傾斜攝影技術(shù)在違法建筑巡查中的應(yīng)用研究

周智勇，丁玉蘭

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.重慶市地理國情監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，重慶 401121)

傾斜攝影技術(shù)在違法建筑巡查中的應(yīng)用研究

周智勇1，2*，丁玉蘭1

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.重慶市地理國情監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，重慶 401121)

為逐步消除存量違法建筑，各區(qū)縣需要對本行政區(qū)域內(nèi)的違法建筑進(jìn)行調(diào)查、核實，依法開展違法建筑集中成片整治工作。而傳統(tǒng)人工巡查存在入戶難、量測難、取證難的問題，本文利用新興傾斜攝影技術(shù)，制作正射影像及實景三維模型，實現(xiàn)了違法建筑的快速摸底巡查，提高了違法建筑巡查效率，降低了查處成本，加大了整治力度，為違法建筑查處提供了新的思路。

傾斜攝影；正射影像；實景三維模型；違法建筑巡查

1 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，城市建設(shè)水平明顯提高，但是違法建筑也日益增多，新增違法建筑還有愈演愈烈之勢[1]。違法建筑屢禁不止，不僅嚴(yán)重擾亂了土地和城鄉(xiāng)規(guī)劃管理秩序，而且給公共安全帶來了極大隱患，有必要加大整治力度[2]。《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》指出“違法建設(shè)問題突出”，要“建立利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測等多種手段共同監(jiān)督規(guī)劃實施的工作機(jī)制”。重慶市人民政府也發(fā)布了《重慶市查處違法建筑若干規(guī)定》，要求 “制定分期成片整治計劃，原則上以小區(qū)、社區(qū)為基本單元，依法開展違法建筑集中成片整治工作”。

但是傳統(tǒng)的人工巡查存在巡查力量、巡查時間、巡查范圍、巡查角度有限等問題，而遙感解譯排查由于受天氣、空域、衛(wèi)星過境等影響，存在時效性不強(qiáng)，分辨率不高、難以獲得建筑物側(cè)面信息等問題。近年來快速發(fā)展的無人機(jī)技術(shù)及傾斜攝影技術(shù)為這些難題提供了較好的解決方案。無人機(jī)傾斜攝影應(yīng)用于違法建筑查處工作，不僅能夠高效、快速地獲取地面建筑物頂面和側(cè)面的高分辨率影像，而且可以生成高精度、可量測的實景三維模型和真正射影像，進(jìn)而實現(xiàn)對違法建筑的全方位排查、科學(xué)取證和非接觸性量測[3]，有效地解決傳統(tǒng)違法建筑查處工作中存在的“入戶難，量測難，取證難”的問題，在提高違法建筑查處效率，加大查處力度的同時，也大大節(jié)省了在違法建筑查處工作中的人力投入，降低了工作強(qiáng)度，為違法建筑查處工作提供了強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

2 無人機(jī)傾斜攝影

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過多角度拍攝采集影像，獲取地物不同方向的影像信息[4]，極大地擴(kuò)展了遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，并使遙感影像的行業(yè)應(yīng)用更加深入。而無人機(jī)具有機(jī)動靈活，飛行成本相對較低，受空域限制相對較小，飛行高度相對低，受天氣條件限制較小，影像分辨率高等優(yōu)勢，成為常規(guī)航攝的有力補(bǔ)充[5，6]。將無人機(jī)與傾斜攝影結(jié)合起來，能夠快速獲取豐富的空間影像，嵌入精確的地理坐標(biāo)信息，實現(xiàn)快速高精度三維建模[7]。

試驗區(qū)在重慶市主城區(qū)大渡口區(qū)某小區(qū)范圍，既有低矮房屋也有高層建筑，植被覆蓋茂盛，形狀近似三角形，占地面積約187畝，違法建筑現(xiàn)象較為普遍。通過現(xiàn)場踏勘，了解作業(yè)區(qū)域情況，選擇起降場地，了解氣象影響因素和重要設(shè)施分布，項目確定采用多旋翼搭載5鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝。由于目前我國對低空空域并未完全開放，在無人機(jī)飛行前需要向空軍、民航安全監(jiān)督管理局及民航空管局進(jìn)行航飛空域申請。根據(jù)影像重疊度、分辨率、平臺續(xù)航能力等設(shè)計飛行架次、攝區(qū)航線高度、航線間隔、巡航速度、每個曝光時間間隔、影像最小分辨率等相關(guān)航攝參數(shù)。

