基于實(shí)景三維的東莞自建住宅提取與特征分析

張適然,陳明輝,黃 燕

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣東 廣州 510642; 2. 東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心,廣東 東莞 523000)

建筑物是人類活動(dòng)的主要場(chǎng)所,其空間分布、面積和高度等信息在城鄉(xiāng)規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)及國(guó)防安全等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1-2]。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推動(dòng)下,自建住宅建設(shè)與更新需求日益增長(zhǎng),但自建住宅建設(shè)雜亂無(wú)序問(wèn)題日趨嚴(yán)重,嚴(yán)重制約城市的可持續(xù)發(fā)展[3]。特別是伴隨著城市更新和舊城改造工作的大力推進(jìn),大面積、大批量的違法搶建現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[4]。因此,真實(shí)掌握城市存量建筑物,快速識(shí)別增量建筑物,成為城市管理者非常重視的問(wèn)題[5],這也為農(nóng)村宅基地管理[6]和城市規(guī)劃建設(shè)[7]等工作提供基礎(chǔ),是高分辨率遙感影像的重要應(yīng)用方向[8]。

近年來(lái),遙感技術(shù)快速發(fā)展,高分辨率遙感影像的獲取能力日益提升,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷深化。實(shí)景三維模型兼顧紋理和地形地貌特點(diǎn),具有三維展示、多維視角、實(shí)時(shí)標(biāo)高、空間分析及全域縮放等特點(diǎn)[9-10]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)因其空間分辨率高、時(shí)效性強(qiáng)和成本低等優(yōu)勢(shì)[11],彌補(bǔ)了常規(guī)測(cè)量的不足,已成為獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)的重要手段[12-13]和城市實(shí)景三維相關(guān)應(yīng)用數(shù)據(jù)采集的重要平臺(tái)[14-15],被廣泛應(yīng)用到城市建筑物群三維信息獲取[16]、自然資源調(diào)查[17]、村鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃、交通勘測(cè)規(guī)劃[18]及不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查中[19]。傾斜攝影測(cè)量通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)從垂直、傾斜等不同角度采集圖像的傳感器,來(lái)獲取地面物體完整的信息[20],可快速重建可量測(cè)的大尺度實(shí)景三維模型,大幅降低了三維城市建模成本?；跓o(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建的實(shí)景三維模型,能快速準(zhǔn)確地巡查、識(shí)別地面建筑[21],提供全要素、全紋理的地圖數(shù)據(jù),且具有建模速度快、精度高、成本低、色彩符合實(shí)際等優(yōu)點(diǎn)[22-23],被廣泛應(yīng)用于全息地物要素結(jié)構(gòu)化提取[24]、城市信息展示、應(yīng)急管理、智慧交通、智慧公共安全等智慧城市精細(xì)化管理中[25]。

目前,關(guān)于建筑物遙感提取的研究和應(yīng)用主要集中在城市地區(qū)[26],針對(duì)農(nóng)村地區(qū)的研究較為少見[27]。為貫徹落實(shí)《關(guān)于規(guī)范農(nóng)村宅基地審批管理的通知》等文件精神,東莞利用亞米級(jí)遙感影像固化存量建筑底數(shù),構(gòu)建精細(xì)顆粒度的自建住宅數(shù)據(jù)庫(kù),分析研判全市自建住宅現(xiàn)狀,旨在為進(jìn)一步規(guī)范農(nóng)民住房建設(shè)、保障居民正當(dāng)權(quán)益、嚴(yán)控違法建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐,為城市空間優(yōu)化、拓展和現(xiàn)代化治理提供有力保障。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

城市化的快速發(fā)展使得原先分布在城市邊緣的農(nóng)村被納入城市范圍[28],自建住宅是指以家庭為決策單元,不受外界特定指令控制,自主決策房屋的選址、形式、投資所建造的住宅,分為鄉(xiāng)村自建住宅和城鎮(zhèn)自建住宅[29-30]。因此,本文基于東莞市2019年12月實(shí)景三維模型進(jìn)行遙感解譯,提取全市自建住宅數(shù)據(jù),并對(duì)其現(xiàn)狀特征進(jìn)行全面調(diào)查和分析,為城市治理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 研究方法

