基于无人机影像的违章建筑监测分析

郑志宏，杨文竞

(泉州市规划勘测研究院，福建 泉州 362000)

基于无人机影像的违章建筑监测分析

郑志宏*，杨文竞

(泉州市规划勘测研究院，福建 泉州 362000)

为了掌握城市的变化，实施有效的管理，规划部门迫切需要掌握城市的违法建筑面积、违法用地面积等信息。传统的航摄方式(如卫星遥感、普通航空遥感)数据获取周期较长、缺乏机动灵活性，不适用于短期、高频的城市动态监测研究。本项目采用无人机影像进行违建分析，通过网格化监测结合人工目视解译，将泉州市区分为 1 km×1 km格网，并结合批地数据，利用GIS技术空间、数据叠加及建库技术对城市违章建设进行城市动态监测。

无人机；影像；违章建设；监测分析

1 引 言

随着城市的快速扩张，城市的变化也一日千里。为了掌握城市变化情况，以对城市进行高效科学的管理，城市规划主管部门需要掌握城市规划布局、土地利用、违法建筑面积、违法用地等方面的信息。

遥感具有宏观、动态、快速、准确和全面的优点，适合大范围、远距离等各种变化的监测分析。通过遥感手段，获得了不同时期的城市地表信息，可分析监测城市用地变化，为规划管理部门提供了科学客观定量的依据[1]。

传统的航摄方式(如卫星遥感、普通航空遥感)存在着信息获取费用昂贵、数据获取周期较长、缺乏机动灵活性等问题，不适用于短期、高频的城市动态监测研究。而低空飞行方式具有较短的数据获取周期，对天气要求不高，可较灵活地获取高分辨率影像数据。并且低空无人飞行器运输便利、升空准备时间短、操作简单，可以快速到达指定地点。航飞时间自由灵活。低空无人飞行器一次性投入成本、使用成本均相对低廉，切设备易于操作和维护[2]。以低空无人机作为平台的影像数据具有对天气依赖性较小、影像分辨率较高、机动性较强、一次性投入较少、性价比较高、使用方便的优势更适合用于城市地表变化的监测[3]。

本项目通过对无人机获取的遥感信息进行处理分析，并采用有别于传统的遥感监测方法，采用网格化监测结合人工目视解译，将泉州市区分为 1 km×1 km格网，进行动态监测。并结合批地数据，利用GIS对城市违章建设进行城市动态监测。

2 在监测城市违章建设中的应用

利用RS技术进行动态变化分析是城市用地变化监测的一种常用方法，在数据源选择上通常采用传统卫星、航空摄影[4]。本文在数据源上选取低空无人机影像，以提高分辨率和时相性，解决传统影像技术的不足。并根据违章建筑物的特殊性选择不同的变化信息监测方法。

2.1 项目概况

(1)研究区概况

鲤城区是泉州市中心城区之一，陆域面积 53.74 km2，处于东经118°29′～118°37′，北纬24°52′～24°56′之间，地势西北高东南低，平坦开阔，台地和平原占全区总面积的70%以上。位于晋江下游的泉州平原，东、北邻丰泽区，西、北毗南安市，西、南与晋江市交界，因区域范围较大，进行分期航摄。

(2)无人机遥感平台

本次低空飞行器获取航空摄影采用索尼ILCE-7R。因该相机，且经常变动，需要对其进行检校，以获得其精确的内方位元素。确定物镜后节点和像片面相对位置的数据，称为像片的内方位元素。包括像主点(摄影机主光轴与像片面的交点)，在像片框标坐标系中的坐标x0、y0和像片主距f[5]。摄影时，地面上各点与投影中心之间形成的摄影光束可用像片上各相应像点和投影中心之间的光学来确定，如图1所示。