在攝影過程中嚴(yán)密監(jiān)控空中遙感系統(tǒng)飛行姿態(tài)參數(shù)，在獲取航攝影像后，及時對單張影像質(zhì)量進(jìn)行快速瀏覽，對不符合要求的及時進(jìn)行補(bǔ)攝。同時為保證三維模型的建立及紋理貼圖要求，對范圍進(jìn)行了適當(dāng)?shù)耐鈹U(kuò)。經(jīng)過2個架次的航攝，共獲取試驗區(qū)12條航線 1 220張影像，其中下視影像244張，形成對試驗區(qū)域的完全覆蓋。獲取的傾斜影像效果如圖1所示：

圖1 從5個方向獲取的傾斜影像

3 正射影像底圖制作

正射影像底圖在違法建筑巡查中有三個作用，一是直接利用正射影像，套合規(guī)劃竣工圖分析判別地面與樓頂?shù)倪`法建筑，二是作為最后違法建筑巡查的成果底圖，將疑似違法建筑的位置、面積、地址等信息與影像疊加，便于街道工作人員進(jìn)行實地核實，三是將作為執(zhí)法依據(jù)存檔，及進(jìn)行違法建筑動態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)本底數(shù)據(jù)，對違法建筑的整治效果及新增違法建筑進(jìn)行考核的基礎(chǔ)。

正射影像圖制作可利用傾斜攝影的下視影像，結(jié)合外業(yè)像控測量數(shù)據(jù)，通過傳統(tǒng)空中三角測量得到，這種方式質(zhì)量可靠，但單獨生產(chǎn)正射影像增加時間和經(jīng)濟(jì)成本；正射影像底圖也可以通過現(xiàn)在的快拼軟件直接得到快拼圖，效率較高，但精度低；還可以利用傾斜影像進(jìn)行三維建模后輸出正射影像，相對來說耗時較長，但輸出的影像較接近真正射影像，投影差影響最小。

實驗區(qū)共布設(shè)4個像控點，通過三種方式進(jìn)行正射影像制作，整體效果如圖2所示，細(xì)部放大圖如圖3所示。

圖2 從左往右分別為傳統(tǒng)空三、快拼、三維模型導(dǎo)出得到正射影像圖

圖3 細(xì)部放大圖，順序與圖2一致

從三種方式制作的正射影像可以看出，質(zhì)量方面?zhèn)鹘y(tǒng)空三方式制作的正射影像和通過三維模型導(dǎo)出的正射影像精度較好，快拼影像質(zhì)量要差一些，尤其是高層建筑投影差明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)錯位現(xiàn)象。三種方式制作正射影像的優(yōu)缺點如表1所示。

DOM三種制作方式優(yōu)缺點比較 表1

三種方式各有優(yōu)缺點，可以在作業(yè)前期用快拼影像進(jìn)行巡查，后期利用三維模型導(dǎo)出的正射影像作為底圖進(jìn)行成果制作，這樣既能快速推進(jìn)項目，同時保證成果圖質(zhì)量。

4 三維實景模型制作

無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)獲取的傾斜影像由于搭載的是非量測相機(jī)，且拍攝時角度差異大，從而導(dǎo)致了影像變形較大，迎光和逆光鏡頭獲取的影像色彩差異也很大，這些因素對影像的匹配帶來難度。同時，影像的大重疊度，小像幅帶來的海量數(shù)據(jù)等都對數(shù)據(jù)處理帶來不小的挑戰(zhàn)。項目采用ContextCapture軟件，基于多匹配基元、多視影像匹配技術(shù)，在試驗區(qū)四角外業(yè)測量4個像控點，根據(jù)自動空三解算出來的各影像外方位元素，分析與選擇合適的影像匹配單元進(jìn)行特征匹配和逐像素級的密集匹配。項目利用單臺計算機(jī)(主要配置CPU 為i7 6 800 K，內(nèi)存64 GB，顯卡NVIDIA GTX 1080)，試驗區(qū)全部影像進(jìn)行空中三角測量耗時 24 h，建模耗時 15 h，得到試驗區(qū)的三維實景模型，模型效果如圖4所示。

