面向智能查违的北斗无人机低空感知与服务系统

王诚龙，王吉旭，张 亮，赵悦璇

(1. 武汉大学 天津空间信息研究院，天津 301700；2. 北京理工大学，北京 100081;3. 哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028；4. 深圳市智绘科技有限公司，广东 深圳 518052)

0 引 言

随着国家城镇化进程的高速发展，城市规模迅速扩大，人口急剧膨胀，土地增值收益的飙升，加之土地管理和利用制度不尽完善，使得各方对土地的争夺日益激烈。在利益的驱动下，违法抢建愈演愈烈,违法搭建、插建扩建屡禁不止。为掌握城市的变化,实施有效的管理,各级政府城乡规划主管部门迫切需要掌握城市中的合理规划布局、土地使用、违法建筑区域、非法占地等方面的信息。常规的违法建设发现手段主要是依靠执法部门的现场巡视和群众举报,然而毕竟巡查力量和巡查时间有限,难免出现纰漏。同时存在调查取证困难的问题。通过遥感变化检测的手段获取城市空间地理信息,进行城市违章建筑的快速监测,不但既省时,又省钱,效率高,同时又为执法部门提供科学客观定量的依据[1-3]。

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。而无人机是一种能携带多种设备、执行多种任务、循环使用的无人驾驶航空器。北斗高精度无人机航测技术是利用现有北斗高精度GNSS定位、智能化操控平台、高精度传感器、全自动化操控、专业化空三数据加密等应用技术来实现的，具有高效率、低成本及高分辨率的优点[4-6]。无人机航测技术能够充分提高调查和监测的水平和效率。同时，获取的信息不仅客观性好、现势性强、时效性高、无人为干扰因素，而且信息的定性、定位和定量精度高，可为城市规划建设提供有力的手段，被广泛应用于土地利用的动态监测、征迁拆违工作的调查以及衍生各类最新时相的专题图，通过影像可及时修编和更新地图，建立最新的地理数据库等[7-8]，对城市违章建设进行动态监测和查询。

1 智能查违综合服务系统

智能查违综合服务系统依托北斗高精度无人机低空航空摄影具有安全、快捷、成本低、影像分辨率高等优点，以倾斜摄影测量技术为核心，采用六旋翼北斗导航无人机为飞控平台，五镜头照相机为传感器，使用北斗无人机调度与管理系统同步记录拍摄时位置、姿态等信息，通过后期数据处理快速获取并生成实时测绘地理信息，及时提供可靠、实时、直观的二维或三维影像图，建立建筑实景三维立体模型，弥补全野外数字化测绘效率低、生产周期长等不足，对比传统立体像对测图，倾斜三维测图可以360°无死角，因而无须进行房檐改正，提高了工作效率和测图精度。基于地理空间多功能遥感数据处理平台，利用相同地区不同时相建筑实景三维立体模型在高度、平面位置以及纹理的变化等建筑识别技术，同时结合已有房屋数据信息，以影像数据库、规划专题数据库、地形数据库为研究对象，集成RS、GIS技术对城市违章建筑和城市发展改建、扩张等进行动态监测和查询。

1.1 北斗无人机飞控平台

考虑到城市作业环境的复杂性，低空航空摄影使用无人飞行器需具有小场地起降的能力以及能够在航摄过程中保持稳定性，优先采用兼顾效率与稳定的六旋翼无人飞行器，配备北斗无人机调度与管理系统同步记录拍摄时位置、姿态等信息。综合考虑飞行可靠性、操作使用性、起飞和着陆场地要求等实际低空航空摄影测量的需要及三维实景影像模型建立的条件要求，硬件设备的性能应满足的基本指标见表1。

表 1 硬件设备参数指标要求Tab. 1 Requirements of hardware equipment parameters

1.2 综合业务系统

系统由北斗无人机调度与管理模块、影像分析与变化检测模块、多时相违建可视化监测模块、影像数据建库与管理模块和Web GIS应用模块构成，实现的功能结构如图1所示。

图1 功能结构Fig. 1 Functional configuration

1）北斗无人机调度与管理

结合示范区的地块信息、GIS地图数据，利用路径规划算法生成无人机作业最优路径，为无人机提供路径规划增值服务，高效获取高分辨率遥感影像数据源。为行业管理部门提供无人机属性管理、驾驶员属性管理、信息实时查询等管理功能，实现信息化管理。

2）影像分析与变化检测

满足违章建筑普查、典型地物提取中需要诸多的影像分析操作，如边缘检测、纹理分析、光谱匹配等功能需求，采用面向对象的影像分析方法用于高分辨率遥感影像的分析。变化检测是建立在影像分析基础上的高级分析系统，实现像素级的变化检测、对象级的变化检测以及分类后图像变化检测等功能，而且提供完善的后处理技术。

3）多时相违建可视化监测

提供可视化监测现有违章建筑的整治拆迁工作和违章建筑的出现过程，以现有违章数据为基础，结合多时相遥感影像实现现有违章建筑拆除进度的监控，及时了解整治情况。同时，根据多时相遥感影像及时发现违章建筑的修筑、扩建等，将其消灭在萌芽状态。

