直升机倾斜摄影测量在违法建设巡查中的应用

金兵兵，金 婷，刘 洋， 吴子为

（1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060）

大城市经济快速发展的同时，也引发了城市的一些病态现象，不断涌现的违法建设就是其中一个非常突出的问题[1-2]。然而目前违法建设巡查方式略显粗放被动，主要依靠执法部门的人工现场巡视和群众举报，属于粗放被动接受式巡查，难以满足违法建设动态监管需要。因此迫切需要对当前的违法建设巡查工作提档升级，研究更为科学、实用且高效的巡查技术方法[3-10]。基于此，本文以广州市天河区为例，提出一种以倾斜摄影测量技术为基础，融合多节点并行计算、建筑单体化建模、快速变化检测、内业三维矢量提取技术为一体的违法建设巡查模式，精准、高效地获取违法建设数据信息，解决违法建设执法存在的问题，助力违法建设治理工作。

1 总体技术路线

1）围绕违法建设监管需求，针对研究区的复杂场景，采用直升机平台搭载框幅式5 镜头数码航摄仪，合理分区进行航线规划，进行倾斜摄影外业数据采集。

2）在影像预处理、POS 解算、像控点加密、控制测量的基础上，基于多节点并行计算数据处理，开展空三解算、数据密集匹配及三维建模，得到实景三维模型、正射影像和数字表面模型（DSM）。

3）基于面向对象分类方法构建可靠决策树，实现建筑物快速单体化，提取建筑物轮廓边线。

4）利用正射影像和数字表面模型（DSM），基于分类后比较法的变化检测技术，提取农村地区隐蔽、分散的违法新建图斑。

5）在EPS 中加载实景三维模型和正射影像，二三维联动勾绘违法建设图斑，开展内业三维矢量提取和面积量算，辅以适当的外业核查及修补测，构建违法建设图斑数据库，编制指引图册和统计表格，建立违法建设动态监控的台账。整体技术路线如图1 所示。

图1 总体技术路线

2 关键技术

2.1 复杂场景下的直升机倾斜摄影外业数据采集

航摄区域总面积200 km2，地面分辨率设计精度优于2 cm，总体地势由北向南倾斜，形成低山丘陵、台地、冲积平原三级地台，地势复杂，既覆盖了高楼林立的CBD 珠江新城，也包含广州典型的城中村区域，建筑物高程起伏较大，且位于南部战区机场的净空五边以内，空域控制严格。

倾斜摄影数据采集具体包含飞行平台及相机选型、航线设计、数据采集、像控点布设加密、影像预处理、POS 解算、控制测量等多个技术环节，其中针对航摄区域的复杂场景，飞行平台及相机选型、航线设计是倾斜摄影外业数据采集的关键。

在飞行平台及相机选型方面，针对上述复杂场景，综合考虑飞机布局、航速、航高及安全性能，采用较无人机平台续航时间更长的“贝尔206”直升机作为航空摄影飞行平台，对于复杂大场景下航摄任务的实施更具有可行性。搭载框幅式数码航摄仪SWDC5-P100，单镜头1 亿像素，5 镜头总像素高达 5 亿像素，满足地面高分辨率要求（如图2 所示）。

图2 贝尔206 直升机平台和数码航摄仪

在航线设计方面，由于航摄影像地面分辨率受飞行高度的影响，若对地形起伏较大的区域采用同样的飞行高度，将会导致影像地面分辨率存在较大起伏，不满足精度要求。因此，依据地形、机场位置、空域情况等，将全区分为高程分布较为均匀的多个区域，对各个区域分别实施航线规划（如图3 所示），从而保证测区具有相似且满足精度要求的影像地面分辨率。

图3 航线规划分区

2.2 并行计算数据处理

数据处理是摄影测量中至关重要的一步，由于外业采集采用了5 镜头相机传感器，航摄范围约200 km2，摄影重叠度和像对数的大幅增加，传统的单机串行处理计算难以满足要求，故引入多节点并行计算数据处理模式。①并行计算是指将数据处理任务划分为若干并行的子任务，安排至相应的节点位置，基于各节点位置处理器的协同操作，可同时对子任务进行处理，极大地缩短了计算耗时。②并行计算系统是由并行算法、并行编程以及并行机组合而成的，其具体结构如图4 所示。③并行机作为该系统的基础，其核心部分由处理器、互联网络及内存组成，并行机之间通过互联网络实现连接和同步操作。④并行算法的核心设计主要包括任务分解、任务聚合、通信设计及处理器映射4 个步骤，运算时在不同编程环境中获得最终计算结果。

图4 并行计算流程示意图

本研究涉及的数据密集匹配、空三解算、三维建模均基于并行计算模式，利用Smart3D 软件完成。以三维建模处理为例，将任务进行空间分块，将摄区分为若干个100 m×100 m 等面积的规则子区域块，基于多节点并行计算技术，利用一台计算机发布任务，将原先集中在单节点上的庞大计算任务，负载均衡地分派给分布式网络中的数十台计算机上并行处理，最后进行成果合并，大大提升了数据处理效率。