圖4 實景三維模型效果(左為整體，右為細(xì)節(jié))

5 精度檢測與質(zhì)量評定

為準(zhǔn)確評定三維模型的精度，在試驗區(qū)范圍內(nèi)均勻選擇模型中的10個無遮擋特征點，進(jìn)行外業(yè)實地打點檢測，點位分布如圖5所示。

將實地檢測的平面與高程值，與內(nèi)業(yè)從模型中提取的平面和高程值進(jìn)行比較，精度情況統(tǒng)計如表2所示。

通過精度統(tǒng)計可以看出，三維模型精度良好，無遮擋區(qū)域檢測點精度到達(dá)規(guī)范中 1∶500地形圖丘陵地形精度要求，即平面中誤差 0.3 m，高程中誤差 0.2 m，完全滿足違法建筑測量要求。

圖5 檢查點分布圖

精度檢查情況表 表2

6 違法建筑識別

首先利用正射影像巡查地面及樓頂?shù)倪`法建筑，通過疊加竣工地形圖進(jìn)行違法建筑判讀與識別，對區(qū)域內(nèi)的建筑逐棟排查，如圖6所示。

圖6 正射影像圖疊加竣工測量圖進(jìn)行違建巡查

三維實景模型可以方便地多角度觀察量取違法建筑，保證了識別的違法建筑真實可靠。逐棟排查完建筑物后再逐樓層排查房屋建筑物，將每一層的面積測量圖與相應(yīng)的三維實景模型進(jìn)行對比分析，如果發(fā)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)與面積測量圖不符，則可能是違法建筑。比如面積測量圖中是不計算面積的露臺，現(xiàn)在變成了房屋，則增建的房屋就是違法建筑。在三維實景模型中，我們可以量取違法建筑的高度、寬度、長度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以作為我們判斷其是否是違法建筑以及是否按半面積計算違法面積的重要依據(jù)。利用三維實景模型進(jìn)行違法建筑測量如圖7所示。

圖7 三維實景模型進(jìn)行違法建筑測量

比如我們在三維模型中量取到違法建筑的高度是1.8 m，則我們利用正射影像標(biāo)注出違法建筑的位置和占地面積后，需根據(jù)規(guī)范規(guī)定將高度低于 2.2 m的違法建筑面積按其占地面積的一半進(jìn)行計算。這樣保證了我們量取的違法建筑的面積的可靠性。除此之外，我們還可以在三維實景模型中通過觀察判斷識別出違法建筑是否具有圍護(hù)結(jié)構(gòu)、違法建筑的建造材料等信息。最后將通過正射影像識別的違法建筑和三維實景模型確定的違法建筑統(tǒng)一在正射影像底圖上標(biāo)注，同時記錄違法建筑的位置、違法建筑的占地面積、違法建筑的類型等屬性信息。

7 巡查成果制作

違法建筑巡查的成果主要包括兩部分，一是整個巡查區(qū)域的違法建筑分布圖，以正射影像為底圖，疊加制作的違法建筑地理數(shù)據(jù)，添加圖例、指北針、比例尺、小區(qū)名等，如圖8所示：

圖8 違法建筑分布圖

二是違法建筑面積統(tǒng)計表，包括小區(qū)的違法建筑總表，可以看到小區(qū)違法建筑的總數(shù)量及總面積以及每一處違法建筑的詳表，包括位置、面積信息、樓棟號等詳細(xì)信息，如圖9所示。

