率更高。
結(jié)合項目對速度和精度的要求,并且經(jīng)常需要修改部分采集代碼,這里通過對比PHP、Java、C/C++、Python等幾種網(wǎng)絡(luò)爬蟲的程序語言,最終選取了采用Python語言編寫爬蟲,主要考慮Python語法優(yōu)美、代碼簡潔、開發(fā)效率高、支持的模塊多,相關(guān)的HTTP請求模塊和HTML解析模塊非常豐富。還有強大的第三方工具庫爬蟲Scrapy,以及成熟高效的Scrapy-redis分布式策略,在調(diào)用其他功能接口時也相對方便。
利用爬蟲技術(shù)從互聯(lián)網(wǎng)中抓取與貴陽市建筑物相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),主要來源于互聯(lián)網(wǎng)地圖平臺,包括高德地圖、必應(yīng)地圖中發(fā)布項目范圍內(nèi)的POI(興趣點)數(shù)據(jù)、建筑輪廓數(shù)據(jù)等。POI興趣點具體屬性包括:名稱、地址、電話、分類(建筑用途)及坐標(biāo)等信息;建筑輪廓數(shù)據(jù)提取使用深度學(xué)習(xí)算法,從高分影像中提取的建筑物邊界。實現(xiàn)步驟如下:
(1)將需要檢索的地理范圍,劃分為若干個矩形區(qū)域,比如可劃分成10行×10列=100個矩形區(qū)域,設(shè)每個矩形范圍為Ri(i=1,2,3,……100);
(2)設(shè)定需要查找的信息類別S,利用Python程序開發(fā)語言,對單個矩形,將設(shè)定的矩形范圍Ri及信息類別S作為前置條件的進行信息查詢檢索;
(3)重復(fù)步驟2,遍歷完成后,可得到整個區(qū)域某一類別所有POI的屬性數(shù)據(jù),如圖2所示;
圖2 互聯(lián)網(wǎng)爬取POI數(shù)據(jù)
(4)對于建筑輪廓數(shù)據(jù)的提取,使用必應(yīng)地圖中的Maxar和Airbus各個年份的影像數(shù)據(jù),通過人工智能學(xué)習(xí)算法,從高分辨率影像中提取建筑物邊界成果。
對獲得的最終成果進行測試,可滿足以下要求:POI數(shù)據(jù)的定位誤差絕在 10 m以內(nèi),可對應(yīng)至每棟建筑。除精準(zhǔn)的定位信息外,抓取的POI數(shù)據(jù)還有包含有建筑物上述名稱信息和地址信息的基本屬性外,還對應(yīng)了“醫(yī)療”“文化傳媒”“房地產(chǎn)”“政府機構(gòu)”“教育培訓(xùn)”5個類別,部分?jǐn)?shù)據(jù)還包括了較為翔實的地址信息。建筑物輪廓線無偏移,無切割線,可拉升成三維白模展示;輪廓線屬性中包含有建筑層數(shù)信息等。經(jīng)抽樣檢查,網(wǎng)絡(luò)爬取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性符合要求,可用于建筑物基本屬性信息的完善豐富階段工作。
“一站式采集與整理”的建筑物外業(yè)調(diào)查方式,一方面提高采集人員的在線作業(yè)便利性,減輕外業(yè)人員的建筑物信息采集的難度,另一方面在不增加外業(yè)調(diào)查工作時間的前提下,完成數(shù)據(jù)采集的同時也完成了后續(xù)的數(shù)據(jù)整理及結(jié)構(gòu)化,提升工作效率、減少工作協(xié)同流轉(zhuǎn)的時間。隨著定位、攝像、傳感器與通信、計算芯片等硬件的性能提升,以及開源的GIS平臺與數(shù)據(jù)庫功能的擴展與強化,這些技術(shù)都可作為移動端應(yīng)用的基礎(chǔ)支撐。這里研制了建筑信息采集外業(yè)調(diào)查App,從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模式向新的移動采集模式進行遷移,進行建筑物名稱、詳細地址、結(jié)構(gòu)類型、樓層信息、建筑物用途等相關(guān)屬性的采集、傳輸、處理與信息系統(tǒng)綜合管理。
貴陽市建筑物移動外業(yè)調(diào)查App設(shè)計的業(yè)務(wù)邏輯是:首先,對于上述工作階段完成的建筑物外輪廓實體化數(shù)據(jù)及部分屬性數(shù)據(jù),以普查任務(wù)單元為單位,外業(yè)調(diào)查人員可以通過網(wǎng)絡(luò)在線訪問,通過符號、圖形、表格等多種方式,可以直觀地查找目標(biāo)建筑物的信息的完善程度與準(zhǔn)確性;其次,作業(yè)人員通過App的用戶界面,可以現(xiàn)場錄入建筑物信息,對建筑物外觀進行拍攝,實時編輯更新等,要求照片能夠充分反映建筑物的樓層信息、外觀全貌,將現(xiàn)場采集的信息建立圖形與表格、照片的關(guān)聯(lián)關(guān)系,最終形成圖、表、照片一一對應(yīng)的數(shù)字化普查成果;之后,通過在線訪問方式云端推送到Web服務(wù)器、GIS服務(wù)器上,保存到共享數(shù)據(jù)庫。最后,對數(shù)據(jù)庫中采集后的建筑物數(shù)據(jù),還可以進行分類展示和直觀表達,檢查與核實外業(yè)調(diào)查工作。
