遥感航测技术在武汉市房屋拆迁量测算中的应用

朱传勇，答星，刘文光，文琳，任杨

(武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022)

1 引言

随着城市建设水平和经济发展速度的大幅提升，城中村作为中国城市化历史进程中的遗留问题已纳入城市统一规划建设和发展的战略视野。按《武汉市土地利用总体规划(2006年～2020年)》要求，武汉作为国家中心城市要进一步优化土地资源空间布局，节约集约建设用地，从而科学地提升城中村现有的基础设施建设水平［1］。城中村改造工作中一个重要环节，就是针对拆迁升级改造涉及的拆迁补偿费用问题。这一工作任务艰巨，尤其是通过常规的房产测绘和调查手段进入居民区中作业易引起矛盾，严重影响了城中村改造工作的进展。因此，如何利用现代测绘手段摸清拆迁建筑的面积、数量、楼层，成为精确测算补偿费用，切实维护政府和人民利益的关键因素。

随着数码航摄相机性能的不断提高，遥感航测技术也被越来越多地应用于城市规划建设领域。武汉市测绘研究院遥感工程中心受武汉市洪山区胜利村委会的委托，核查2009年和2012年两个时间段该村范围线内房屋建(构)筑物的楼层、投影面积和建筑面积信息，从而科学地测算测区内的拆迁量。本文以武汉市洪山区胜利村城中村改造项目中建筑物面积测算为实例，结合遥感航测技术制定了生产技术方案，并探讨总结了提高生产效率的若干技术要点。

2 航测技术应用于房屋拆迁量测算中的优势

目前国内较为常规的房屋建筑量统计方法主要有3种:①常规测量手段外业采集和房产调查。该方法能得到房屋各角点坐标，统计数据精确，现势性好，但外业工作量大，工程执行力易受多方面因素干扰，同时无法获取历史节点的房屋信息。②基于LiDAR与航空影像对房屋进行计算机自动提取。该方法首先要对LiDAR点云数据进行滤波预处理，常规利用荷兰Vosselman博士提出的基于坡度变化的滤波算法分离出DSM和DEM，再采用图像分割算法对植被、非建筑物等信息进行剔除，从而获取建筑物的地表高程模型［2］。该方法自动化处理程度高，适用于较大范围的房屋面积估算，但数据获取成本高、处理流程复杂，同时房屋边缘因受点云影响而定位不准，且相邻高度的房屋界限无法自动分离，不适合独栋房屋建筑面积的精确测算。③航空摄影测量和GIS相结合的方式。航空摄影测量作为非接触性测量手段，能够真实和详尽地记录摄影瞬间客观景物的纹理和形态，高精度数码传感器也极大地提高了影像的空间分辨率和立体量测精度。对于拆迁主体的城中村房屋来说，以某一特定时间作为分界线的影像资料，能够为判定建筑主体是否违规建设提供确凿证据。由于拆迁工作所涉及利益的特殊性，政府及规划部门通常会在发布公告前，完成拆迁量的测算和评估工作。利用多时态的遥感影像作为评估节点，相较前述两个方法而言，能够提高拆迁量测算工作的保密性和精确性，使成果具有较强的客观性，使历史影像资源实现再增值［3］。

3 项目情况简介及技术路线

本文以武汉市洪山区胜利村改造项目为例，测区内城中村居民房屋呈片状及带状分布，房屋间距密集、搭建现象严重;测区内同时包括铁路厂房、工厂车间、工棚、农用设施等。利用我院已有2009年DMC数码航摄影像和2012年ADS80数码航摄影像资料作为项目数据资源，导入空三成果资料到MapMatrix全数字摄影测量工作站中，恢复立体模型。将原始二维线划图进行预处理，提取房屋数据并转换为三维数据，并以此为据修改测区范围内建筑物顶的外轮廓线，采集建筑物顶面高程和地面高程数据。通过设计楼层判断依据，提取楼层信息，并在GIS软件中测算出两个年代的房屋的投影面积及建筑面积。经外业调绘核查房屋属性和房屋楼层错判等情况，统计两个年代的房屋面积测算表，并用CAD软件制作房屋分布线划图和变化图。最终利用两个年代的正射影像数据，制作成专题影像图。其具体技术流程图如图1所示:

