基于多源數據的建筑信息普查與建庫技術研究

吳國華

(福州市勘測院有限公司，福建 福州 350108)

1 引 言

隨著經濟的快速發展和城鎮化的不斷推進，城市的數量和規模亦迅速發展壯大，而作為城鎮中主要元素的建筑物信息化水平往往顯得滯后，難以滿足智慧城市建設和城鎮精細化管理的需求[1]。為全面掌握全市各類建筑物的現狀分布情況，核準各類建筑物的屬性信息，從而建立統一、完整、準確的建筑物時空信息庫[2]。

2 普查建庫內容

(1)AOI(Area of Interest指電子地圖表達區域的地理實體，如居民小區、單位院落、產業園區、一個景區或一個體育館等，相對POI興趣點也稱為興趣面，通常比POI具有更好的表達力，更好的計算力，更好的穩定性)數據普查。

(2)建筑物(Building)數據普查，指具有頂蓋、梁柱、墻壁、基礎，能夠形成一定的內部空間，滿足人們生產、生活及其他活動需要的工程實體[3]。

(3)建筑物照片數據采集建庫，采集對應建筑物的名址圖片、遠近景正面照、立面材質圖片等。

3 建筑物普查建庫流程

建筑物普查建庫是以多源數據整合為基礎，然后對融合后建筑物圖形和屬性數據疊加正射影像等數據更新修測制作調查電子底圖，再利用定制開發的普查App進行外業調查補充，最后對普查后的數據進行整合入庫工作。普查建庫總體流程如圖1所示：

圖1 建筑數據庫建設實施路線

3.1 數據庫設計

(1)數據庫組織結構設計

由于房產數據庫在應用管理上多以房產丘為單元，因此建筑物數據庫定義了類似房產丘的院落單元AOI。而建筑物數據則從空間圖形和非空間的屬性兩個方面進行建庫表示，另外以建筑物照片作為輔助信息。建筑物數據庫的組織結構如圖2所示：

圖2 數據庫組織結構

(2)建筑物數據表字段設計

根據建筑物時空屬性信息表現設計建筑物數據表字段如表1所示：

表1 建筑物屬性信息數據源分析表

3.2 源數據收集分析

(1)源數據收集分析

按照建筑物數據庫數據特征對應源數據的類型、標準、來源、特性、可靠性、用途等進行綜合考量，形成源數據收集分析表。根據建筑物地物特征及表示方式，把源數據分為空間圖形數據和非空間的屬性信息數據兩種類型[4]。具體如下：

①空間圖形基礎數據：大比例尺DLG數據、竣工測量數據、放樣數據、高分辨率數字正射影像、激光點云成果、傾斜攝影成果；

②非空間屬性數據：房產整合的樓房數據、建筑物城建檔案、標準地址二維碼數據等。

(2)源數據預處理

主要是對源數據完整性檢查、數學基礎統一、源數據質量檢查等預處理工作。

①源數據完整性檢查，對收集源數據的元數據、范圍、圖層、屬性內容以及由于分幅或作業區域劃分等因素被分割為若干部分的地圖地物要素等進行檢查。

②數學基礎統一，主要是對源數據進行格式統一和坐標系統一。

③源數據質量檢查，主要是對源數據進行幾何形狀檢查、空間位置檢查、拓撲關系檢查、邏輯性檢查、屬性檢查等。

3.3 源數據融合更新

對完成預處理的各類源數據分別進行空間圖形和非空間的屬性的融合處理。

(1)圖形數據融合

圖形數據融合主要包括AOI和建筑物圖形數據的融合。AOI數據主要是對宗地、地籍、房產丘地塊等源數據的院落范圍進行比對分析、邊界調整等融合處理；建筑物圖形數據預整理主要包括建筑物圖元的分類、合并及拆分等邏輯棟關系融合。