地面控制系统采用Misson Planner，采用INPHO全数字摄影测量工作站，进行空三加密。

图1 航摄相机检校

2.2 作业流程

图2 建筑变化监测工作流程

(1)外业航拍

①影像控制测量

由于泉州市是海边城市，风力较大，无人机质量相对较轻，且航拍高度位于 500 m以下的低空，属于风区，很容易受到风力影响。导致无人机偏航、飞行姿态不稳、破坏航摄的稳定性，致使POS数据精度降低。为了提高内业成图精度，需要在测区范围内布设摄影测量控制点，本项目像片控制点布设以泉州市CORS为基础，观测采用RTK技术，平面及高程精度为 ±2 cm。

②无人机航测

通过地面站软件MissonPlanner规划航线，进行航测，由于本次项目范围较大，任务路线较长，采取分区设计航线，进行分区航摄[6]。飞行高度设置 300 m。设置完成后进行航摄作业，如图3所示。

(2)内业数据处理

对外业航拍得到的相片和POS数据进行预处理，通过软件将其进行数据融合，并通过控制点对数据进行校正，生成带位置与姿态信息的影像和后续处理工程文件。

POS系统主要是IMU/GPS通过将航摄仪和定位定姿系统集成在一起，POS硬件主要包括GPS和IMU设备。通过GPS获取航摄仪的位置参数(即外方位线元素)及惯性测量装置IMU测定航摄仪的姿态参数(即外方位角元素)，经过处理，可直接获得每张像片的外方位元素，减少外业布设像控点工作量。

①空三加密

空三加密主要包括内定向、相对定向、绝对定向、区域网平差计算，内定向是实现拍摄得到的右手像方坐标系转换到像平面坐标系；相对定向时暂不考虑外方位元素，建立任意比例尺和方位的相对立体模型，实现从像平面坐标系到像空间坐标系的转换，相对定向的唯一标准是所有同名点投影光线对对相交。绝对定向是在相对定向的基础上，利用地面控制点实现从相对空间坐标系到地面坐标系的转换。区域网平差采用光束法平差模型，使整个区域最佳的纳入到泉州坐标系统中。

图4 共线方程

具体数据处理中：首先进行数据的初始化处理，生成校正后的POS数据以及初步质量报告，对本次航飞数据进行初步评价。然后通过像控点进行区域网平差计算所有影像的外方位元素和加密点的地面坐标。

在INPHO中进行空三加密，主要通过内定向、相对定向将框幅坐标戏转换到像空间坐标，结合像控点刺点进行绝对定向将像空间坐标系纳入泉州地方坐标系中，并采用光束法作为平差模型，将整个测区最佳的纳入泉州坐标系中，完成空三加密过程，如图5所示。

图5 空三加密流程

②生成DEM、DOM

根据上述空三加密的成果，采用空三导入的方法通过单片后方交会进行定向，创建立体像对，建立数字立体模型，对航摄照片进行核线重采样制作核线影像，并进行核线影像匹配。生成点云，通过点云数据生成数字表面模型(digital surface model)，进行房屋过滤，生成数字高程模型(digital elevation model)。

根据上述空三加密的成果，利用DEM数据对影像进行数字微分纠正和影像重采样，生成单片的DOM，并进行色彩调整、影像镶嵌等，最终得到DOM成果[8]。

由于无人机飞行高度较低，高层地物同名点视差较大；所携带的航摄系统为非量测型相机，相机内部参数较不稳定，没有经过严格的相机检校，按照相机中心投影的成像原理，影像边缘投影误差较大，经过软件自动处理生成的DSM和DOM，由于DSM精度不足，对于地面高层建筑物无法进行真正射纠正，自动生成的DOM往往会出现接缝和建筑物边缘扭曲的现象[9]，所以，需要对正射影像的镶嵌线进行人工编辑，镶嵌线的选取及修改应尽量避免穿过独立地位，如大型建筑物、停车场等，选择纹理不丰富的位置，远离影像的边缘，尽量沿道路及地面实体的边缘等[10]。同时，对于不同拍摄角度、位置的照片存在的色差、亮度差进行匀光匀色处理，镶嵌线周边羽化处理，保证照片镶嵌自然，整体影像亮度、色差一致。