2.3 面向对象分类的建筑单体化建模

建筑物是城市场景中最重要的对象，虽然通过倾斜摄影技术能够重建三维实景模型，这种方式得到的场景模型是一个整体，基本能满足视觉上的观感，但不能实现计算机对目标对象的识别、属性的赋予且无法对违法建设进行量算。因此，还需要实现目标的语义分割，尤其是建筑物的单体化建模。

为此，本研究充分利用倾斜摄影多视影像密集匹配快速获取的高精度、高密度点云数据，在对点云进行滤波处理及水平点云提取、聚类的基础上，以多尺度平面分割为基础，结合多层次面向对象分类方法，构建典型目标的可靠决策树，基于栅格图像计算点云面域之间的拓扑关系，得到各建筑单体的点云覆盖范围，并利用最小二乘拟合法，提取合并后的点云外轮廓，最终得到独栋建筑的水平外轮廓范围。

2.4 基于分类后比较法的快速变化检测

违法建设包含违法加建和违法新建两类，相较于城市违法加建行为，广大农村地区占用地和未利用地的违法新建行为具有分布零散、隐蔽等特征，人工巡查较为困难。利用倾斜摄影测量形成的正射影像数据、数字表面模型，比对不同时相影像数据，基于分类后变化检测技术开展动态监测，提取违法监测图斑，保障了巡查效率，具体包含土地利用分类和变化检测2 个步骤（如图5 所示）。

图5 分类后比较法的变化检测图斑提取

1）多尺度土地利用分类。采用不同尺度下的分水岭算法进行多次数的分割，最终生成网络层次结构，其中的每一次分割过程均以低一层的影像对象为基础，进行区域合并，依据经验参数设置尺度参数阈值。对影像分割结果进行样本训练，通过人工判断方法分析不同地物类别在特征波段上的特征值，采用人工筛选的方法制定分类规则，并采用模糊分类法对影像进行基于对象的分类，最终得到各地物类别分类结果。

2）变化检测。对同一区域的前后时相影像数据，采取上述分类后，对得到的分类结果进行基于变化检测算法深入比较，提取违法建设图斑。经实验表明，自动提取的违法建设图斑精度高，能有效提高生产效率，降低人工漏查几率。

2.5 二三维联动矢量提取和面积测算

本项目违法建设图斑的巡查目标和判定标准，主要是城镇、农村、公共管制等区域内乱搭乱建的阳光房、简易房、砖木结构、蓝皮屋、田间窝棚等违法建筑。依托清华山维EPS 平台，加载实景三维模型和正射影像数据，依据上述判定标准，实现房屋轮廓的自动提取，同时针对违法建设的建构筑物，从不同角度借助十字与垂直辅助线进行点与线的量测，实现二三维联动矢量勾绘（如图6 所示）。在图斑构面和属性录入阶段，将重复性录入工作通过在EPS 中编写脚本，一键化实现房屋构面及房屋结构、层数、天面等属性信息导入，形成违法建设巡查图斑数据库，制作违法建设指引图册和统计表格。

图6 EPS 三维测图模块下违法图斑勾绘

3 结果分析

3.1 成果制作及分析

在天河区136.43 km2的辖区范围内，查清了7 万余个约600 万m2建设量的违法建设图斑，形成了全区21 个街道的违法建筑指引图册、统计表格，以供城管执法部门实地核实；建设了违法建筑数据库，纳入违法建设信息化动态监管（部分成果如图7 所示）。

从全区违法建筑数量的地域分布来看，位于城乡结合部的凤凰街道违法建设最为严重，图斑数量为8 107 个，其中村级工业园违法乱建情况较为突出，其次是棠下（7 064 个）、长兴（6 941 个）、员村（5 963 个）、车陂（5 719 个）、珠吉（5 534 个）等城中村聚集区域，反映出城郊和城中村的违法巡查任务较为严峻。

3.2 成果精度检测

采用传统全站仪，布设图根导线63 条，外业设站对违法建设巡查成果的地物点点位进行精度检测，采用钢尺对地物点间距进行检测。共抽取检测地物点位2 000 个，点位中误差4.1 cm；抽取检测地物间距2 000 个，间距中误差为5.7 cm，具体指标如表1 所示，精度符合测量规范及技术设计要求（点位中误差±15 cm；间距中误差±10 cm）。

表1 精度检测统计表

4 结 语

本研究构建了一种以倾斜摄影测量技术为基础，融合多节点并行计算、建筑单体化建模、变化检测、二三维联动矢量提取技术为一体的违法建设巡查模式，能快速获取大场景下的违法建设情况，提供了时效性强、分辨率高、精度符合技术要求的正射影像、实景三维、数据库、图册、统计表格等佐证资料，摸清了天河区全域违法建设的底数，健全完善了违法建设治理查处工作台账，为城市违法建设治理提供了精确的数据支撑。