(2)屬性數據融合

AOI、建筑物屬性數據生產加工包括分析提取、對照判斷、信息融合等屬性信息融合處理工作。

(3)數據更新

對融合處理后的AOI數據、建筑物數據疊加最新現勢性的正射影像數據進行數據更新修測，以保持待調查數據的現勢性。

3.4 外業普查

外業普查是利用采集App由普查員按順序對建筑物所在AOI及AOI內建筑物圖形和屬性信息進行核查、補充更新采集工作。采集過程中首先需要確認AOI的四至范圍及名址信息，然后采集AOI范圍內的建筑物位置圖形、屬性信息、并拍攝建筑物照片信息。

3.5 數據整合入庫

(1)數據內業整合

對調查完成的數據進行內業整合，主要是對采集的圖形及屬性信息進行關聯整合及標準化處理，同時檢查數據的完整性，對有遺漏的數據需及時退回進行補充調查。

(2)數據質量檢查及入庫

對完成整合的建筑物數據進行入庫前質量檢查，包括完整性檢查、空間檢查、屬性信息檢查、關聯關系檢查、邏輯一致性檢查等，檢查合格后才可以進行數據入庫操作[5]。

4 普查建庫實例

本文以福州市城區建筑物普查為例，按照普查實施的具體作業步驟來詳細介紹建筑物普查建庫的具體技術實現。

4.1 源數據收集分析

根據建筑物數據庫設計把收集的源數據分為空間圖形數據和非空間的屬性數據兩大類[6]。空間圖形數據包含AOI數據和建筑物數據。非空間的屬性信息主要從各類建筑物相關專題數據及輔助參考數據中獲取。從數據來源、特性、用途和數據優先級等方面對各類數據源進行分析，形成AOI和建筑物數據源分析表如表2和表3所示：

表2 AOI數據源分析表

表3 建筑物數據源分析表

4.2 源數據整合

(1)AOI圖形數據整合

AOI整合是以宗地數據、房產丘地塊數據、單位院落數據、DLG數據、進行AOI的預整合，然后疊加高分辨率DOM數據、區劃網格數據及POI興趣點數據進行檢查驗核。

①AOI數據提取：從宗地數據、房產丘地塊數據、單位院落數據、DLG數據中提取院落范圍面作為AOI基礎數據。根據不同數據源中院落范圍面的地物要素的類型特征提取所需的AOI相關要素，具體包括宗地范圍線、房產丘范圍面、院落范圍面、DLG數據的圍墻、柵欄等作為AOI基礎范圍邊界線。

②AOI數據融合：AOI數據的融合是以房產丘地塊數據作為融合的基礎數據，通過與其他多源空間數據融合處理及驗核判斷后生成AOI成果數據。具體AOI數據融合的流程圖如圖3所示：

圖3 AOI數據融合流程圖

步驟一：AOI融合預處理以房產丘地塊數據作為基礎數據，參照宗地數據、院落數據進行預處理，即提取多源的AOI數據進行比對，對有沖突的AOI數據進行判斷調整；

步驟二：參照大比例地形圖數據、竣工測量數據，對經過預處理的AOI數據進行AOI數據疊加分析、數據融合、節點優化等；

步驟三：疊加區劃網格及高分辨率DOM數據、POI數據進行檢查驗核，通過驗核的院落數據即為AOI數據成果。

(2)建筑物圖形數據整合

①建筑物圖形數據提取：從DLG數據、竣工測量數據等源數據中提取建筑物輪廓面作為建筑物基礎數據。具體提取的建筑物相關要素如一般房屋、簡單房屋、建中房屋、放樣房屋、架空房屋、飄樓、陽臺等。

②建筑物圖形數據整合：由于大比例尺DLG等源數據的建筑物圖形是對建筑物頂面細部的精細化表達，這樣一棟物理獨立的建筑物往往分割成多個邏輯建筑，需對分割的邏輯建筑進行整合處理，具體整合處理示意圖如圖4所示：

圖4 建筑物整合

建筑拆分是指建筑有裙樓或錯層時，當主體樓與裙樓或層次間的高差大于等于 2.2 m，且單一投影面積達到 64 m2的建筑主體外的樓體[7]。建筑體積(面積×高度)占建筑總體積比例最大的結構優先認定為建筑主體結構。當建筑物由兩個及兩個以上體量建筑組合成一體時，需要將首層或多層相互連通公用的底商和上面的塔樓按不同的樓號、樓名進行分割表示，具體處理示意圖如圖5所示：

