基于實景三維模型的海岸建筑退縮線劃定及管控新方法研究

劉石棟,趙巖,馬紹偉,姜海峰,鄧先睿,梁周雁

(山東省國土測繪院,山東 濟南 250013)

0 引言

海岸帶是海洋與陸地的交互地帶,具有豐富的陸海資源和獨特的人文景觀優勢,是人口和經濟發展的聚集地帶[1]。隨著社會的發展,越來越多的人工建筑物占用海岸帶空間資源,伴隨著海浪侵蝕、風暴潮等海洋災害的影響[2],導致部分區域出現生態環境破壞,海岸帶資源的可持續利用受到威脅,因此,須劃定界線來科學控制海岸建筑的活動范圍[3]。

本文結合某市海岸建筑退縮線劃定工作,依據實景三維模型對海岸建筑退縮線及其附屬要素進行采集,疊加實景三維模型,形成海岸帶管理系統。旨在探索一種思路,廣泛應用于海岸帶建筑退縮線的劃定和管控。

1 海岸建筑退縮線的劃定

1.1 定義

海岸建筑退縮線是為了保護海岸生態資源、規避海洋災害風險,根據海岸特征規定的海岸線向陸一側禁止開發或限制特定類型開發建設活動的界線[4-5]。關于海岸建筑退縮線的劃定和管理,我國還處于摸索階段,還沒有明確的界定,孫苗等[6-9]對海岸建筑退縮線劃定的方法進行了研究,并在秦皇島、珠海等地區進行了應用實踐。

本文探索以大陸海岸線類型及特征為依據,綜合考慮生態環境、海洋災害、親海空間等要素,基于大陸海岸線向陸一側延伸一定的距離,劃定的限制或禁止建筑活動的控制界線,稱為海岸建筑退縮線[10-11]。包括海岸建筑核心退縮線(以下簡稱“核心退縮線”)和海岸建筑一般控制線(以下簡稱“一般控制線”)

1.2 主要內容

海岸建筑退縮線劃定,是根據海岸帶地理生態特征,綜合海岸帶保護及防災減災的需求,通過科學評估和與現狀情況對接2個方面進行考量。對大陸海岸線進行分類,大陸海岸線可分為人工岸線、自然岸線和其他岸線,不同的岸線類型抵御海洋災害的侵蝕是不一樣的,根據具體岸線類型分別進行基礎退縮距離的劃定。參考經濟開發活動的現狀和需求,疊加城鎮開發邊界,根據建筑物設計使用年限、海岸侵蝕監測數據以及國內外退縮線劃定經驗,制訂“不同類型海岸線基礎退縮距離劃定標準表”(表1),按照表1完成海岸線基礎退縮距離劃定工作。

表1 不同類型海岸線基礎退縮距離劃定標準表

依據“基礎退縮距離劃定+特定要素修正”方式進行劃定,基于實景三維模型根據不同大陸海岸線類型進行基礎退縮距離劃定[12-13],然后利用采集或收集的濱海道路、親海空間、沿海防護林、自然保護地、海洋災害影響等特定要素,修正基礎退縮距離,形成核心退縮線。一般控制線為大陸海岸線向陸一側1km距離的界線劃定。基于實景三維模型對海岸建筑退縮區內建設用地圖斑逐一進行矢量化、調查和舉證。

1.3 修正方法

海岸建筑退縮線按照“基礎退縮距離劃定+特定要素修正”方式劃定,基于實景三維模型參考大陸海岸線類型劃定基礎退縮距離后,通過交通部門專題資料收集、實景三維模型解譯等方式確定沿海第一條濱海道路的邊界和范圍。以沿海第一條濱海道路為修正要素,假如濱海道路部分或全部位于基礎退縮區域內,以基礎退縮區域內道路向海一側范圍為邊界,形成新的核心退縮線(圖1)。在此修正基礎上,相關區域涉及親海空間、海洋災害影響、沿海防護林、自然保護地、海洋災害等要素,須保持其完整性,逐一疊加各要素范圍,以各要素向陸一側最遠邊緣線為界(以親海空間為例,見圖2所示),形成最終的核心退縮線。