图1 技术流程图

4 生产过程中的关键技术

4.1 房屋楼层的判断依据设计

利用已有空三资料恢复立体模型后，可在立体模型上采集房屋边界线获得房屋的投影面积，再通过房屋的投影面积与楼层的乘积计算建筑面积。因此，判断房屋楼层信息的准确性直接影响到建筑面积的核算精度。通过设置多重标准判断楼层成为房屋拆迁建筑量核算的关键因素。笔者通过实验总结了4条标准判定楼层，第一，基于房屋侧面影像纹理来判读楼层，如能清晰识别窗户数量的房屋，但该方法对像底点周围的房屋和因房屋过密而相互遮挡的情况不适用;第二，基于已有地形图数据与房产测量资料进行辅助判读，但因历史数据的现势性欠佳和综合取舍尺度不同的问题，该方法只能作为参考;第三，基于房屋高差判定，通过采集的屋顶高程与地面高程进行比较得到建(构)筑物高度，按 3 m一层计算楼层，楼层计算余数≥2.5 m加一层，最终得到楼层结果［4］。该方法适用性广，但对于车间、厂房、配电室等特殊建筑物层高与普通房屋层高有一定的误差，直接套用该方法会影响建筑面积的统计精度。第四，向委托方咨询或外业实地调查判断，该方法能对上述楼层判定结果进行检核，同时能对建筑物属性进行定性区分，以便后期核算不同的拆迁成本。

4.2 历史二维线划图的三维处理技巧

由于城中村房屋密集，搭建现象严重，一定程度上也影响了地面高程的采集精度，从而使依靠高差判断楼层有误。利用历史线划图资料，虽现势性不足，但其通过外业测量手段获取的房屋边界线和楼层注记信息可在一定程度上可作为辅助判读楼层的参考依据，如本文使用我院2008年该区域 1∶2 000的线划图数据。因历史线划数据(dwg格式)经二维化处理后，若直接导入到立体模型中会有明显的视差，因此需通过三维化处理，还原数据三维信息。依据这一思路，笔者首先利用FME软件按要素属性编码分类输出房屋、房屋注记、高程点注记层，并在ArcGIS软件中对房屋层要素进行面要素的拓扑构建，确保面要素中包含唯一的注记信息。若测区已有DEM数据可直接利用，若无则利用高程点构TIN，内插生成该区域的地面高程模型。通过ArcGIS软件中Extract Values to Points函数获取注记点位的地面高程，然后加上楼层乘以层高的乘积，得到房屋的近似顶面高层。最后利用空间位置关联注记信息和房屋面要素，并利用Feature to 3D By Attribute函数将顶面高程值写入到房屋三维面的Z坐标中，实验证明，导入的三维房屋边界线数据与立体模型套和后，视差明显减小，有效提高内业采集效率和判读精度。

4.3 多源影像在高程精度和侧面纹理方面的互补

传统框幅式航摄影像的高程精度由于受基高比、像元分辨率等影响，通常无法直接满足 1∶2 000地形图的高程采集精度。由空间前方交会得到的高程精度公式MZ=GSD/(k×b/f)得知，提高高程精度的因素有3点，一是提高基高比b/f;二是提高像点坐标的量测精度即k值越大;三是提高GSD地面分辨率(分辨率越高GSD值越小)。高精度数码航摄相机能够通过更小的传感像元，降低航飞高度，提高地面分辨率，获得较高的高程精度。以本次项目使用的2009年DMC传感器为例，像素大小为12 um，以 1∶12 000摄影比例尺进行航向65%重叠度的1∶2 000航测成图，GSD能控制在14.4 cm(优于成图分辨率 20 cm)，数码影像的像点量测精度为1/3.2个像元(k=3.2)，高程精度能达到 18 cm。而2011年使用的ADS80传感器，能直接通过前后视夹角(前视14°、后视27°)形成接近0.87的基高比(B/H=tan41°)，从而即使使用GSD为 0.2m的推扫影像，数码量测精度为1/3.2情况下获得 8 cm的高程精度［5］。虽然ADS80传感器能获得更好的地物高程精度，但DMC以其较高的地面分辨率和摄影重叠度能够为房屋楼层提取提供更清晰的侧面纹理信息。笔者通过生产实验，房屋变化通常以扩建、搭建、新增、拆除4种为主，其中未大批拆除的房屋地块基本上以搭建和扩建为主，因此通过相邻年代的联合判读，能使不同传感器的数码航空影像在高程精度和侧面纹理方面形成互补。

