面向智能查違的北斗無人機(jī)低空感知與服務(wù)系統(tǒng)

王誠龍，王吉旭，張 亮，趙悅璇

(1. 武漢大學(xué) 天津空間信息研究院，天津 301700；2. 北京理工大學(xué)，北京 100081;3. 哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028；4. 深圳市智繪科技有限公司，廣東 深圳 518052)

0 引 言

隨著國家城鎮(zhèn)化進(jìn)程的高速發(fā)展，城市規(guī)模迅速擴(kuò)大，人口急劇膨脹，土地增值收益的飆升，加之土地管理和利用制度不盡完善，使得各方對土地的爭奪日益激烈。在利益的驅(qū)動下，違法搶建愈演愈烈,違法搭建、插建擴(kuò)建屢禁不止。為掌握城市的變化,實施有效的管理,各級政府城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門迫切需要掌握城市中的合理規(guī)劃布局、土地使用、違法建筑區(qū)域、非法占地等方面的信息。常規(guī)的違法建設(shè)發(fā)現(xiàn)手段主要是依靠執(zhí)法部門的現(xiàn)場巡視和群眾舉報,然而畢竟巡查力量和巡查時間有限,難免出現(xiàn)紕漏。同時存在調(diào)查取證困難的問題。通過遙感變化檢測的手段獲取城市空間地理信息,進(jìn)行城市違章建筑的快速監(jiān)測,不但既省時,又省錢,效率高,同時又為執(zhí)法部門提供科學(xué)客觀定量的依據(jù)[1-3]。

傳統(tǒng)的航攝方式(如衛(wèi)星遙感、普通航空遙感)存在著信息獲取費用昂貴、數(shù)據(jù)獲取周期較長、缺乏機(jī)動靈活性等問題，不適用于短期、高頻的城市動態(tài)監(jiān)測研究。而無人機(jī)是一種能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)、循環(huán)使用的無人駕駛航空器。北斗高精度無人機(jī)航測技術(shù)是利用現(xiàn)有北斗高精度GNSS定位、智能化操控平臺、高精度傳感器、全自動化操控、專業(yè)化空三數(shù)據(jù)加密等應(yīng)用技術(shù)來實現(xiàn)的，具有高效率、低成本及高分辨率的優(yōu)點[4-6]。無人機(jī)航測技術(shù)能夠充分提高調(diào)查和監(jiān)測的水平和效率。同時，獲取的信息不僅客觀性好、現(xiàn)勢性強(qiáng)、時效性高、無人為干擾因素，而且信息的定性、定位和定量精度高，可為城市規(guī)劃建設(shè)提供有力的手段，被廣泛應(yīng)用于土地利用的動態(tài)監(jiān)測、征遷拆違工作的調(diào)查以及衍生各類最新時相的專題圖，通過影像可及時修編和更新地圖，建立最新的地理數(shù)據(jù)庫等[7-8]，對城市違章建設(shè)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和查詢。

1 智能查違綜合服務(wù)系統(tǒng)

智能查違綜合服務(wù)系統(tǒng)依托北斗高精度無人機(jī)低空航空攝影具有安全、快捷、成本低、影像分辨率高等優(yōu)點，以傾斜攝影測量技術(shù)為核心，采用六旋翼北斗導(dǎo)航無人機(jī)為飛控平臺，五鏡頭照相機(jī)為傳感器，使用北斗無人機(jī)調(diào)度與管理系統(tǒng)同步記錄拍攝時位置、姿態(tài)等信息，通過后期數(shù)據(jù)處理快速獲取并生成實時測繪地理信息，及時提供可靠、實時、直觀的二維或三維影像圖，建立建筑實景三維立體模型，彌補(bǔ)全野外數(shù)字化測繪效率低、生產(chǎn)周期長等不足，對比傳統(tǒng)立體像對測圖，傾斜三維測圖可以360°無死角，因而無須進(jìn)行房檐改正，提高了工作效率和測圖精度?；诘乩砜臻g多功能遙感數(shù)據(jù)處理平臺，利用相同地區(qū)不同時相建筑實景三維立體模型在高度、平面位置以及紋理的變化等建筑識別技術(shù)，同時結(jié)合已有房屋數(shù)據(jù)信息，以影像數(shù)據(jù)庫、規(guī)劃專題數(shù)據(jù)庫、地形數(shù)據(jù)庫為研究對象，集成RS、GIS技術(shù)對城市違章建筑和城市發(fā)展改建、擴(kuò)張等進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和查詢。

