論空天地一體化輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術服務體系

吳亮，余華飛，王習祥，趙耀龍

(1.廣州市城市規(guī)劃自動化中心，廣東 廣州 510030； 2.華南師范大學 地理科學學院，廣東 廣州 510631)

論空天地一體化輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術服務體系

吳亮1*，余華飛2，王習祥1，趙耀龍2

(1.廣州市城市規(guī)劃自動化中心，廣東 廣州 510030； 2.華南師范大學 地理科學學院，廣東 廣州 510631)

對衛(wèi)星遙感技術在城鄉(xiāng)規(guī)劃督察現(xiàn)狀工作中的應用進行了分析。針對不足部分，提出以遙感監(jiān)測為主要手段，集成衛(wèi)星遙感、無人機航空攝影技術、地面移動測量技術和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的空天地一體化輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術服務體系，嘗試以督察圖斑快速定位與反饋技術、督察圖斑精確定位與分發(fā)技術和無人機航測與地面移動測量集成的三維高速建模與取證技術為支撐，配以規(guī)范的空天地一體化輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術指引，為衛(wèi)星督察工作開展提供技術支持。

城鄉(xiāng)規(guī)劃督察；督察圖斑；衛(wèi)星遙感技術；空天地一體化

1 引 言

近年來，隨著城市建設的加快，部分存在擅自變更城鄉(xiāng)規(guī)劃的情形，引發(fā)了一系列社會問題，給社會造成了不可挽回的損失[1]。在這一背景下，2006年起，住建部逐步在全國范圍內(nèi)，全面推廣城鄉(xiāng)規(guī)劃督察制度[2]。由此，該項工作一方面對土地利用總體規(guī)劃執(zhí)行情況和土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)進行復核，另一方面也為國土資源管理和土地執(zhí)法提供現(xiàn)時基礎資料和服務[3]。隨著城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作開展逐漸深入，督察工作量也相應加大，傳統(tǒng)的人工督察復核的工作方法難以完成。因此，伴隨著地球空間信息學的快速發(fā)展，遙感對地觀測技術、衛(wèi)星導航定位技術和衛(wèi)星通信技術等地理信息探測技術被引入到城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作中[4]，并取得良好成果。此外，為了彌補單純使用衛(wèi)星遙感技術，精度要求的不足。嘗試依托無人機航空攝影技術、地面移動測量技術與移動互聯(lián)網(wǎng)技術的迅速融合[5]，提出空天地一體化輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術服務體系，為城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作提供批量和快速反應的技術支撐，為進一步研制空天地一體化輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術服務平臺提供技術基礎。

2 衛(wèi)星遙感技術在城鄉(xiāng)規(guī)劃督察中的應用

衛(wèi)星遙感技術具有周期性觀測的優(yōu)勢[6]，應用在城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作中，可及時客觀地發(fā)現(xiàn)國務院審批城市總體規(guī)劃、風景名勝區(qū)總體規(guī)劃和有關方面批準的歷史文化名城保護規(guī)劃執(zhí)行中出現(xiàn)的問題[7]，是強化督察工作效果的一個重要手段。同時，也是加強城鄉(xiāng)規(guī)劃實施監(jiān)督、提升稽查執(zhí)法效能的重要手段。

此項應用的基本原理(如圖1所示)是通過對前、后兩期(不同時相)的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)進行糾正、融合、配準、鑲嵌、分類等預處理后做疊加分析；獲取城市用地發(fā)生變化的圖斑，與城市總體規(guī)劃數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗等可靠參考對比，判斷變化圖斑是否與經(jīng)過規(guī)劃審批，是否屬于“四線”強制性范圍，與城市總體發(fā)展規(guī)劃是否相符。進而為后續(xù)的人工外業(yè)核實、調(diào)繪和內(nèi)業(yè)修改、處理提供指導方向，最后進行成果匯總歸檔。