研制建筑物普查外業(yè)數(shù)據(jù)采集App的思路,是依據(jù)建筑物外業(yè)調(diào)查工作流程為基礎(chǔ),以“云+端”的移動GIS開發(fā)模式,基于SOA架構(gòu)的移動GIS開發(fā)通用平臺,結(jié)合5G移動網(wǎng)絡(luò)和GNSS導(dǎo)航定位及多種定位方式、流媒體等技術(shù),在開放式移動操作系統(tǒng)上,建立了一套可實現(xiàn)在線地圖瀏覽、定位導(dǎo)航、空間信息采集、管理和分析能力的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。建筑物普查App以面向?qū)ο蠓?wù)的思路,體系架構(gòu)由四個部分組成:移動終端部分、服務(wù)器部分、數(shù)據(jù)鏈路傳輸部分、數(shù)據(jù)庫部分,四個部分分別承載在應(yīng)用層、服務(wù)層、通信層、數(shù)據(jù)層。
外業(yè)數(shù)據(jù)采集App在具體的研制實現(xiàn)過程中,基于ArcGIS Runtime SDK For Android的移動開發(fā)模式,在Eclipse平臺上使用“Java語言+XUtils開源框架”進行二次開發(fā),在ArcGIS系列軟件下進行原始數(shù)據(jù)整理打包及底圖制作,并且發(fā)布相關(guān)服務(wù)構(gòu)成原生及跨平臺的地圖應(yīng)用基礎(chǔ),實現(xiàn)離、在線一體化同步機制,從而提高實地普查的工作效率,本次普查擬使用移動終端進行現(xiàn)場信息的采集工作,主要功能包括外業(yè)導(dǎo)航定位、現(xiàn)場建筑物外觀拍照及基本信息采集。采用的關(guān)鍵技術(shù)如下:
(1)多類型傳感器數(shù)據(jù)采集與變換處理。移動應(yīng)用中涉及GPS、運動姿態(tài)、環(huán)境、光照等傳感器。通過運用最佳拍攝焦距模型實現(xiàn)對焦,并對成果照片進行仿射變換,計算繪制矩形的頂角坐標(biāo)并進行矩陣變換,實現(xiàn)對有照片的形變處理。
(2)基于數(shù)據(jù)的在線壓縮及流化的地圖要素服務(wù)。為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪問要素的能力和顯示要素所需要的符號系統(tǒng)。通過網(wǎng)絡(luò)訪問在線電子地圖(使用geodatabase格式,適用于ArcGIS Runtime下全平臺支撐),結(jié)合切片緩存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、照片壓縮的技術(shù),適當(dāng)限制采集時拍攝照片的文件大小,對圖片像素較高的照片進行實時壓縮處理,減輕數(shù)據(jù)文件傳輸負擔(dān)。
(3)采用多種新型標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及第三方庫。在標(biāo)準(zhǔn)Active組件與Internt機制的基礎(chǔ)上,為保證用戶交互的高效性,管理控制不同的軟件生命周期,為應(yīng)用程序運行中不同的組件消息傳遞設(shè)計實現(xiàn)算法模型。這里使用到的工具包括:ArcRuntimeSDKs,ArcGIS Runtime SDK For Android的移動開發(fā)包、ArcGIS Server、ArcGIS Online數(shù)據(jù)集、ArcGIS Engine等。
主要功能包括:地圖瀏覽與圖層管理、地圖快速定位與地圖導(dǎo)航、建筑物自動對焦拍照、矢量編輯與屬性編輯、在線與離線數(shù)據(jù)同步、核查軌跡記錄與建筑物信息的輸出與輸入、空間分析與查詢、距離與面積量算。界面效果如圖3所示。設(shè)備運行環(huán)境及性能要求為:Android系統(tǒng);具備GPS、北斗等衛(wèi)星定位功能;具備500萬以上像素且自動快速對焦的拍照功能;電池續(xù)航時間要保證外業(yè)工作。有開源的ASOP(開源計劃)和需要Google授權(quán)使用的移動服務(wù)GMS。
圖3 建筑物普查App用戶界面
實踐中完成的建筑物普查成果,總計建筑物約45萬棟,照片80萬張。在內(nèi)容上包含了建筑名稱、詳細地址、結(jié)構(gòu)類型、使用期限、建造年代、建筑用途、建筑狀態(tài)、建筑層數(shù)、建筑高度、地下室及附屬設(shè)施、停車位數(shù)、基底面積、總建筑面積等建筑物基本信息,建筑物空間精度滿足 1∶2000地形圖精度要求。
建筑物普查的成果還可應(yīng)用于城市管理領(lǐng)域,在后續(xù)階段,項目組依托生產(chǎn)成果研制了“貴陽市違法建筑物監(jiān)測平臺”在線系統(tǒng)。違法建筑物監(jiān)測平臺采用全新的“D2C”平臺,從數(shù)據(jù)生產(chǎn)到展示統(tǒng)一由“D2C”平臺提供。系統(tǒng)前端采用“Html+Css+JavaScript”技術(shù)框架,統(tǒng)一調(diào)用“D2C”平臺接口進行數(shù)據(jù)操作及展示;數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)為基于ArcGIS 10.2的JAVA接口開發(fā)實現(xiàn)。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)包括4個部分:
