基于傾斜攝影的城鎮違法用地監測系統研究

曹端廣鄭國強馬銀張子民賈德芳

(山東建筑大學 測繪地理信息學院，山東 濟南250101)

0 引言

城鎮違法用地和違章建筑監測屬于全國土地調查工作的范疇，是一項重大的國情國力調查，是查實查清土地資源的重要手段。 但是，目前該項工作的開展仍存在較大的局限性，尤其是違法用地圖斑核查結果數據缺乏真實性和現勢性，這將降低城鎮違法用地監測的準確性，對土地可持續集約利用具有負面影響[1]，進一步影響到國家對土地利用和城市規劃的統一部署[2]。 當前國內外大多采用傳統的違法用地監測工作方法，主要采用人員地面實地調研查看、衛星遙感影像比對和傳統航空攝影技術等手段開展工作[3]。 其中，地面實地調研查看方式需要大量人力、物力，工作效率較低；衛星遙感影像數據下發周期長，獲取的土地變化信息滯后性較明顯，很大程度上影響宏觀調控的效果，同時衛星遙感數據解譯精度不能完全滿足違法用地解譯精度的要求，且存在投入產出不對等的缺點；航空攝影受空域管制和氣候等因素制約，且成本較高。

國內有較多學者對城鎮違法用地監測進行了相關的研究。 楊宏光等[4]提出利用高分辨率遙感影像監測城鎮違法違規建筑用地，這也是目前國內大部分相關工作單位開展工作的手段。 為了解決以往依靠人工實地核查調研存在的效果差、效率和準確性較低等問題，曾凡洋等[5]提出了利用微型無人機進行違法用地和違法建設動態監測的思路，雖然此方法提高了獲得的相關數據的精度，但是監測工作依靠的數據仍然局限于二維數據層面，較三維模型數據仍存在局限性。 薛雁明等[6]首次提出了將傾斜攝影應用于地理國情普查與監測工作中，闡述了地理國情普查與監測的現狀，并簡單介紹了傾斜攝影測量技術以及三維模型的建模流程，分析了將三維模型應用于國情普查工作中的優點。

在現有研究的基礎上，文章提出了利用傾斜攝影生成三維模型進行城鎮違法用地監測的思路，并總結得出了基于傾斜攝影技術的高精度三維模型制作和生產流程，在此基礎上開發了一套完整的基于傾斜攝影的城鎮違法用地三維核查系統，并對系統的測量數據進行精度評定，以驗證系統的可靠性和可行性。 文章的研究思路及開發的核查系統，為違法用地監測部門提供新的工作手段，有利于提高監測準確度及工作效率。

1 研究方法

1.1 基于高分辨率影像的違法用地圖斑的獲取

傾斜攝影相機具有多個鏡頭，能夠同時獲取同一地物多方向上的影像，從而獲得地物多視角影像和詳細的側面信息。 利用獲取的照片數據，通過軟件生成高分辨率正射影像，對正射影像的分塊目視解譯，可以發現存在疑似違法用地和違法建設的區域。 對處于城中村中心等人力巡查難以到達的區域，無人機監測具有巨大的優勢，讓“兩違”現象無處遁形。

在違法用地監測工作中，將兩期間隔拍攝的無人機正射影像進行對比，或將無人機正射影像與上一年度年底獲取的高分辨率衛星影像進行對比，分辨出變化區域，即可得到兩期影像之間的變化圖斑。將變化圖斑與土地利用現狀矢量數據進行空間疊加分析，得到每一個變化圖斑內土地利用現狀類型。

1.2 高精度實景三維模型的制作

采用傾斜攝影測量技術進行三維實景建模，其核心技術包括數據獲取、數據預處理、空中三角測量、傾斜影像密集匹配、數字地表模型DSM(Digital Surface Model) 點云生成、構建不規則角網TIN(Triangulated Irregular Netwrk)模型、自動紋理映射和三維實景建模等。 其中，關鍵步驟為空中三角測量、自動生成三維模型和紋理映射，為后續的數據處理、三維建模提供數據支撐。 空中三角測量、三維實景建模自動化水平的提高極大地便利了三維實景重建[7]。

1.3 數據獲取及處理

建模的原始數據主要包括了傾斜影像數據、高精度位置和姿態測量系統 POS (Position and Orientation System)數據、地面像控數據。 鑒于無人機體積小、易于攜帶，技術門檻低、易于推廣，文章采用大疆Pro 4 無人機進行傾斜影像數據采集。