使用固定翼無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái),搭載南方測(cè)繪T53相機(jī)、睿鉑RIY-DG3相機(jī),采集并建立實(shí)景三維模型數(shù)據(jù),依托實(shí)景三維數(shù)據(jù)、地形圖、第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查(簡(jiǎn)稱“三調(diào)”)、地籍調(diào)查和不動(dòng)產(chǎn)登記等數(shù)據(jù),根據(jù)國(guó)家、省、市有關(guān)調(diào)查規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn),按照“所見即所得”和“市-鎮(zhèn)-村(社區(qū))”三級(jí)聯(lián)動(dòng)原則,提取自建住宅的物理屬性。結(jié)合自主上報(bào)權(quán)屬信息和外業(yè)實(shí)地權(quán)籍調(diào)查,建立和完善自建住宅數(shù)據(jù)庫(kù),全面查清自建住宅基底面積、層數(shù)、高度、建筑面積、權(quán)屬、坐落、用途等信息,建立東莞市自建住宅一本臺(tái)賬,為后續(xù)自建住宅統(tǒng)籌管理、違建執(zhí)法和搶建預(yù)防提供有力支撐。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

本次測(cè)區(qū)面積為2465 km2,為滿足實(shí)景三維數(shù)據(jù)成果精度和質(zhì)量,共布設(shè)5075個(gè)清晰、易于判讀的像控點(diǎn)和403個(gè)分布均勻的檢核點(diǎn)。平面中誤差為0.014 m,高程中誤差為0.039 m。

按南北走向敷設(shè)航線,航線條數(shù)為750條,航高為350 m,正射影像航向重疊度為82%,旁向重疊度為77%,獲取有效像片500多萬(wàn)張,地面分辨率為5 cm。坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(標(biāo)準(zhǔn)3°帶高斯-克呂格投影)和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

1.2.2 實(shí)景三維建模

采用ContextCapture軟件,集群調(diào)用300多臺(tái)GPU同步運(yùn)算,經(jīng)過(guò)影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、傾斜攝影空中三角測(cè)量、TIN網(wǎng)格構(gòu)建、三維白模構(gòu)建及紋理映射、模型修整(修補(bǔ)玻璃、水面等存在的漏洞;刪除無(wú)意義的漂浮物、不完整的車輛等,壓平不符合實(shí)際的地物;采用擬合的方式優(yōu)化房屋面或路面變形較大的區(qū)域,使其平滑)等過(guò)程,構(gòu)建真實(shí)清晰的實(shí)景三維模型。

1.2.3 自建住宅提取

以東莞市地形圖、實(shí)景三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),借助自主開發(fā)二三維結(jié)合的建筑圖斑提取軟件,高效提取并矢量化自建住宅圖斑,提取效果如圖2所示,結(jié)合人工目視解譯修正圖斑和物理屬性。

圖2 自建住宅圖斑提取

1.2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

東莞市自建住宅數(shù)據(jù)庫(kù)屬性字段包含31個(gè)字段,其中8個(gè)物理屬性、23個(gè)權(quán)屬屬性,部分字段要求見表1。通過(guò)人工目視解譯獲取自建住宅的現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)、層數(shù)等信息,進(jìn)而疊加相關(guān)部門提供的數(shù)據(jù)提取屬地信息、權(quán)屬人信息、土地屬性、持證情況等信息,初步建立自建住宅數(shù)據(jù)庫(kù),再以村(社區(qū))為調(diào)查單元,制作1∶500外業(yè)調(diào)查圖和調(diào)查表,下發(fā)各鎮(zhèn)街(園區(qū))進(jìn)行外業(yè)調(diào)查核實(shí),更新完善自建住宅數(shù)據(jù)庫(kù)。

表1 東莞市自建住宅數(shù)據(jù)庫(kù)字段節(jié)選

2 結(jié)果分析

2.1 東莞自建住宅規(guī)模特征

經(jīng)解譯和統(tǒng)計(jì),東莞全市自建住宅總數(shù)量約113萬(wàn)棟,總占地面積約111.52 km2,其建設(shè)區(qū)域占用土地資源(三調(diào)時(shí)“住宅用地”地類內(nèi)的自建住宅面積與非“住宅用地”地類的零星自建住宅5 m緩沖區(qū)面積之和)約214.51 km2,約占現(xiàn)狀住宅用地面積的69%,平均占地面積約98 m2,約18萬(wàn)棟占地超過(guò)150 m2;總建筑面積約3.84億m2,占存量住房建筑總量(5.24億m2,數(shù)據(jù)來(lái)源于東莞市國(guó)土空間規(guī)劃)的73%,平均建筑面積約344 m2,18萬(wàn)棟建筑面積超過(guò)600 m2。