圖5 建筑物整合

(3)圖形數據更新

對經過提取整合的AOI及建筑物圖形數據疊加最新現勢性的高分辨率正射影像數據，進行AOI、建筑物面更新修測，以保持AOI及建筑物數據的現勢性。

(4)屬性數據整合

建筑物屬性字段整合是盡可能整合各類源數據中已有可利用信息，使建筑物屬性信息盡量齊全完整，不同屬性字段整合過程如下。

①建筑物編碼：是以福州市統一劃分的城市基礎網格為基礎，對網格內建筑先進行單元劃分再賦予編碼。編碼采用7層27位層次碼結構，由城市基礎網格代碼、建筑代碼以及業務管理拓展碼構成。具體編碼結構圖如圖6所示：

圖6 建筑編碼結構圖

②詳細地址：指民政部門編制的建筑物門牌地址，基本格式為“××區××街道××路(街、巷、坊)××號”，通過外業掃描對應二維碼獲取。

③所在街道、社區：建筑物所在街道、社區字段通過其與街道、社區網格進行空間疊加獲取所在街道、社區的屬性信息。

④建筑名稱：指建筑物當前使用的名稱，原則上是院落名稱加樓名的組合。

⑤標準名稱：指在民政局官方批準名稱，主要從地名辦的檔案庫中統一獲取。

⑥項目名稱：建筑物在立項、審批過程中形成的名稱。其獲取的優先級順序是，首先從竣工測量報告中提取，其次從地名辦檔案中提取，兩份資料都沒有的，從房產數據庫中補充。

⑦建設單位名稱：指投資建設該建筑物的業主單位名稱。其獲取的優先級順序是，首先從竣工測量報告中提取，其次從房產數據屬性庫中關聯提取。

⑧結構類型：建筑結構一般是指其建筑的承重結構和圍護結構，其屬性從DLG數據的屬性字段中獲取。對于結構復雜的建筑物，根據建筑物構件圖元的建筑物面積值的大小排序，以建筑物面積值大的構件圖元建筑物結構屬性值為整棟建筑物的結構類型值。

⑨建造年代：指建筑物的竣工時間。福州自2000年以后建成建筑物有竣工資料，統一從竣工測量報告中提取建造年代；以前無竣工資料的，從房產數據屬性中獲取；對于房產數據中沒有建設年代的建筑物，再利用多時相影像的時空性人工判定建筑物建筑年代；對于年份久遠的古建筑采用實地調查建筑物年代。

⑩建筑層數：指層高大于2.2 m的樓板結構分層層數。當一幢建筑有兩個以上的建筑組合，按最高體量的構件圖元自然層數計算建筑層數。具體建筑層數屬性從DLG數據中提取“實際層數”屬性。

4.3 調查底圖制作

調查電子底圖應以衛星遙感影像為背景，以福州市綜治網格為普查任務單元，將調查任務單元內AOI以范圍線表示并標注其名稱，將調查任務單元內建筑物以外輪廓表示并標注樓棟號等基本信息，以方便外業核查編輯使用。

4.4 普查App研發

根據建筑物普查業務需求，研發普查應用系統，應用系統采用數據-服務-應用三層體系架構如圖7所示：

圖7 建筑物普查應用系統架構圖

其中數據層包括基礎底圖、分區數據、專題數據、標繪數據、用戶數據等；服務層是基于Restful Service技術來實現數據層與應用層的分離，具體服務包括，用戶管理、底圖控制、區域劃分、沙盤標繪、統計分析、數據導入導出等；應用層則負責與普查用戶的交互應用，分為PC端和移動端，主要功能包括PC端的普查底圖管理、普查小區劃分、用戶管理、導入導出、數據分析和移動端AOI圖形和屬性編輯、建筑物圖形和屬性編輯、外業沙盤標繪等。