在無人機地面控制系統中進行航線規劃，設置飛行高度、航向和旁向重疊度、起飛和降落地點等參數。 在飛行之前對無人機進行調試、磁場校準，檢查無誤后起飛。 無人機在航飛途中，會自動下載相應的POS 數據到飛控系統[8]。

Smart3D 軟件采用世界先進的計算機視覺三維重建算法[9]，只需結合飛行過程中獲取的POS 數據即可解算出精確外方位元素。 采用多基線多特征匹配技術可生成大量的連接點[10]，結合少量的外業控制點，通過區域網平差步驟，從而完成了多視角聯合空中三角測量，得到空中三角測量報告；隨后根據聚簇算法和基于面片的密集匹配算法，實現高密度點云初步構建[11]；最終由超高密度點云構建的TIN 網模型結合紋理映射實現實景三維模型的構建。

1.4 違法用地監測流程

違法用地監測流程如圖1 所示。 具體流程為(1) 將兩期間隔拍攝的無人機正射影像進行對比，或將無人機正射影像與上一年度年底獲取的高分辨率衛星影像進行對比，分辨出發生變化的區域，即可得到兩期影像之間的變化圖斑；(2) 將利用傾斜攝影技術獲取的變化圖斑照片做為原始數據，利用Smart3D 軟件進行實景三維模型的建構，并將三維場景模型上傳至所開發的違法用地監測平臺服務器端，同時將城市建設用地審批文件、原始圖斑文件等其他輔助資料一同上傳至監測平臺服務器端；(3) 服務器接收詳盡資料后，由客戶端對違法用地圖斑進行審核，人工交互審核完成后對審核結果進行統計匯總，統計不同地區違法用地數量和違法用地占總用地比例等。

圖1 違法用地監測流程圖

2 違法用地監測系統設計及實現

為了提高城鎮違法用地監測工作效率，突破傳統以二維影像作為監測依據的局限性，解決人為目視解譯帶來的誤差和不確定性等問題，以三維場景的形式更加客觀、公平、嚴謹地進行檢查審核，因此需要開發基于傾斜攝影的城鎮違法用地監測系統。這符合智慧城市的發展方向，讓數據傳輸、監測審核、數據存儲等一系列工作實現線上運行。

2.1 系統設計

2.1.1 系統架構設計

城鎮違法用地監測系統架構設計如圖2 所示。系統采用B/S 架構，以IDEA 作為開發工具，JavaScript 和C＃作為開發語言，Oracle 作為數據庫進行系統搭建。 其中(1) 系統通過Smart3D 軟件將無人機傾斜攝影數據進行三維建模；(2) 將傾斜攝影三維模型加載到SuperMap iDesktop 9D 軟件中生成配置文件并添加到三維場景；(3) 通過SuperMap iServer 9D 軟件將處理好的三維數據發布成能調用的三維場景服務。

圖2 城鎮違法用地監測系統架構設計圖

2.1.2 數據庫設計

系統采用地理數據庫和關系數據庫進行數據的存儲，三維場景模型存儲在SuperMap 地理數據庫中，建設用地審批文件信息和系統量測的建筑物高度、用地面積等信息存儲在Oracle 數據庫中，通過數據訪問層來進行訪問。 Oracle 數據庫中有國土用地和違法用地兩個數據表，字段類型相同。 違法用地數據結構見表1。

表1 違法用地數據結構表

2.1.3 系統功能模塊設計

基于傾斜攝影的城鎮違法用地監測系統有國土用地和違法用地數據管理、違法用地核查、數據統計分析、系統管理以及測高測距測面等量測功能，其功能模塊如圖3 所示。

圖3 系統功能模塊圖

2.1.4 系統工作流程

城鎮違法用地監測系統的具體工作流程如圖4所示。

圖4 系統工作流程圖

用戶通過瀏覽器打開系統登錄界面，輸入用戶名和密碼登錄。 新用戶需進行注冊，管理員可以通過系統管理對用戶進行審核和設置權限。 登錄成功后進入系統的首頁，在國土用地中存放了已經編號的地塊，用戶點擊相應的地塊，地圖窗口跳轉至相應的傾斜攝影三維模型處，使用測高和測面按鈕對建筑物進行量測；根據量測的數據和審批文件要求進行對比，如果合格，則審核通過；如果不合格，那么將該地塊標注為違法用地并存放于違法用地數據中。 核查用地是用來對違法用地進行二次審核，如果該地塊后期整改了，那么將通過審核，反之繼續列為違法用地。 統計分析功能模塊可以根據不同的地區、年份對土地進行分析，統計違法用地占總地塊的比例以及不同地區對違法用地的整改效率。