全市自建住宅平均毛容積率為1.8,長(zhǎng)安等12個(gè)鎮(zhèn)街(園區(qū))超過(guò)全市平均水平(如圖3所示);平均建筑密度(自建住宅基底總占地面積/自建住宅建設(shè)區(qū)域占用土地資源面積)為52%,道滘等17個(gè)鎮(zhèn)街(園區(qū))超過(guò)全市平均水平(如圖4所示);平均層數(shù)為2.68層,長(zhǎng)安等15個(gè)鎮(zhèn)街(園區(qū))超過(guò)全市平均水平(如圖5所示),其中建筑層數(shù)低于2層的約38萬(wàn)棟,高于4層的約22萬(wàn)棟。

圖3 各鎮(zhèn)街(園區(qū))自建住宅平均毛容積率

圖4 各鎮(zhèn)街(園區(qū))自建住宅建筑密度

圖5 各鎮(zhèn)街(園區(qū))自建住宅平均層數(shù)

由此可知,東莞自建住宅數(shù)量規(guī)模大,占用全市約七成(69%)的住宅土地資源及約七成(73%)的存量住房建筑總量,平均建筑密度較大,建設(shè)強(qiáng)度較高。

2.2 東莞自建住宅空間特征

空間上,東莞自建住宅沿舊城鎮(zhèn)和主干道、河流等交通線路軸向集聚明顯,呈現(xiàn)遍地開花的局面,主要分布在莞太路、莞樟路、莞長(zhǎng)路等主干道,以及東江、寒溪河、東引運(yùn)河、太平水道、石馬河等河流沿線周邊,以及中心城區(qū)(如圖6所示)?？傮w而言,東莞自建住宅多集中在產(chǎn)業(yè)和外來(lái)人口較為集中的區(qū)域,與工業(yè)(產(chǎn)業(yè))園區(qū)混雜分布的現(xiàn)象比較突出,虎門、大朗、厚街、寮步鎮(zhèn)的總棟數(shù)和建筑面積均位于前列。

圖6 全市自建住宅分布

2.3 東莞自建住宅結(jié)構(gòu)特征

東莞市自建住宅建筑以砼結(jié)構(gòu)為主(約51.2萬(wàn)棟),磚木結(jié)構(gòu)(含土木結(jié)構(gòu))約30.0萬(wàn)棟,磚混結(jié)構(gòu)約28.1萬(wàn)棟,其他結(jié)構(gòu)約2.4萬(wàn)棟,在建約1.3萬(wàn)棟,結(jié)構(gòu)比例如圖7所示。可見,修建時(shí)間較長(zhǎng)的老式磚木、磚混結(jié)構(gòu)自建住宅超過(guò)一半,存在一定的安全隱患。

圖7 自建住宅建筑結(jié)構(gòu)比例

2.4 東莞自建住宅人口居住特征

結(jié)合東莞市“二標(biāo)四實(shí)”數(shù)據(jù)(2020年5月)分析得知,居住在自建住宅的人口約占全市總?cè)丝诘?6%,自建住宅中居住的非戶籍人口約占79%,戶籍人口中居住在自建住宅的約占74%;專科(含)以下學(xué)歷的約占98%,研究生學(xué)歷人群中居住在自建住宅的約占46%。可見,自建住宅的居住人口承載量大,外來(lái)人口占比高,“本地人”大多居住在自建住宅,總體文化程度較低,高端人才的居住品質(zhì)有待提升。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文依托實(shí)景三維數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全市域遙感解譯,提取并建立東莞市自建住宅數(shù)據(jù)庫(kù),固化了全市存量自建住宅底數(shù),實(shí)現(xiàn)了自建住宅建設(shè)信息的直觀展示,可為自建住宅管理與規(guī)劃建設(shè)、村莊規(guī)劃、城市存量開發(fā)及建筑分層分戶三維建模等工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。分析發(fā)現(xiàn),東莞市自建住宅規(guī)模大,分布范圍廣,占用土地資源較多,約占全市七成住宅土地資源和七成存量住房建筑總量,承載了全市近七成的人口,可進(jìn)一步結(jié)合社會(huì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和開展自建住宅安全隱患排查,挖掘各鎮(zhèn)街(園區(qū))的自建住宅、保障性租賃住房與人口分布之間的關(guān)系,有效盤活閑置自建住宅,解決保障性租賃住房對(duì)象的居住問(wèn)題,提升市民居住幸福成色。