减量提质背景下的北京市单体建筑监测关键技术创新与应用

余永欣 王文宝 秦 飞 王 怡 谢艳峰 郭燕宾 靳子航

(1. 北京市测绘设计研究院, 北京100038;2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京100038;3. 北京图拓扑科技有限公司, 北京100043)

0 引言

漫长的岁月长河里，诞生的一座座建筑，除了实用和美学之外，更是一座城池的精神符号，建筑对于城市有着极其重要的意义。经多年发展，北京发生沧桑巨变，城市快速发展中也出现一些新问题，集中表现为“城市病”[1-2]。 2013年12月23日，北京首次把治理“城市病”写入市委全会决议，要求全力破解首都可持续发展中的重大问题和百姓关心的热点难点问题。2014年2月26日，习总书记在北京市考察调研时，要求北京市“健全城市管理体制，提高城市管理水平”。2016年，北京市打响治理“大城市病”攻坚战。

“大城市病”突出的根源在于城市承载了过多的功能和产业，北京在“十三五”迎来了新总规，总规首提“减量”。北京“十四五”规划要求深入落实新总规，推动城市空间布局和功能优化调整，科学实施减量提质[3]。

目前，在新发展模式中，要做好人、地、房之间协调关系，要破解这个难题，就必须摸清和掌握北京“房”的家底；重新调整产业和功能空间布局，以产业疏解带动人口疏解[4]。 北京把落实首都城市战略定位，疏解非首都核心功能作为“牵牛鼻子”的重点工作来抓。这些问题的解决都需要掌握一套空间完整、属性丰富、信息准确的北京市单体建筑数据。

1 背景与需求

北京市于2015年完成北京市第一次全国地理国情普查工作，2017—2022年连续六年完成了常态化监测工作。地理国情信息是重大国情国力的客观反映，是制定和实施国家发展战略与规划，优化国土空间开发格局的重要依据，也是科学实施提质减量发展的重要手段，具有不可替代的重要作用。

多年来，北京市立足首都实情，结合实际需求，将单体建筑监测纳入地理国情监测工作，持续不断开展单体建筑变化监测，其成果已在疏解非首都功能、城市体检、规划评估、综合治理和新型冠状病毒疫情防控等多个领域得到应用，在生态文明建设中也发挥了不可或缺的作用[5-6]。

在“城市减量提质”新发展模式中，北京市对时间连续、内容完整规范、质量稳定可靠的单体建筑数据提出了更高的要求，迫切需要创建完善的单体建筑监测机制、技术流程、方法手段及应用服务体系，实现单体建筑快速、准确获取。同时，北京市政府也提出：“要建立动态更新机制，以单体建筑数据为试点，不断完善数据采集，使数据更加精准”等相关要求，因此持续快速开展单体建筑监测，提供源源不断稳固的信息支撑，显得十分必要。

2 总体思路与技术路线

基于北京市第一次地理国情普查和年度地理国情监测工作基础，按照全面覆盖、规范一致、突出重点的原则，依据2020年1月17日自然资源部印发《自然资源调查监测体系构建总体方案》(自然资发〔2020〕15号)及北京市规划和自然资源委员会印发的《北京市规划和自然资源委员会关于加强地理国情监测工作的意见(试行)》(京规自发〔2020〕222号)的文件要求，开展年度单体建筑监测工作，2021年始，开展单体建筑半年更新监测机制，标准时点为每年12月31日、2021年6月30日。

依托北京市地理国情监测工作，先期开展多源数据融合工作，对最新基础地理信息数据、“现状一张图”数据及“国土三调”及变更调查数据、违法建设专项台账现场核验数据、建设工程全过程监督核测数据、市住建委数据、建设工程规划许可数据等相关部门专题资料进行梳理、清洗、归约以及消除冗余等加工处理，形成高质量的数据融合成果。

利用参考高分辨率遥感影像，采用内外业结合的方法开展单体建筑监测，每期监测以上期监测成果数据为监测本底，基于两期监测遥感影像数据，通过人工识别、深度学习模型的机器识别以及人机交互的技术手段识别变化区域，使用内业信息采集、外业调查核查、数据编辑与整理等技术方法与手段，充分利用已经收集的佐证照片数据辅助内业解译，采集变化信息，结合多行业专题数据和外业调查成果，完善专题要素属性信息，最终完成单体建筑专题要素数据更新，并在此基础上开展统计分析。总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术路线

3 监测方法与关键技术

减量提质背景下,通过研发与创新,实现了单体建筑监测手段、关键技术、工艺流程、统计分析及应用服务等方面的提升,形成了一套日趋成熟、具有较强可移植性、创新性的北京市单体建筑监测方法和技术体系。

3.1 监测方法与工艺流程

采用内业采集+外业调查相结合的监测方法开展单体建筑监测工作,采用遥感影像解译、变化信息提取等技术与方法,结合多行业专题数据和外业调查成果,完善单体建筑空间信息和属性信息,最终完成单体建筑数据的半年度更新,并在此基础上开展统计分析。主要内容包括数据资料准备、数据融合、任务区划分、变化信息提取及采集、外业调查、内业整理、统计分析、监测成果数据提交等重点技术环节,其中,质量检查贯穿项目生产全过程,单体建筑监测的工艺流程如图2所示。