4.4 房屋图形处理和整饰技巧

立体采集后的数据需要经过悬挂处理、拓扑构面、属性挂接等工序，才能进行统计，否则将影响后续统计精度。利用ArcGIS软件的Topology模块设置必要的拓扑语义能够完成房屋面状构建工作，大部分工序以计算机自动判别为主，但环状面、重叠面等还需要手工判别修改［6］。以叠置面为例，分为完全重叠型和非完全重叠型，对于完全重叠型面可使用FME内置的DuplicateRemover函数，以面积属性和空间位置作为判定依据自动剔除，但非完全重叠型面则只能通过空间位置进行批量提取，再进行人工判断。在房屋面状要素处理完成后，还要完成楼层等属性信息的关联工序，该工序关键环节是确保注记点和房屋面元素的一一对应。获取楼层属性的房屋面元素可批量计算投影面积、建筑面积等，但为后续出图易与房屋对应，还需要添加房屋编号。笔者在ArcGIS软件中提取房屋面心点坐标，利用FME软件中的Sorter函数，按照自上而下、从左到右的顺序依次添加编号，分层输入成Dwg格式后，在CAD软件中，完成最终房屋分布图的图廓整饰工序。

4.5 多源传感器影像制作专题影像底图不同处理方法

通过叠加注记、区域范围线制作不同年代的专题影像图能够为外业调查定位提供准确翔实的影像地物信息，配合房屋分布示意图中房屋范围线、楼层、编号、属性等信息，有效提高外业调绘核查效率。基于不同源的传感器影像在制作专题影像底图的工序上有所不同，本文以2009年DMC影像和2011年ADS80影像为例，前者基于框幅式数码相机航拍获取，在Intergraph ssk中完成空三加密后利用DEM进行单幅影像的正射纠正，再利用Geoway ImageStation软件实现影像的匀色和镶嵌拼接工序，最后根据测区范围线裁切矩形的专题影像图底图。后者是基于推扫式传感器航拍获取，单幅影像覆盖面积多达60余平方千米，需利用能够处理线中心投影模型的PF(像素工厂)系统完成ADS80数码影像的空三加密工序，并在Leica Gpro软件中完成L0级影像到L2级正射影像的纠正工序。常规匀色拼接软件在处理超过2G大小的影像方面效率偏低，因此需对带状正射纠正L2级影像进行分块处理，生成带有重叠度的分块数据，并利用Inpho软件进行镶嵌线编辑及全局匀色工作，最后根据测区范围线裁切矩形的专题影像图底图［7］。

5 结论

当前，武汉市正处于城市建设快速发展时期，城中村改造规划升级的步伐也在逐步加快。利用航测遥感技术对拆迁区的房屋进行非接触测量和面积统计，一方面能够快速地获得拆迁补偿信息，另一方面能有效地解决拆迁补偿纠纷问题［8］。本文以武汉市洪山区胜利村拆迁量测算项目为例，充分发挥我院历史影像遥感数据的优势，实现资源再升值，同时拓展了我院航测遥感技术与多源化的业务领域合作的视野，为武汉市大面积城中村改造项目的铺开提供一条高效可行的测绘保障之路。

［1］ 马文涵，吕维娟.快速城镇化时期武汉市“两规合一”的探索与创新［J］.规划师，2012(11):79～84.

［2］ 汪岩松，刘平，许邦鑫.基于LIDAR数据和航空影像的输电线路工程房屋拆迁量统计方法［J］.电力勘测设计，2012(5):15～20.

［3］ 赵希琴.多时段航空影像在房屋拆迁管理中的应用［J］.福建建筑，2010(5):14～16.

［4］ 钱兆向.基于多时相遥感数据的房屋普查测绘技术［J］.福建建筑，2008(3):76～78.

［5］ 张森，黄金华，冯立丽等.ADS80数字航空摄影测量立体测图高程精度分析［J］.城市勘测，2013(2):107～108.

［6］ 叶柯，王翊，张乐陶.ArcGIS拓扑检测在二次调查成果数据缩编中的应用［J］.江西测绘，2012(3):46～49.

［7］ 李琼，刘亚虹，张义明.利用ADS80数据制作大比例尺正射影像的技术探讨［J］.测绘地理信息，2013(3):46～48.

［8］ 陈继祥.航空摄影测量及GIS技术在城中村监控中的应用［J］.测绘地理信息，2013(4):76～77.