4.5 外業普查

建筑物外業普查基本是以核對確認為主，僅對實地普查中與系統AOI及建筑物數據不一致的進行更新修測，同時采集建筑物照片數據。其主要調查工作內容如下：

(1)空間圖形核對及更新修測：

核對確認AOI的四至范圍及其范圍內建筑物圖形是否準確；對與實地不一致的情況，則根據實地情況對待查專題數據進行修改、增加、合并、分割、刪除等修測處理。

(2)非空間屬性的核對及更新：

核對系統中專題AOI、建筑物數據屬性信息完整、準確；對與實地不一致的情況，則根據實地情況進行修改、補充完善；

(3)建筑物外觀圖片采集：

建筑物外觀照片要求至少四張，包括名址照、遠近景正面照、立面材質照等。對于周圍遮擋或綠植環抱等原因實地無法采集照片的則統一從傾斜攝影數據中獲取。

采集App空間圖形及屬性采集界面截圖如圖8所示：

圖8 采集App空間圖形及屬性采集界面截圖

4.6 內業處理及建庫

對調查的AOI數據、建筑物圖形及屬性數據、建筑物圖片進行關聯整合，并根據數據庫結構進行數據處理整合，在入庫檢測合格后完成數據入庫工作。具體實施情況如下：

(1)院落AOI數據處理

對AOI數據與正射影像數據及其他參考數據疊加修測處理，主要處理調查中新增、刪除、合并、拆分的AOI圖形四至范圍與參考數據的一致性及拓撲問題。

(2)建筑物圖形數據處理

對建筑物圖形與正射影像數據及其他參考數據疊加修測處理，處理調查中新增、刪除、合并、拆分的建筑物圖形數據與疊加修正數據的一致性及數據拓撲問題。

(3)建筑物屬性數據處理

對建筑物屬性數據與行政區域數據、AOI數據、名址數據、宗地數據、DLG數據、房產專題數據等其他參考數據進行關聯檢查，檢查調查過程中新增信息、修改完善信息、備注信息等屬性信息的合法性、一致性、準確性等[9]。

(4)建筑物圖片數據處理

對采集的建筑物圖片數據的規格、清晰度、拍攝角度、圖屬一致性等進行檢查，對有問題的數據退回補充，符合要求的數據整理入庫。

4.7 質量控制

對處理完成的AOI數據、建筑物圖形及屬性數據、照片等進行入庫質量檢查，并對檢查中發現的問題退回修改。具體檢查如下：

(1)完整性檢查：檢查數據圖層、數據屬性信息等是否完整齊全，避免圖層或屬性信息遺漏或缺失等現象；

(2)位置精度檢查：檢查AOI數據及建筑物數據的空間位置精度是否符合對應比例尺電子地圖數據規范要求；

(3)空間拓撲檢查：檢查AOI數據及建筑物數據各要素間的空間拓撲關系是否合理、準確等；

(4)現勢性檢查：檢查AOI數據及建筑物數據的現勢性是否滿足既定時點要求，對現狀的增、刪更新是否合理、準確等；

(5)屬性檢查：檢查相關屬性字段長度、字段類型、屬性內容是否正確、屬性取值范圍是否規范、屬性值是否重復矛盾等；

(6)邏輯一致性檢查：檢查各層級間邏輯關系是否矛盾、屬性間的邏輯關系是否合理，如建筑層數與高度的邏輯關系、基底面積與建筑面積的邏輯關系等。

4.8 數據入庫

對通過入庫檢查的AOI、建筑物成果進行數據入庫測試，測試通過后進行數據入庫。考慮到AOI數據及建筑物數據的變化性，同步建立AOI及建筑物數據庫的長效更新機制，采用定期更新的方式進行數據的更新維護。

5 結 語

本文介紹了建筑物普查建庫的技術設計和普查流程以福州市建筑物普查為例，詳細闡述了在已有大比例尺DLG數據及房屋相關專題信息數據的基礎上，通過內業提取、關聯整合等方式制作建筑物調查電子底圖，利用自主研發調查App進行外業核查、調查補充的方式進行建筑物普查建庫的具體實施過程。