圖1 衛(wèi)星遙感技術輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作實現(xiàn)流程

但在實踐過程中，也發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星遙感技術在城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作應用中存在一定局限性和待完善的地方[8]。雖然通過衛(wèi)星遙感技術可以得到客觀準確的數(shù)據(jù)。但受到拍攝成本和拍攝條件等因素的限制，需要在遙感數(shù)據(jù)處理過程中融入較多的專題數(shù)據(jù)作為圖斑識別的參考，對專題數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式、坐標系、時間的統(tǒng)一性提出較高要求，數(shù)據(jù)標準化處理工作量較大。

同時受天氣因素影響，如華南地區(qū)的多云多雨天氣、華北地區(qū)的霧霾污染等，會延長遙感影像獲取時間間隔。致使部分城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作所采用遙感影像數(shù)據(jù)的獲取時間與實地督察時間存在較大差距，提取的遙感影像成果無法匹配現(xiàn)時的城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作，導致衛(wèi)星遙感識別成果大打折扣。

3 空天地一體化輔助城市規(guī)劃督察技術服務體系

廣州市自2010年以來，逐步開展利用衛(wèi)星遙感技術輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作，在維護城鄉(xiāng)總體規(guī)劃的嚴肅性、監(jiān)督規(guī)劃實施等方面取得了明顯成效。本文在前期工作基礎上提出一套以遙感監(jiān)測為主要手段，集成衛(wèi)星遙感、無人機航測技術、地面移動測量技術和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的空天地一體化輔助城市規(guī)劃督察技術服務體系(如圖2所示)。以督察圖斑快速定位與反饋技術、督察圖斑精確定位與分發(fā)技術和無人機航測與地面移動測量集成的三維高速建模與取證技術為支撐，配以規(guī)范的空天地一體化輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術指引，以期為城市規(guī)劃管理部門進行衛(wèi)星督察起到技術支持的作用。這三個技術在衛(wèi)星遙感、無人機航測和地面移動測量的技術支持下，通過移動互聯(lián)網(wǎng)技術搭建的瞬時網(wǎng)絡，按照規(guī)范的技術指引，快速完成督察圖斑快速核查、精確定位、現(xiàn)場取證和及時處理的城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作。

圖2 空天地一體化輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術總框架

4 督察圖斑快速核查與反饋技術

由于督察范圍擴大，督察圖斑數(shù)量增加，導致原本精度就不高的督察圖斑存在更多的誤判；而在核查過程中還存在手動截圖等耗時處理的過程，大大拖延了城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作的進程。因此借助督察圖斑快速核查與反饋技術(如圖3所示)，快速剔除誤判圖斑以及判定問題圖斑的變化屬性極有必要。在空天地一體化輔助城市規(guī)劃督察技術服務體系的框架下提出利用多尺度衛(wèi)星影像變化檢測技術，基于衛(wèi)星影像光譜紋理特征相似性，對督察圖斑實現(xiàn)快速預查預判，統(tǒng)計匯總沒有發(fā)生變化的誤判圖斑；將預查預判后確定發(fā)生變化的督察圖斑對照總體規(guī)劃和控制性規(guī)劃數(shù)據(jù)，咨詢專家意見，進行對比分析，初步確定督察圖斑的變化屬性，最后統(tǒng)計匯總，及時向住建部進行初步反饋。

圖3 督察圖斑快速核查與反饋技術框架

5 督察圖斑精確定位與分發(fā)技術

當前督察圖斑與高精度地理數(shù)據(jù)疊加使用時存在位置偏移現(xiàn)象，導致督察圖斑范圍擴大。這些問題的發(fā)生通常由于參考坐標系格式、比例尺或邊界檢測不一致產(chǎn)生。本文提出通過融入基于像方的邊緣檢測以及基于物方的邊緣檢測，實現(xiàn)督察圖斑精確定位與分發(fā)技術(如圖4所示)最大限度降低這些誤差的影響。