4）影像数据建库与管理

对历年的不同时相影像数据，分别建立无缝影像库。基于影像库建立时相索引，再利用算法来实现多时相影像数据管理与调度。

5）Web GIS应用

利用共享平台空间数据发布的功能在政府内网发布违章监测的成果，供工商、城管等部门使用。Web GIS应用模块由地理信息发布和数据维护两部分构成：地理信息发布部分总体结构采用跨平台的多层B/S体系结构；数据维护部分以Oracle数据库作为后台支持。通过将矢量数据与影像数据相结合的方式，直观形象地展现所需的信息，提供良好的可视化和简单、方便的操作界面。

1.3 数据采集与综合分析

数据采集基于北斗无人机调度与管理软件，实现航线规划、飞行控制及原始机载数据处理。基础数据整理基于ArcGIS Engine组件以及ArcGIS Server平台进行开发，可以支持多用户进行并发作业和访问，所使用的GIS数据库以Oracle Spatial方式进行存储。为充分保证数据库系统的稳定性、安全性、高效性和海量数据存储及快速访问能力，在服务器端采用Oracle数据库服务器，数据库客户端操作系统采用Windows操作系统。同时，为了高效率访问Oracle数据库和充分利用Oracle数据库提供的强大功能，直接调用Oracle提供的API接口来访问GIS数据库，为数据分析提供了坚实的数据支持。

数据分析软件基于GIS平台进行二次开发，通过对同一区域不同时相建筑物的实景真三维模型和正射影像图数据进行对比分析，通过面积变化、高度变化、灰度变化等确定疑似变化区域，再通过人机交互与已有地籍和房屋数据进行对比进一步确定最终疑似违章建筑并输出相关信息供城管部门进行实地核查。软件系统以点云数据、正射影像图、实景三维数据为基础，同时结合地籍、房屋等空间数据库进行综合分析，通过变化监测、地籍核查、房屋核查以及分析整理等4个功能模块最终生成疑似违章建筑信息。

1.4 智能查违处理方法

先根据测图区域的航空影像资料进行外业像控测量，再利用数字航片，在数字摄影测量系统上采用光束法区域网空三加密对外业像控成果进行加密，建立测区各模型的立体像对，以便后续进行全要素数字地形图测绘；同时对航空影像进行全微分纠正，以生成大幅正射影像图供两违监控政府部门出台相关政策、监管部门执法依据之用。数据处理方法如图2所示。

图2 处理方法Fig. 2 Processing method

1)外业

通过北斗无人机调度与管理子系统规划航线进行航测，采取分区设计航线进行分区航摄。

2)内业

对外业航拍影像数据进行预处理、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。

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。数据处理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。进行空三加密，主要通过内定向、相对定向将框幅坐标系转换到像空间坐标系，结合像控点刺点进行绝对定向将像空间坐标系纳入当地地方坐标系中，并采用光束法作为平差模型，将整个测区最佳地纳入当地坐标系中，完成空三加密过程。

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，进行房屋过滤，生成数字高程模型。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。

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，将城区划分为网格逐个处理，提取出该时间段内地表覆盖变化情况，得到变化图斑。

④ 数据库构建

采用GIS数据库对违建图斑进行管理，并建立建筑变化图斑数据库，高时效、多维度统计管理，直观反映违建情况，对后续工作进行有效规划，为领导决策提供强有力的数据支持。

2 智能查违实践案例

使用系统分别于2015年和2016年对某市地铁线上建筑物重点监测区域开展了倾斜摄影测量工作，对拍摄的数据进行处理与建模，全长约14.5 km，对沿线500 m宽度带状地形进行三维建模，面积约7.5 km2。

获得的三维数据是可量测的高精度三维模型，如图3所示，地面最高分辨率5cm，地理坐标精度10cm，高程精度10cm。可对违法建筑进行面积、高度、体积量测。加入网络地图，可按地理位置检索；加入地理经纬度标注及地名标注，支持按名称进行检索；支持多种形式展示，包括飞行浏览、VR浏览、手动播放等；支持建筑物提取、标注、比对。

通过变化检测（如图4所示）、地籍检核、房屋检核以及分析整理等模块处理后快速确定疑似违建图斑及其详细信息，相比于以往传统常规方法，系统最小检测面积可达30×30像素、最小检测高程1m、正确率优于90%、成果支持多格式输出及处理速度不小于5～10km2/工作站/天，违章建筑确认工期大大缩短，效率高。

图3 某市三维模型展示Fig. 3 3D model display

图4 某市城区变化检测对比Fig. 4 Urban changes in the detection of contrast

3 结束语

无人机航空摄影测量具有影像分辨率高、运行成本低、响应快速、机动灵活等优点，已成为航空摄影测量的有益补充，是空间数据获取的重要工具。被广泛应用于小区域航空摄影测量、城市规划与市政管理、生态环境保护、危险区域目标影像获取、自然灾害监测评估、征迁拆违与应急指挥等领域，特别是使用无人机航空摄影获取高分辨率影像，通过不同期影像的比对，可以识别出疑似的违章建筑尤为突出。这种方法可获取违章建筑精准的位置信息，有影像作为证据，为政府以及有关部门提供基础数据、决策信息和执法依据。无人机遥感系统所代表的无人化、自动化、高效率化、高分辨率化是未来航空遥感和测绘工作的主要发展趋势之一。

对现有的技术方法进行整合与集成,从而使整个违法建设监测和发现的流程更加高效，是本研究今后需要继续深入的难点问题。保证影像数据、地形数据、规划数据及时、准确地更新，是违法系统发挥作用的关键问题。