1.1 北斗無人機(jī)飛控平臺

考慮到城市作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，低空航空攝影使用無人飛行器需具有小場地起降的能力以及能夠在航攝過程中保持穩(wěn)定性，優(yōu)先采用兼顧效率與穩(wěn)定的六旋翼無人飛行器，配備北斗無人機(jī)調(diào)度與管理系統(tǒng)同步記錄拍攝時位置、姿態(tài)等信息。綜合考慮飛行可靠性、操作使用性、起飛和著陸場地要求等實際低空航空攝影測量的需要及三維實景影像模型建立的條件要求，硬件設(shè)備的性能應(yīng)滿足的基本指標(biāo)見表1。

表 1 硬件設(shè)備參數(shù)指標(biāo)要求Tab. 1 Requirements of hardware equipment parameters

1.2 綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)

系統(tǒng)由北斗無人機(jī)調(diào)度與管理模塊、影像分析與變化檢測模塊、多時相違建可視化監(jiān)測模塊、影像數(shù)據(jù)建庫與管理模塊和Web GIS應(yīng)用模塊構(gòu)成，實現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 功能結(jié)構(gòu)Fig. 1 Functional configuration

1）北斗無人機(jī)調(diào)度與管理

結(jié)合示范區(qū)的地塊信息、GIS地圖數(shù)據(jù)，利用路徑規(guī)劃算法生成無人機(jī)作業(yè)最優(yōu)路徑，為無人機(jī)提供路徑規(guī)劃增值服務(wù)，高效獲取高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)源。為行業(yè)管理部門提供無人機(jī)屬性管理、駕駛員屬性管理、信息實時查詢等管理功能，實現(xiàn)信息化管理。

2）影像分析與變化檢測

滿足違章建筑普查、典型地物提取中需要諸多的影像分析操作，如邊緣檢測、紋理分析、光譜匹配等功能需求，采用面向?qū)ο蟮挠跋穹治龇椒ㄓ糜诟叻直媛蔬b感影像的分析。變化檢測是建立在影像分析基礎(chǔ)上的高級分析系統(tǒng)，實現(xiàn)像素級的變化檢測、對象級的變化檢測以及分類后圖像變化檢測等功能，而且提供完善的后處理技術(shù)。

3）多時相違建可視化監(jiān)測

提供可視化監(jiān)測現(xiàn)有違章建筑的整治拆遷工作和違章建筑的出現(xiàn)過程，以現(xiàn)有違章數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合多時相遙感影像實現(xiàn)現(xiàn)有違章建筑拆除進(jìn)度的監(jiān)控，及時了解整治情況。同時，根據(jù)多時相遙感影像及時發(fā)現(xiàn)違章建筑的修筑、擴(kuò)建等，將其消滅在萌芽狀態(tài)。

4）影像數(shù)據(jù)建庫與管理

對歷年的不同時相影像數(shù)據(jù)，分別建立無縫影像庫?；谟跋駧旖r相索引，再利用算法來實現(xiàn)多時相影像數(shù)據(jù)管理與調(diào)度。

5）Web GIS應(yīng)用

利用共享平臺空間數(shù)據(jù)發(fā)布的功能在政府內(nèi)網(wǎng)發(fā)布違章監(jiān)測的成果，供工商、城管等部門使用。Web GIS應(yīng)用模塊由地理信息發(fā)布和數(shù)據(jù)維護(hù)兩部分構(gòu)成：地理信息發(fā)布部分總體結(jié)構(gòu)采用跨平臺的多層B/S體系結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)維護(hù)部分以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫作為后臺支持。通過將矢量數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，直觀形象地展現(xiàn)所需的信息，提供良好的可視化和簡單、方便的操作界面。