圖4 督察圖斑精確定位與分發(fā)技術框架

通過坐標格式轉(zhuǎn)換功能模塊對高分衛(wèi)星影像、LiDAR點云數(shù)據(jù)、DSM數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)等相關數(shù)據(jù)進行坐標統(tǒng)一處理，保證所有數(shù)據(jù)處于同一地理坐標框架；應用高分衛(wèi)星影像的光譜指數(shù)對督察斑塊覆被變化進行預判，基于預判結果探索高分衛(wèi)星影像中建筑物、道路的邊緣特征提取算子，完成基于像方的邊緣梯度檢測；最后基于輪廓點和邊線特征的自動配準，進一步校準督察斑塊位置，完成初步篩選。接著開展LiDAR點云分割、DSM高程信息輔助的邊界特征提取算子，完成基于物方的邊緣梯度檢測。最終融合像方和物方信息消除假邊緣和完善邊界，提供精確的范圍形狀，實現(xiàn)高分衛(wèi)星和LiDAR點云融合的衛(wèi)星督查圖斑定邊定界工作。獲取準確督察斑塊邊界后按照行政區(qū)劃分發(fā)指導督查斑塊核查工作的開展。

在督察圖斑精確定位與分發(fā)技術中，坐標格式轉(zhuǎn)換功能模塊較好地解決了多源數(shù)據(jù)坐標系不一致的問題；實現(xiàn)無人機航測的LiDAR點云數(shù)據(jù)與高分衛(wèi)星影像的融合，大大提高了源數(shù)據(jù)的質(zhì)量；采用基于像方和物方的邊緣檢測法相結合的方式有利于降低影像陰影和遮擋、數(shù)據(jù)精度等影響因素造成的誤差。此項技術有利于提高督察工作人員的工作效率，較好解決政府在收集督察斑塊規(guī)劃編制與現(xiàn)狀地形不匹配的問題。

6 無人機航測與地面移動測量集成的三維高速建模與取證技術

在城市規(guī)劃督查工作中傳統(tǒng)的現(xiàn)場核查方式以走巡的方式為主，單純依靠相機拍攝記錄現(xiàn)場情況，這樣的做法降低現(xiàn)場取證的嚴謹性，不利于現(xiàn)場實況的保存，且對督察斑塊的實地邊界沒有確切掌握，不利于督察工作人員的監(jiān)督工作的開展。為此本文在空天地一體化輔助城市規(guī)劃督察技術服務體系的框架下提出無人機航測與地面移動測量集成的三維高速建模與取證技術，以求在得到督察圖斑精確定位引導后，快速提取實地邊界，進行現(xiàn)場航拍和三維實景高速建模，為后續(xù)對督察圖斑的違法性質(zhì)判定提供有力的參考，保留真實有效的現(xiàn)場模型證據(jù)，如圖5所示。

圖5 三維高速建模與取證技術框架

在利用督察圖斑精確定位與分發(fā)技術獲取督察圖斑的精確邊界后，使用無人機進行現(xiàn)場航拍，借助無人機實時快速控三和快速拼接的方法，實現(xiàn)輻射矯正和中心投影變換矯正，通過移動互聯(lián)網(wǎng)技術搭建的瞬時網(wǎng)絡提供現(xiàn)場影像的實時傳輸和審核機制下的核查影像優(yōu)先傳輸，實現(xiàn)快速預查預判。利用無人機航拍彩紅外影像的邊緣梯度提取技術，實現(xiàn)快速實地邊界提取，以支持無人機傾斜攝影技術與地面移動測量技術的集成實現(xiàn)督察圖斑的三維實景快速建模獲取目標的三維實景，然后進行數(shù)據(jù)傳輸與入庫。基于現(xiàn)場航拍影像和三維實景模型，復查控規(guī)和控制性詳細規(guī)劃的數(shù)圖文件，聽取專家意見，核定督察圖斑違法性質(zhì)，最終統(tǒng)計匯總，制作專題報告，入庫歸檔。

