傾斜攝影技術在違法建筑巡查中的應用研究

周智勇，丁玉蘭

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.重慶市地理國情監測工程技術研究中心，重慶 401121)

傾斜攝影技術在違法建筑巡查中的應用研究

周智勇1，2*，丁玉蘭1

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.重慶市地理國情監測工程技術研究中心，重慶 401121)

為逐步消除存量違法建筑，各區縣需要對本行政區域內的違法建筑進行調查、核實，依法開展違法建筑集中成片整治工作。而傳統人工巡查存在入戶難、量測難、取證難的問題，本文利用新興傾斜攝影技術，制作正射影像及實景三維模型，實現了違法建筑的快速摸底巡查，提高了違法建筑巡查效率，降低了查處成本，加大了整治力度，為違法建筑查處提供了新的思路。

傾斜攝影；正射影像；實景三維模型；違法建筑巡查

1 引 言

近年來，隨著經濟社會的快速發展，城市建設水平明顯提高，但是違法建筑也日益增多，新增違法建筑還有愈演愈烈之勢[1]。違法建筑屢禁不止，不僅嚴重擾亂了土地和城鄉規劃管理秩序，而且給公共安全帶來了極大隱患，有必要加大整治力度[2]。《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》指出“違法建設問題突出”，要“建立利用衛星遙感監測等多種手段共同監督規劃實施的工作機制”。重慶市人民政府也發布了《重慶市查處違法建筑若干規定》，要求 “制定分期成片整治計劃，原則上以小區、社區為基本單元，依法開展違法建筑集中成片整治工作”。

但是傳統的人工巡查存在巡查力量、巡查時間、巡查范圍、巡查角度有限等問題，而遙感解譯排查由于受天氣、空域、衛星過境等影響，存在時效性不強，分辨率不高、難以獲得建筑物側面信息等問題。近年來快速發展的無人機技術及傾斜攝影技術為這些難題提供了較好的解決方案。無人機傾斜攝影應用于違法建筑查處工作，不僅能夠高效、快速地獲取地面建筑物頂面和側面的高分辨率影像，而且可以生成高精度、可量測的實景三維模型和真正射影像，進而實現對違法建筑的全方位排查、科學取證和非接觸性量測[3]，有效地解決傳統違法建筑查處工作中存在的“入戶難，量測難，取證難”的問題，在提高違法建筑查處效率，加大查處力度的同時，也大大節省了在違法建筑查處工作中的人力投入，降低了工作強度，為違法建筑查處工作提供了強有力的科學依據和技術支持。

2 無人機傾斜攝影

傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發展起來的一項高新技術，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過多角度拍攝采集影像，獲取地物不同方向的影像信息[4]，極大地擴展了遙感影像的應用領域，并使遙感影像的行業應用更加深入。而無人機具有機動靈活，飛行成本相對較低，受空域限制相對較小，飛行高度相對低，受天氣條件限制較小，影像分辨率高等優勢，成為常規航攝的有力補充[5，6]。將無人機與傾斜攝影結合起來，能夠快速獲取豐富的空間影像，嵌入精確的地理坐標信息，實現快速高精度三維建模[7]。

試驗區在重慶市主城區大渡口區某小區范圍，既有低矮房屋也有高層建筑，植被覆蓋茂盛，形狀近似三角形，占地面積約187畝，違法建筑現象較為普遍。通過現場踏勘，了解作業區域情況，選擇起降場地，了解氣象影響因素和重要設施分布，項目確定采用多旋翼搭載5鏡頭傾斜相機進行航攝。由于目前我國對低空空域并未完全開放，在無人機飛行前需要向空軍、民航安全監督管理局及民航空管局進行航飛空域申請。根據影像重疊度、分辨率、平臺續航能力等設計飛行架次、攝區航線高度、航線間隔、巡航速度、每個曝光時間間隔、影像最小分辨率等相關航攝參數。

在攝影過程中嚴密監控空中遙感系統飛行姿態參數，在獲取航攝影像后，及時對單張影像質量進行快速瀏覽，對不符合要求的及時進行補攝。同時為保證三維模型的建立及紋理貼圖要求，對范圍進行了適當的外擴。經過2個架次的航攝，共獲取試驗區12條航線 1 220張影像，其中下視影像244張，形成對試驗區域的完全覆蓋。獲取的傾斜影像效果如圖1所示：

圖1 從5個方向獲取的傾斜影像

3 正射影像底圖制作

正射影像底圖在違法建筑巡查中有三個作用，一是直接利用正射影像，套合規劃竣工圖分析判別地面與樓頂的違法建筑，二是作為最后違法建筑巡查的成果底圖，將疑似違法建筑的位置、面積、地址等信息與影像疊加，便于街道工作人員進行實地核實，三是將作為執法依據存檔，及進行違法建筑動態監測的基礎本底數據，對違法建筑的整治效果及新增違法建筑進行考核的基礎。