1.3 數(shù)據(jù)采集與綜合分析

數(shù)據(jù)采集基于北斗無人機(jī)調(diào)度與管理軟件，實現(xiàn)航線規(guī)劃、飛行控制及原始機(jī)載數(shù)據(jù)處理。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理基于ArcGIS Engine組件以及ArcGIS Server平臺進(jìn)行開發(fā)，可以支持多用戶進(jìn)行并發(fā)作業(yè)和訪問，所使用的GIS數(shù)據(jù)庫以O(shè)racle Spatial方式進(jìn)行存儲。為充分保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、高效性和海量數(shù)據(jù)存儲及快速訪問能力，在服務(wù)器端采用Oracle數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫客戶端操作系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)。同時，為了高效率訪問Oracle數(shù)據(jù)庫和充分利用Oracle數(shù)據(jù)庫提供的強(qiáng)大功能，直接調(diào)用Oracle提供的API接口來訪問GIS數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)分析提供了堅實的數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)分析軟件基于GIS平臺進(jìn)行二次開發(fā)，通過對同一區(qū)域不同時相建筑物的實景真三維模型和正射影像圖數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，通過面積變化、高度變化、灰度變化等確定疑似變化區(qū)域，再通過人機(jī)交互與已有地籍和房屋數(shù)據(jù)進(jìn)行對比進(jìn)一步確定最終疑似違章建筑并輸出相關(guān)信息供城管部門進(jìn)行實地核查。軟件系統(tǒng)以點云數(shù)據(jù)、正射影像圖、實景三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，同時結(jié)合地籍、房屋等空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行綜合分析，通過變化監(jiān)測、地籍核查、房屋核查以及分析整理等4個功能模塊最終生成疑似違章建筑信息。

1.4 智能查違處理方法

先根據(jù)測圖區(qū)域的航空影像資料進(jìn)行外業(yè)像控測量，再利用數(shù)字航片，在數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)上采用光束法區(qū)域網(wǎng)空三加密對外業(yè)像控成果進(jìn)行加密，建立測區(qū)各模型的立體像對，以便后續(xù)進(jìn)行全要素數(shù)字地形圖測繪；同時對航空影像進(jìn)行全微分糾正，以生成大幅正射影像圖供兩違監(jiān)控政府部門出臺相關(guān)政策、監(jiān)管部門執(zhí)法依據(jù)之用。數(shù)據(jù)處理方法如圖2所示。

圖2 處理方法Fig. 2 Processing method

1)外業(yè)

通過北斗無人機(jī)調(diào)度與管理子系統(tǒng)規(guī)劃航線進(jìn)行航測，采取分區(qū)設(shè)計航線進(jìn)行分區(qū)航攝。

2)內(nèi)業(yè)

對外業(yè)航拍影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)據(jù)融合，并通過控制點對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，生成帶位置與姿態(tài)信息的影像和后續(xù)處理工程文件。

① 空三加密

空三加密主要包括內(nèi)定向、相對定向、絕對定向、區(qū)域網(wǎng)平差計算。數(shù)據(jù)處理首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化處理，生成校正后的POS數(shù)據(jù)以及初步質(zhì)量報告，對航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行初步評價。然后通過像控點進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計算所有影像的外方位元素和加密點的地面坐標(biāo)。進(jìn)行空三加密，主要通過內(nèi)定向、相對定向?qū)⒖蚍鴺?biāo)系轉(zhuǎn)換到像空間坐標(biāo)系，結(jié)合像控點刺點進(jìn)行絕對定向?qū)⑾窨臻g坐標(biāo)系納入當(dāng)?shù)氐胤阶鴺?biāo)系中，并采用光束法作為平差模型，將整個測區(qū)最佳地納入當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系中，完成空三加密過程。