2.2 系統實現

2.2.1 發布和瀏覽大數據量的傾斜攝影三維模型

傾斜攝影三維模型數據量大，為了實現大數據量的發布和網頁中的快速加載，主要通過SuperMap的iDesktop 和iServer 實現。 無人機傾斜攝影數據通過Smart3D 軟件建模，生成osgb 格式的傾斜攝影三維模型數據，將數據導入SuperMap 的iDesktop中，生成scp 配置文件并對數據進行壓縮，以此來提高效率，將三維模型添加到新的三維場景中并保存工作空間。 在SuperMap 的iServer 中發布此三維模型工作空間，在網頁中通過Cesium 進行調用[12]，實現傾斜攝影三維模型在以Cesium 的三維地圖為場景的快速加載。

2.2.2 對建筑物進行高度和面積等空間測量

量測功能模塊主要通過超圖的MeasureDistance和MeasureArea 類計算空間量測結果[13]，包括空間距離、空間面積、高程、依地距離、依地面積和水平距離等多種形式。 該功能在三維場景中通過單擊測距、測高、測面按鈕實現。

2.2.3 統計分析功能

此功能是用來統計不同地區違法用地數量及占總用地比例。 國土用地中無論是合法用地還是違法用地，所有地塊信息都存儲在Oracle 數據庫中，地塊擁有ID、坐標、行政區、是否違法等屬性字段。 使用Mybatis 做持久化框架查詢數據庫中的數據，基于HTML5 的Echarts 與ArcGIS JavaScript API 的專題制圖方法[14]，將查詢得到的數據制作成柱狀圖和餅狀圖在網頁中顯示。

3 違法用地監測系統精度評定

為保證系統數據測量的精度滿足城鎮違法用地監測工作的需要，對基于傾斜攝影的城鎮違法用地監測系統進行精度評定。 以濟南市歷城區2018 年公布的部分違法用地為例，對保利銀座幼兒園、辛祝路小別墅等10 個標志性建筑物的高度和面積在系統中進行測量。 建筑物高度取建筑物最頂端，建筑物面積為建筑物的占地面積；利用全站儀和激光測距儀對所選取建筑物的高度和面積進行實地測量。將實地測量得到的數據作為基準和系統測量結果進行誤差分析，具體結果見表2。

表2 建筑物實地測量與系統測量數據表

國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化委員會發布的GB/T 14268—2008《國家基本比例尺地形圖更新規范》中給出了精度估算公式[15]，由式(1)～(3)表示為

式中:di為較差；a1為系統中建筑物的高度或面積；a2為地面實測建筑物的高度或面積；MD為等精度中誤差；MG為高精度中誤差；n為選取的樣本數。

利用式(1)做系統高度(面積)與實測高度(面積)差值得到較差，并通過式(2)、(3)計算等精度中誤差和高精度中誤差，計算結果見表3、4。

由表3 可知，系統中測量的建筑物高度和實測高度較差在-0.05 ～0.07 m，董家村倉庫系統高度和實測高度較差最大，和潤幸福城北側建筑系統高度和實測高度較差最小，其中所選的10 幢建筑物的高度測量等精度中誤差為±0.03 m，高精度中誤差為±0.05 m。 精度完全滿足違法用地監測的工作要求。

表3 建筑物高度測量誤差統計表/m

表4 建筑物面積測量誤差統計表/m2

由表4 可知，系統中測量的和實測建筑物面積較差在-1.95～2.8 m2，保利銀座幼兒園系統面積和實測面積較差最大，孟家村辦公樓系統面積和實測面積較差最小。 所選的10 幢建筑物的面積測量等精度中誤差為±1.14 m2，高精度中誤差為±1.61 m2。精度完全滿足違法用地監測的工作要求。

4 結語

文章采用無人機傾斜攝影獲得監測地物的影像，利用Smart3D 軟件建構實景三維模型，開發了基于傾斜攝影的城鎮違法用地監測系統，技術流程可以概括為“三獲取二對比”，即獲取歷年遙感影像、傾斜攝影模型、審批文件；兩期遙感影像對比得出變化區域，傾斜攝影模型與審批文件對比得出監測結果。 以濟南市歷城區部分違法違章建筑物為例，對系統三維模型的高度和面積精度檢驗的結果進行分析，其表明:建筑物高度測量等精度中誤差為±0.03 m，高精度中誤差為±0.05 m；面積測量等精度中誤差為±1.14 m2，高精度中誤差為±1.61 m2。 精度完全達到違法用地監測的工作要求，系統可以為違法用地監測提供服務。