③变化分析

对两时相影像数据进行预处理后，叠加两时相高分遥感影像数据进行网格化人工解译，将鲤城区划分为 1 km×1 km的网格逐个处理，提取出该时间段内地表覆盖变化情况。得到变化图斑，如图6、图7所示。

图6 监测网格建立

图7 鲤城区建筑变化图斑

④建立变化图斑GIS数据库

传统的违章建设采用Excel管理，在对违法建设点位数据进行采集时，采集人员首先将航空影像打印成纸质地图，在纸质地图上标注文字说明，违法建筑的其他属性信息均以Excel表存储，不够直观。在Excel电子表格中汇总，时效性差、统计维度单一、无法直观反映违建情况。无法对后续工作进行有效规划，无法为领导决策提供强有力的数据支持。本项目采用GIS数据库对违建图斑进行管理，并建立变化图斑数据库，真正的用于管理，使得每个变化的图斑都可查可管，如图8所示。

图8 变化图斑GIS属性表

3 结 语

在鲤城区利用无人机遥感影像进行动态监测中，取得有效的结果，方便管理。该方法具有良好的可操作性、可行性，较好地完成了城市规划区地表用地变化的监测分析。通过生成的违建图斑一览表使得违建一目了然、公平公正。并且可以可以直接和管理接轨，方便的操作使用。

基于无人机遥感影像对城市变化进行动态监测，取得了巨大的社会效益和经济效益。尤其在违建和城市规划方面，已在泉州规划局、执法局实行推广，并且都取得了一致的好评。

[1] 潘富成，左德山，郝萱等. 基于遥感影像的自动变化检测技术在北京市违法建设监测应用研究[J]. 中国科技成果，2014(13)：43～45.

[2] 崔红霞，林宗坚，孙杰. 无人机遥感监测系统研究[J]. 测绘通报，2005(5)：11～14.

[3] 孙杰，林宗坚，崔红霞. 无人机低空遥感监测系统[J]. 遥感信息，2003(1)：49～50.

[4] 晏磊，吕书强，赵红颖等. 无人机航空遥感系统关键技术研究[J]. 武汉大学学报·工学版，2004，37(6)：67～70.

[5] 陈光. 遥感图像中建筑物识别与变化检测[D]. 南京：南京理工大学，2005.

[6] 高晖，陈欣，夏云程. 无人机航路规划研究[J]. 南京航空航天大学学报，2001，33(2)：135～138.

[7] 洪宇，龚建华，胡社荣等. 无人机遥感影像获取及后续处理探讨[J]. 遥感技术与应用，2008，23(4)：462～466.

[8] 曹明兰，薄志毅，李亚东. 无控制点数据的无人机影像DOM快速制作[J]. 测绘通报，2016(8).

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[10] 贾建华，张敏，刘潘等. 高分辨率无人机低空影像DEM的建立及其精度研究[J]. 测绘科学，2011，36(4)：201～202.

Analysis of Illegally Built Buildings Monitoring Based on UAV Remote Sensing Image

Zheng Zhihong，Yang Wenjing

(Quanzhou Institute of Planning and Surveying，Quanzhou 362000，China)

In the interest of the changes in the city，the implementation of effective management，planning departments need to grasp the city's illegal construction area，illegal land area and other information. Traditional aerial photography (such as satellite remote sensing，remote sensing) data acquisition cycle is long，the lack of flexible and flexible，does not apply to short-term，high frequency dynamic monitoring of urban research. The unmanned aerial image is used to carry on the illegal construction analysis. The grid is divided into 1km×1km grid by the grid monitoring combined with the manual visual interpretation. Combined with the data of the land grant，Dynamic Monitoring.

unmanned aerial vehicle(UAV)；image；illegal construction；monitoring and analysis

1672-8262(2016)06-84-04

P235

B

2016—08—07

郑志宏(1974—)，男，高级工程师，主要从事工程测量、3S集成等技术管理工作。