8 結(jié) 語

本文通過對多旋翼無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影、正射影像快速制作、基于正射影像和三維實景模型結(jié)合規(guī)劃竣工資料進(jìn)行違法建筑識別、違法建筑巡查成果制作等全流程進(jìn)行探索研究，形成了一套利用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影輔助違法建筑巡查的技術(shù)體系，并成功在大渡口區(qū)開展應(yīng)用試驗，通過大渡口區(qū)街道的現(xiàn)場核實，其準(zhǔn)確度、精度及詳細(xì)程度均優(yōu)于人工核查和衛(wèi)星遙感影像排查效果，為大渡口區(qū)整治違建工作找到切實可行的辦法，并且在全區(qū)進(jìn)行了推廣，經(jīng)媒體報道后[8]在全區(qū)及全市產(chǎn)生巨大震懾作用，為落實《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》精神，“用5年左右時間，全面清查并處理建成區(qū)違法建設(shè)，堅決遏制新增違法建設(shè)”工作的開展打下良好的基礎(chǔ)。

圖9 違法建筑面積統(tǒng)計總表及明細(xì)表

隨著國家部委和重慶市對違法建筑整治的力度不斷加大，無人機(jī)傾斜攝影在違法建筑查處中的作用將越來越大，需要注意的是城區(qū)空域限制要加大協(xié)調(diào)力度，積極尋求空軍和民航等相關(guān)空域管理部門對項目的大力支撐。另外傾斜攝影產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)也對數(shù)據(jù)的處理和管理提出了較高的要求，需要引進(jìn)大數(shù)據(jù)處理集群裝備，同時違法建筑巡查成果的管理、查詢和應(yīng)用需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，納入影像數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、核查數(shù)據(jù)等相關(guān)資料和信息，為整治計劃的制定和落實提供翔實準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，為違法建筑的整治、動態(tài)監(jiān)管提供管理平臺，同時疊加其他專業(yè)數(shù)據(jù)可服務(wù)規(guī)劃、交通、公安、消防、市政等多個行業(yè)部門，應(yīng)用前景廣闊。

[1] 重慶市人民政府關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)主城區(qū)違法建筑整治工作的通知[R]. 2014-12-30(5).

[2] 程倩. 我國城市違法建筑的形成及治理研究[D]. 青島：中國海洋大學(xué)，2011：5～6.

[3] 李德仁，劉立坤，邵振峰. 集成傾斜航空攝影測量和地面移動測量技術(shù)的城市環(huán)境監(jiān)測[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2015(4)：427～433.

[4] 王慶棟，艾海濱，張力. 利用傾斜攝影和3ds Max技術(shù)快速實現(xiàn)城市建模[J]. 測繪科學(xué)，2014(6)：74～78.

[5] 何漠. 小型旋翼類無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013：1～2.

[6] 多旋翼無人機(jī)的姿態(tài)與導(dǎo)航信息融合算法研究[D]. 長春：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2015：1～2.

[7] 張春森，張衛(wèi)龍，郭丙軒等. 傾斜影像的三維紋理快速重建[J]. 測繪學(xué)報，2015(7)：782～789.

[8] 郭曉靜. 創(chuàng)新手段摸家底 無人機(jī)“助陣”大渡口違法建筑整治工作[N]. 重慶日報，2016-07-08(8).

Research on the Application of Oblique Photography in Inspecting the Illegal Construction Projects

Zhou Zhiyong1，2，Ding Yulan1

(1.Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China；2.Chongqing Engineering Research Center of Geographic National Condition Monitoring，Chongqing 401121，China)

To remove all the illegal constructions gradually，the county governments need to concentrate on managing and controlling the illegal constructions according to law，by the means of investigation and verification. The traditional manual management has many problems，such as it is difficult to enter the personal houses，carry out the measurement，and take the evidence. In this paper，the oblique photography technology was applied. The orthographic images and the real 3D model were produced，and then the illegal constructions could be discovered in short time. The proposed method will improve the work efficiency，lower the cost，and strengthen the management. The new way for inspecting the in our illegal construction projects is founded in our study，and it has good promotional application values.

oblique photography；orthographic images；real 3D model；inspecting the illegal construction

1672-8262(2017)04-71-05

P231

A

2017—03—31

周智勇(1979—)，男，高級工程師，主要從事攝影測量與地理信息系統(tǒng)的生產(chǎn)與管理工作。

重慶市社會民生科技創(chuàng)新專項項目(cstc2015shmszx40007)