② 生成DEM、DOM

根據(jù)上述空三加密的成果，采用空三導(dǎo)入的方法通過單片后方交會進(jìn)行定向，創(chuàng)建立體像對，建立數(shù)字立體模型，對航攝照片進(jìn)行核線重采樣制作核線影像，并進(jìn)行核線影像匹配，生成點云。通過點云數(shù)據(jù)生成數(shù)字表面模型，進(jìn)行房屋過濾，生成數(shù)字高程模型。利用DEM數(shù)據(jù)對影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正和影像重采樣，生成單片的DOM并進(jìn)行色彩調(diào)整、影像鑲嵌等，最終得到DOM成果。

③ 變化分析

對兩時相影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，疊加兩時相高分遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化人工解譯，將城區(qū)劃分為網(wǎng)格逐個處理，提取出該時間段內(nèi)地表覆蓋變化情況，得到變化圖斑。

④ 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

采用GIS數(shù)據(jù)庫對違建圖斑進(jìn)行管理，并建立建筑變化圖斑數(shù)據(jù)庫，高時效、多維度統(tǒng)計管理，直觀反映違建情況，對后續(xù)工作進(jìn)行有效規(guī)劃，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

2 智能查違實踐案例

使用系統(tǒng)分別于2015年和2016年對某市地鐵線上建筑物重點監(jiān)測區(qū)域開展了傾斜攝影測量工作，對拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與建模，全長約14.5 km，對沿線500 m寬度帶狀地形進(jìn)行三維建模，面積約7.5 km2。

獲得的三維數(shù)據(jù)是可量測的高精度三維模型，如圖3所示，地面最高分辨率5cm，地理坐標(biāo)精度10cm，高程精度10cm?？蓪`法建筑進(jìn)行面積、高度、體積量測。加入網(wǎng)絡(luò)地圖，可按地理位置檢索；加入地理經(jīng)緯度標(biāo)注及地名標(biāo)注，支持按名稱進(jìn)行檢索；支持多種形式展示，包括飛行瀏覽、VR瀏覽、手動播放等；支持建筑物提取、標(biāo)注、比對。

通過變化檢測（如圖4所示）、地籍檢核、房屋檢核以及分析整理等模塊處理后快速確定疑似違建圖斑及其詳細(xì)信息，相比于以往傳統(tǒng)常規(guī)方法，系統(tǒng)最小檢測面積可達(dá)30×30像素、最小檢測高程1m、正確率優(yōu)于90%、成果支持多格式輸出及處理速度不小于5～10km2/工作站/天，違章建筑確認(rèn)工期大大縮短，效率高。

圖3 某市三維模型展示Fig. 3 3D model display

圖4 某市城區(qū)變化檢測對比Fig. 4 Urban changes in the detection of contrast

3 結(jié)束語

無人機(jī)航空攝影測量具有影像分辨率高、運行成本低、響應(yīng)快速、機(jī)動靈活等優(yōu)點，已成為航空攝影測量的有益補(bǔ)充，是空間數(shù)據(jù)獲取的重要工具。被廣泛應(yīng)用于小區(qū)域航空攝影測量、城市規(guī)劃與市政管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、危險區(qū)域目標(biāo)影像獲取、自然災(zāi)害監(jiān)測評估、征遷拆違與應(yīng)急指揮等領(lǐng)域，特別是使用無人機(jī)航空攝影獲取高分辨率影像，通過不同期影像的比對，可以識別出疑似的違章建筑尤為突出。這種方法可獲取違章建筑精準(zhǔn)的位置信息，有影像作為證據(jù)，為政府以及有關(guān)部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、決策信息和執(zhí)法依據(jù)。無人機(jī)遙感系統(tǒng)所代表的無人化、自動化、高效率化、高分辨率化是未來航空遙感和測繪工作的主要發(fā)展趨勢之一。

對現(xiàn)有的技術(shù)方法進(jìn)行整合與集成,從而使整個違法建設(shè)監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)的流程更加高效，是本研究今后需要繼續(xù)深入的難點問題。保證影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確地更新，是違法系統(tǒng)發(fā)揮作用的關(guān)鍵問題。