圖1 濱海道路修正示例圖

圖2 親海空間修正示例圖

2 關鍵技術

2.1 實景三維模型的構建

傾斜影像測量技術是近年來發展比較快的一門技術手段,包括飛行控制軟件、地面站和航拍攝像儀三部分[14],在飛行平臺上搭載航攝儀獲取獲取航攝區域內目標的全方位、多角度的紋理數據和點云數據,搭載的高精度IMU/GPS系統可以記錄拍攝瞬間飛行平臺的位置信息與姿態數據。利用系統軟件下載航攝儀獲取的原始數據,進行數據預處理,結合山東省北斗衛星導航基準站網(以下簡稱北斗基準網)同步觀測衛星數據和地面像控點測量數據,導入軟件進行空中三角測量計算,利用解算獲得空三測量數據,在軟件中提取出指定的影像數據,進行模型重建并生成實景三維模型,具體流程如圖3所示。

圖3 實景三維模型制作流程圖

2.1.1 傾斜影像的獲取

實景三維模型的品質受航攝影像的質量影響,在實際作業中,根據測區位置和地理情況,做好航線規劃,根據飛行平臺和技術要求,對測區進行分區[15],保持長寬比適宜,依據分區地形起伏、飛行安全條件等確定分區基準面高度。分區基準面采用DEM計算,計算公式(1)如下:

(1)

式中:h基—攝影分區基準面高程(m);hi—分區內DEM格網點的高程值(m)。

本項目采用PC-6飛機,搭載CityMapper-2L航攝儀獲取攝區傾斜影像數據,設定飛行相對高度為2400m,航線采用東西方向設計,根據IMU誤差積累的指標確定每條航線的直飛時間不超過25min,選擇晴朗無風的天氣進行測設,航向重疊率為80%,旁向重疊率為75%,保證數據不出現空洞或遺漏。對獲取的影像進行預處理,對影像的質量進行檢查。出現不合格的影像或航攝空洞時,需進行補測,直至影像全部合格。

2.1.2 像控測量

像控點的布設采用角點布設法,在區域網凸角和凹角轉折處布設平高點[16],內部均勻布設在航片重疊位置,像控點間隔約500m,地形變化復雜區域加密控制點個數。控制點選在較顯眼的水泥地面的十字路口或平地區域,依據不同尺度(0、1、2級,如圖4所示)截取目標像片,截取最大尺度能清晰辨別像控點位置,截取最小尺度包含重要地形、地貌信息,便于像控點定位與查找。利用北斗基準網進行像控點的測量,對測量成果進行較差及精度分析后,形成最終的像控點成果。

a—尺度0;b—尺度1;c—尺度2

2.1.3 空中三角測量

使北斗基準網數據,利用載波相位測量差分GPS定位技術,對IMU/GPS數據進行結算,獲取到外方位元素,編輯制作每個架次的POS數據文件[17],在航攝影像中進行像控點轉刺,使用Mirauge3D軟件進行空中三角測量,自動提取連接點,量測像控點和檢查點,進行區域網平差計算[18]。對同名點匹配點云檢查、航線曝光點檢查、像控點檢查后,確認空中三角測量滿足指標要求,部分精度分析如表2。

表2 部分空三精度統計表

2.1.4 實景三維模型構建

利用空三成果和傾斜影像,采用多視影像匹配技術進行點云密集匹配[19],獲得測區范圍內密集點云,經抽稀與平滑處理后構建TIN網,生成白模成果。分別對模型的各個面調取相對應的各個視角中最清晰的影像進行首次紋理貼圖。對于具有紋理信息的瓦片采取色彩均衡算法,得出總體均衡值,根據色彩均衡值重置參考三維模型紋理,最終形成實景三維模型。