(1)基礎(chǔ)層。包括硬件設(shè)施、軟件設(shè)施和安全網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,為平臺運行提供基礎(chǔ)支持。
(2)數(shù)據(jù)庫層。包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù),其中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括違法建設(shè)信息和違法用地信息;空間數(shù)據(jù)包括電子底圖、影像底圖、規(guī)劃數(shù)據(jù)、國土數(shù)據(jù)、違法圖斑數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)通過加工入庫,最終形成空間數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫主要存儲空間數(shù)據(jù)。
(3)中間層。第三方的中間銜接工具,如ArcGIS Server等。
(4)應(yīng)用層。分為數(shù)據(jù)管理、分析應(yīng)用、公共應(yīng)用、違章巡檢4個子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)基于ArcGIS平臺,數(shù)據(jù)庫采用Oracle,用來維護管理建筑物現(xiàn)狀信息、各時期的影像、專題數(shù)據(jù)。分析應(yīng)用子系統(tǒng)用于統(tǒng)計、分析全市的土地利用、建筑物占比、綠地占比等信息。公共應(yīng)用子系統(tǒng)供全市居民與其他單位查詢不涉密的違章建筑信息和其他信息。違章巡檢系統(tǒng)是移動應(yīng)用程序,供執(zhí)法人員通過智能移動設(shè)備巡查、核實建筑物違章詳細。
平臺首頁界面如圖4所示,平臺分為工具欄和信息展示區(qū),工具欄包含整個平臺功能模塊的使用,信息展示區(qū)展示了分析以及統(tǒng)計的主要量化指標(biāo)參數(shù),地圖頁面則以列表的形式展示不同功能列表以及工具展示區(qū),并提供搜索、下載等常用功能。
圖4 應(yīng)用平臺首面界面
在現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上,根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求,按照體塊三維模型、簡單三維模型、精細三維模型的層次,對城市進行直觀地展現(xiàn),既全面體現(xiàn)貴陽市建筑物的總體特征,又充分體現(xiàn)單體建筑的精細特點。相對于直接進行城市三維模型的建設(shè),大大節(jié)約投資,提高了政務(wù)質(zhì)量和效率。
針對貴陽市城區(qū)典型的山地城市的建筑分布的特征帶來的實地調(diào)查工作的一些難題,這里綜合運用了基于網(wǎng)絡(luò)爬蟲建筑物信息抓取、研制外業(yè)調(diào)查App等關(guān)鍵技術(shù),結(jié)合普查單元的科學(xué)劃分、三維場景可視化等多方面技術(shù),完成的45萬棟建筑物普查成果,包含了13類等建筑物基本屬性及多媒體信息,滿足了貴陽市建筑物普查的時間要求、信息完整度要求、數(shù)據(jù)精度要求,可為多部門各領(lǐng)域的應(yīng)用提供支撐。此外,依據(jù)貴陽市網(wǎng)格管理單元對每棟建筑物進行統(tǒng)一的、唯一的編碼將伴隨建筑物的生命周期,作為建筑物“身份標(biāo)識”,可為未來智慧城市等建設(shè)中人口、物流、經(jīng)濟指標(biāo)等數(shù)據(jù)信息共享關(guān)聯(lián)提供基礎(chǔ)支持。在獲得的數(shù)據(jù)成果基礎(chǔ)上,根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求,按照3級精度的三維模型的層次,從貴陽市建筑物的總體特征,到單體建筑的精細特點,都實現(xiàn)了直觀地展現(xiàn),為未來“虛擬城市”建設(shè)提供了方法基礎(chǔ)。
對于本項目形成的成果,下一步的研究方向是:通過按周期獲取的高分辨率航空航天遙感影像,通過幾何特征與紋理特征的變化,動態(tài)監(jiān)測建筑物的變化情況,實現(xiàn)季度、月度的“動態(tài)增量更新”。此外,結(jié)合城市網(wǎng)格化管理工作機制,加強與網(wǎng)格管理人員之間的信息互換與共享,爭取及時獲取建筑物部分屬性的驗證、更新與確認,實現(xiàn)多部門、常態(tài)化、低成本的建筑物普查信息的動態(tài)更新機制。