正射影像圖制作可利用傾斜攝影的下視影像，結合外業像控測量數據，通過傳統空中三角測量得到，這種方式質量可靠，但單獨生產正射影像增加時間和經濟成本；正射影像底圖也可以通過現在的快拼軟件直接得到快拼圖，效率較高，但精度低；還可以利用傾斜影像進行三維建模后輸出正射影像，相對來說耗時較長，但輸出的影像較接近真正射影像，投影差影響最小。

實驗區共布設4個像控點，通過三種方式進行正射影像制作，整體效果如圖2所示，細部放大圖如圖3所示。

圖2 從左往右分別為傳統空三、快拼、三維模型導出得到正射影像圖

圖3 細部放大圖，順序與圖2一致

從三種方式制作的正射影像可以看出，質量方面傳統空三方式制作的正射影像和通過三維模型導出的正射影像精度較好，快拼影像質量要差一些，尤其是高層建筑投影差明顯，甚至會出現錯位現象。三種方式制作正射影像的優缺點如表1所示。

DOM三種制作方式優缺點比較 表1

三種方式各有優缺點，可以在作業前期用快拼影像進行巡查，后期利用三維模型導出的正射影像作為底圖進行成果制作，這樣既能快速推進項目，同時保證成果圖質量。

4 三維實景模型制作

無人機低空遙感系統獲取的傾斜影像由于搭載的是非量測相機，且拍攝時角度差異大，從而導致了影像變形較大，迎光和逆光鏡頭獲取的影像色彩差異也很大，這些因素對影像的匹配帶來難度。同時，影像的大重疊度，小像幅帶來的海量數據等都對數據處理帶來不小的挑戰。項目采用ContextCapture軟件，基于多匹配基元、多視影像匹配技術，在試驗區四角外業測量4個像控點，根據自動空三解算出來的各影像外方位元素，分析與選擇合適的影像匹配單元進行特征匹配和逐像素級的密集匹配。項目利用單臺計算機(主要配置CPU 為i7 6 800 K，內存64 GB，顯卡NVIDIA GTX 1080)，試驗區全部影像進行空中三角測量耗時 24 h，建模耗時 15 h，得到試驗區的三維實景模型，模型效果如圖4所示。

圖4 實景三維模型效果(左為整體，右為細節)

5 精度檢測與質量評定

為準確評定三維模型的精度，在試驗區范圍內均勻選擇模型中的10個無遮擋特征點，進行外業實地打點檢測，點位分布如圖5所示。

將實地檢測的平面與高程值，與內業從模型中提取的平面和高程值進行比較，精度情況統計如表2所示。

通過精度統計可以看出，三維模型精度良好，無遮擋區域檢測點精度到達規范中 1∶500地形圖丘陵地形精度要求，即平面中誤差 0.3 m，高程中誤差 0.2 m，完全滿足違法建筑測量要求。

圖5 檢查點分布圖

精度檢查情況表 表2

6 違法建筑識別

首先利用正射影像巡查地面及樓頂的違法建筑，通過疊加竣工地形圖進行違法建筑判讀與識別，對區域內的建筑逐棟排查，如圖6所示。

圖6 正射影像圖疊加竣工測量圖進行違建巡查

三維實景模型可以方便地多角度觀察量取違法建筑，保證了識別的違法建筑真實可靠。逐棟排查完建筑物后再逐樓層排查房屋建筑物，將每一層的面積測量圖與相應的三維實景模型進行對比分析，如果發現房屋結構與面積測量圖不符，則可能是違法建筑。比如面積測量圖中是不計算面積的露臺，現在變成了房屋，則增建的房屋就是違法建筑。在三維實景模型中，我們可以量取違法建筑的高度、寬度、長度數據，這些數據可以作為我們判斷其是否是違法建筑以及是否按半面積計算違法面積的重要依據。利用三維實景模型進行違法建筑測量如圖7所示。

圖7 三維實景模型進行違法建筑測量

比如我們在三維模型中量取到違法建筑的高度是1.8 m，則我們利用正射影像標注出違法建筑的位置和占地面積后，需根據規范規定將高度低于 2.2 m的違法建筑面積按其占地面積的一半進行計算。這樣保證了我們量取的違法建筑的面積的可靠性。除此之外，我們還可以在三維實景模型中通過觀察判斷識別出違法建筑是否具有圍護結構、違法建筑的建造材料等信息。最后將通過正射影像識別的違法建筑和三維實景模型確定的違法建筑統一在正射影像底圖上標注，同時記錄違法建筑的位置、違法建筑的占地面積、違法建筑的類型等屬性信息。