2.2 海岸建筑退縮線要素采集

2.2.1 要素采集

使用清華山維EPS軟件裸眼三維測圖模塊,在實景三維模式下進行海岸建筑退縮線的劃定及相關要素的矢量化。與傳統的立體測圖方式不同,在該軟件環境下,擺脫了傳統三維采編中立體眼鏡的束縛,可實現三維環境采集[20],二維環境同步顯示(圖5)。這種模式下的視覺感受與真實世界非常接近,可通過旋轉、拖拽、縮放等操作,能清晰地判別要素類型。

圖5 二、三維同步立體界面圖

在實景三維模型下,對第一條濱海道路、親海空間、初始退縮線等要素進行采集,對沿海防護林、自然保護地、海洋災害等要素依據專題資料進行位置與屬性的編輯,對建筑退縮區內建筑物逐一進行矢量化采集,并對退縮區內建筑物的用地性質、權屬信息進行調查。對內業無法確認、存疑的要素進行外業調查。采集后的成果經過正負修正、屬性錄入、邏輯一致性處理、拓撲一致性檢查后,形成最終的海岸建筑退縮線數據庫。劃定核心退縮線長度171.86km,核心退縮區面積26.47km2。一般控制線長度93.41km,一般控制區面積87.09km2。

2.2.2 精度分析

通過外業實地采集與實景三維模型上采集的同名特征點,包括圍墻角點、房屋角點、道路交叉點等,計算平面精度,共采集366個檢查點,計算結果見表3。

表3 要素位置精度統計表

結果表明利用外業實測檢查點與實景三維模型上采集的同名特征點進行對比,其平面位置中誤差為0.096m,滿足規范要求。

3 基于實景三維模型的海岸帶管控

基于劃定的二維海岸建筑退縮線數據和實景三維模型數據,制作海岸建筑退縮區內重點建(構)筑物單體化模型,對其進行語義化處理,補充相關的時間信息、空間身份編碼等屬性,通過空間適配、數據掛接等手段,在實景三維數據管理平臺上實現二維表達的海岸建筑退縮線數據與實景三維模型數據之間的融合,實現相關要素的精細化表達,形成海岸帶管理系統,相較于傳統的作業方式,本研究具有以下優勢:

(1)要素的采集、編輯是在實景三維模型的基礎上進行,是對真實世界的客觀反映,基于實景三維模型對要素立體化的采集,能有效減少外業核查的工作量。

(2)各類要素可在實景三維模型上進行多角度、全方位的查詢、管理等功能。在實際管控中,無需進行現場勘查,利用實景三維模型可以全面、詳細的了解到海岸建筑核心退縮區和一般控制區內相關要素的地物紋理細節、屬性信息以及與退縮線位置關系,可對核心退縮區的重點管控項目進行個性化標注,一鍵定位,進行360度無死角的查詢。

(3)對各個相關單位涉及海岸帶資料進行銜接利用,在此基礎上進行整理匯總,形成多行業專題資料疊加并存的數據庫,便于進一步的應用及管理。

(4)在今后的管控中,可利用消費級多旋翼無人機及時對變化區域模型進行動態更新,使其與現實世界保持對應,做到足不出戶的完成海岸帶建筑物的管理,方便快捷、簡單實用。

4 結語

傾斜攝影實景三維建模技術是一項新型的測繪技術,在海岸建筑退縮線建設和管控中能發揮巨大的作用,能全方位、多角度的對海岸帶建筑退縮線相關要素進行采集、編輯。基于實景三維模型對海岸帶相關要素進行管控,要素表達精準細致、可識別性強、可量測性高,能滿足精細化管理的需求。此方法可應用于其他地區的海岸建筑退縮線的劃定及管控中,能有效減少實際管控中的人員和資金壓力,方便快捷、簡單實用。