借助無人機的快速成像與數(shù)據(jù)傳輸功能，大大縮短影像獲取時間，加快督察工作進程；無人機航拍的穩(wěn)定性和高分辨率的航拍影像提供現(xiàn)場的高清即時影像；無人機傾斜攝影技術與地面移動測量技術的集成實現(xiàn)三維實景快速建模為判斷督察圖斑違法性質(zhì)提供更嚴謹?shù)膮⒖迹岣叨讲旖Y果可靠性。在空天地一體化輔助城市規(guī)劃衛(wèi)星督察技術服務體系的框架中融入無人機航測與地面移動測量集成的三維高速建模與取證技術，有利于提高城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作的準確性，有效提升違規(guī)用地查處力度。

7 結 語

隨著國家對土地規(guī)范建設問題的重視，城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作量隨之加大，有必要在科技高速發(fā)展新形勢下對城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作做出新的探索。本文提出以遙感監(jiān)測為主要手段，集成衛(wèi)星遙感、無人機航空攝影技術、地面移動測量技術和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的空天地一體化輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術服務體系，實現(xiàn)督察圖斑信息采集、查勘、處理、歸檔的信息自動化系統(tǒng)管理，提高信息提取的準確性和現(xiàn)勢性，為進一步研制空天地一體化輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃督察技術服務平臺提供技術基礎。下一步將逐步完善形成完整的技術指引，制定督察工作各階段成果驗收標準，建立空天地一體化督察技術使用標準與標準參考數(shù)據(jù)庫，提供快速的核查結果審核、匯總和及時網(wǎng)絡發(fā)布工作流程機制，增強各個環(huán)節(jié)的連接性，提高督察工作效率，確保城鄉(xiāng)規(guī)劃督察工作高效開展。

[1] 趙志國. 對城鄉(xiāng)規(guī)劃督察模式的幾點思考[J]. 中國機構改革與管理，2013(11)：24～25.

[2] 張明. 城鄉(xiāng)規(guī)劃督察對策研究[C]. 2010中國城市規(guī)劃年會論文集[A]. 2010.

[3] 何濤，王樹文. 遙感技術在城鄉(xiāng)規(guī)劃建設督察中的應用——城市用地現(xiàn)狀監(jiān)測[J]. 影像技術，2012，24(4)：52～56.

[4] 李德仁. 論空天地一體化對地觀測網(wǎng)絡[J]. 地球信息科學學報，2012，14(4)：419～425.

[5] 程崢，張文莉. 無人機航空攝影測量在地形測繪中的應用探微[J]. 工程技術：引文版，2016(3)：00268～00268.

[6] 李鹍. 基于遙感與CFD仿真的城市熱環(huán)境研究——以武漢市夏季為例[D]. 武漢：華中科技大學，2008.

[7] 仇保興. 強化城鄉(xiāng)規(guī)劃督察制度履行好督察員職責[J]. 城鄉(xiāng)建設，2010(11)：6～13.

[8] 陳志剛，蔡輝. 遙感監(jiān)測技術在土地例行督察中的應用[J]. 國土資源情報，2009(2)：52～56.

The Research of Urban and Rural Planning Supervision Technical Service System with Space Earth Integration Method

Wu Liang1，Yu Huafei2，Wang Xixiang1，Zhao Yaolong2

(1.Guangzhou Urban Planning Automation Center，Guangzhou 510030，China；2.School of Geography，South China Normal University，Guangzhou 510631，China)

This paper based on the analysis of application of satellite remote sensing technology in urban and rural planning inspectors work and it’s deficiencies，put forward to remote sensing monitoring as the main means，integration remote sensing，aerial photography，ground mobile surveying technology and mobile internet technology to formulating an Urban and Rural Planning Supervision technical service system. With the map spot inspector fast positioning and feedback technology，map spot inspector accurate positioning and distribution technology，UAV aerial survey and ground mobile surveying technology，the multi-method fusion of three-dimensional rapid modeling and forensics technology as a technical support，with standard of space earth integration method guidelines for the planning management departments provide technical support to carry out the work of satellite inspector work.

inspector of urban and rural planning；map spot inspector；satellite remote sensing technology；space earth integration

1672-8262(2017)04-76-04

P237

A

2017—05—23

吳亮(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事城市規(guī)劃、勘測、信息化等專業(yè)工作。