7 巡查成果制作

違法建筑巡查的成果主要包括兩部分，一是整個巡查區域的違法建筑分布圖，以正射影像為底圖，疊加制作的違法建筑地理數據，添加圖例、指北針、比例尺、小區名等，如圖8所示：

圖8 違法建筑分布圖

二是違法建筑面積統計表，包括小區的違法建筑總表，可以看到小區違法建筑的總數量及總面積以及每一處違法建筑的詳表，包括位置、面積信息、樓棟號等詳細信息，如圖9所示。

8 結 語

本文通過對多旋翼無人機進行傾斜攝影、正射影像快速制作、基于正射影像和三維實景模型結合規劃竣工資料進行違法建筑識別、違法建筑巡查成果制作等全流程進行探索研究，形成了一套利用多旋翼無人機進行傾斜攝影輔助違法建筑巡查的技術體系，并成功在大渡口區開展應用試驗，通過大渡口區街道的現場核實，其準確度、精度及詳細程度均優于人工核查和衛星遙感影像排查效果，為大渡口區整治違建工作找到切實可行的辦法，并且在全區進行了推廣，經媒體報道后[8]在全區及全市產生巨大震懾作用，為落實《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》精神，“用5年左右時間，全面清查并處理建成區違法建設，堅決遏制新增違法建設”工作的開展打下良好的基礎。

圖9 違法建筑面積統計總表及明細表

隨著國家部委和重慶市對違法建筑整治的力度不斷加大，無人機傾斜攝影在違法建筑查處中的作用將越來越大，需要注意的是城區空域限制要加大協調力度，積極尋求空軍和民航等相關空域管理部門對項目的大力支撐。另外傾斜攝影產生的海量數據也對數據的處理和管理提出了較高的要求，需要引進大數據處理集群裝備，同時違法建筑巡查成果的管理、查詢和應用需要建立統一的數據庫，納入影像數據、規劃數據、核查數據等相關資料和信息，為整治計劃的制定和落實提供翔實準確的數據支撐，為違法建筑的整治、動態監管提供管理平臺，同時疊加其他專業數據可服務規劃、交通、公安、消防、市政等多個行業部門，應用前景廣闊。

[1] 重慶市人民政府關于進一步推進主城區違法建筑整治工作的通知[R]. 2014-12-30(5).

[2] 程倩. 我國城市違法建筑的形成及治理研究[D]. 青島：中國海洋大學，2011：5～6.

[3] 李德仁，劉立坤，邵振峰. 集成傾斜航空攝影測量和地面移動測量技術的城市環境監測[J]. 武漢大學學報·信息科學版，2015(4)：427～433.

[4] 王慶棟，艾海濱，張力. 利用傾斜攝影和3ds Max技術快速實現城市建模[J]. 測繪科學，2014(6)：74～78.

[5] 何漠. 小型旋翼類無人機飛行控制系統設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013：1～2.

[6] 多旋翼無人機的姿態與導航信息融合算法研究[D]. 長春：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，2015：1～2.

[7] 張春森，張衛龍，郭丙軒等. 傾斜影像的三維紋理快速重建[J]. 測繪學報，2015(7)：782～789.

[8] 郭曉靜. 創新手段摸家底 無人機“助陣”大渡口違法建筑整治工作[N]. 重慶日報，2016-07-08(8).

Research on the Application of Oblique Photography in Inspecting the Illegal Construction Projects

Zhou Zhiyong1，2，Ding Yulan1

(1.Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China；2.Chongqing Engineering Research Center of Geographic National Condition Monitoring，Chongqing 401121，China)

To remove all the illegal constructions gradually，the county governments need to concentrate on managing and controlling the illegal constructions according to law，by the means of investigation and verification. The traditional manual management has many problems，such as it is difficult to enter the personal houses，carry out the measurement，and take the evidence. In this paper，the oblique photography technology was applied. The orthographic images and the real 3D model were produced，and then the illegal constructions could be discovered in short time. The proposed method will improve the work efficiency，lower the cost，and strengthen the management. The new way for inspecting the in our illegal construction projects is founded in our study，and it has good promotional application values.

oblique photography；orthographic images；real 3D model；inspecting the illegal construction

1672-8262(2017)04-71-05

P231

A

2017—03—31

周智勇(1979—)，男，高級工程師，主要從事攝影測量與地理信息系統的生產與管理工作。

重慶市社會民生科技創新專項項目(cstc2015shmszx40007)