图2 北京市单体建筑监测工艺流程

通过技术革新和流程再造,实现提升单体建筑更新手段、数据获取效率和成果质量的目标需求。构建面向首都高质量发展的特大城市单体建筑内容与指标体系,更好地服务城市综合治理;运用了基于机器深度学习的算法模型,实现建筑物的自动变化检测及快速提取,优化检测算法,改进非对称卷积块和注意力机制对U-Net模型改进,实现了对建筑物变化情况的快速检测[7]; 构建以多粒度时空对象来描述特大城市单体建筑的全空间信息系统建模理论,通过提升北京市海量单体建筑数据的丰度和精度,满足了单体建筑数据不同维度的应用需求;创新单体建筑更新工作机制,更新数据生产工艺流程,通过变化检测数据和任务分发,为数据更新提供靶向目标,在此过程中,基础地理信息数据和单体建筑数据迭代优化,基础测绘为单体建筑监测提供空间信息和部分关联属性信息,单体建筑为基础测绘提供更新目标,二者紧密关联、互相支撑,实现螺旋式提升;打通内外业衔接的最后“一公里”,通过基于云架构的信息系统开发,真正实现了从内业采集到外业核查,再到内业编辑整理的实时贯通的内外内全流程技术;构建了一系列单体建筑监测软件体系,包括数据采集、数据预处理、成果质检一系列软件系统,支撑单体建筑一年两次更新全面完成,形成现势性强、精度高、全覆盖的半年度全市单体建筑信息数据,据此,进行相关统计分析与评价,深入开展应用服务探索,积极落实首都新总规,科学实施北京减量提质发展。

3.2 关键技术

3.2.1 构建了面向首都高质量发展的特大城市单体建筑内容与指标体系

面向首都城市总体规划、国土精细化管理、城市精准治理、生态环境保护等需求,利用决策树模型,构建了满足北京特色的特大城市单体建筑监测内容与指标体系。针对北京市等特大城市人口无序过快增长、水资源短缺、城市内涝、交通拥堵、公共服务设施不配套等“大城市病”,开展单体建筑“循环式”试点验证并不断修改完善。

单体建筑立足首都城市国土空间规划需求,充分对接相关政府职能部门,对房屋单体建筑进行五个方面扩展细化等内容,并多次征求有关单位及行业内专家意见,经过试生产验证,最终形成5个一级类(住宅、公共建筑、工业仓储、农业建筑、特殊建筑等)、34个二级类(行政办公、零售商业、批发市场、餐饮、旅馆等)构建了北京市单体建筑监测内容与指标体系(表1),共计51个属性信息字段,充分满足城市精细化管理和公众服务的要求,突出了首都特色。

表1 单体建筑分类类型与代码

续表一级类CC码二级类CC码一级类要素名称二级类要素名称05652监教建筑05653消防建筑05654其他特殊建筑

3.2.2 构建了描述特大城市单体建筑的全空间信息系统建模理论

针对北京市单体建筑监测的综合应用需求,突破传统地理信息系统(geographic information system,GIS)局限,创新全空间信息系统理念,解决了单体建筑的接入、处理、描述、表达、管理、分析和应用等关键技术问题,对北京市单体建筑设计了58种结构类型丰富的属性信息数据,全面构建了北京市单体建筑的三维立体数据信息库,实现了单体建筑全尺度、全类型、全动态、全属性等综合特征信息呈现,极大提升了北京市海量单体建筑数据的丰度和精度,满足单体建筑数据不同维度的场景应用。

(1)多粒度时空对象数据模型定量化描述房屋建筑单体和建筑单体之间的时空参照、时空位置、空间形态、属性特征、组成结构、关联关系等综合信息,研究了单体建筑的生成、消亡、分解、组合、转换、关联、运动、表达和认知等计算与实现方法,形成了完整的全空间体系下多粒度对象方法(图3),较好地实现了单体建筑信息全生命周期监管、灭失数据的复现、未来趋势的预测,为首都城市体检和疏解整治、违法建设等专项行动提供了强大的数据支撑和分析评估[8]。

图3 多粒度时空对象数据模型的建模过程

(2)确定多粒度时空对象存贮模式与交换格式,开展相关数据融合与优化。多粒度时空对象数据模型极大地丰富了单体建筑监测的时空位置、空间形态等矢量信息,通过汇集数据航母综合数据进行数据质量优化与迭代提升,结合现状一张图、建设工程全过程监督核测、建设工程规划许可、不动产等信息数据对每一栋房屋建筑的空间位置、占地面积、使用性质、地上层数、建筑规模、门牌地址等属性进行比照、清洗与提升,使之既满足了国家监测要求,又重点服务城市病治理需求,还能与其他自然资源调查指标衔接,可为多种统计汇总提供坚实的数据基础。

(3)在多粒度时空对象数据模型可视化的基础上,通过交互方式可以实现单体建筑的空间相关操作,进行交互式增减、编辑、修改和预览,利用单体建筑数据、违法建设专项台账现场核验数据、建设工程全过程监督核测数据、基础地理信息数据、住建委数据、建设工程规划许可数据等多类型数据的融合。将这些数据融合后优化数据精度及属性信息,提供更为准确的建筑规模数据。开展影像、本底数据与违法建筑销账数据的对比,对确实已灭失的图斑进行赋值表征删除。利用优于1 m的高分辨率遥感影像,进行图形变化识别,针对新增及变化图斑,完成新增及变化图斑的采集。将各项专题资料属性挂接至更新的单体建筑属性字段中。利用已有海联数据,制作形成完备的底图数据，提升单体建筑的精度。

3.2.3优化变化检测算法

引入深度学习算法,通过自动变化识别与快速提取技术,以自动化的手段提取出需要更新的“靶向”区域,变向缩小、聚焦范围。

利用机器学习和深度学习辅助,在变化检测算法层面,引入非对称卷积块和注意力机制对U-Net模型进行改进,实现对建筑物变化情况的监测。一方面,将U-Net模型在特征提取部分的标准卷积操作替换成一组由卷积核为1×3、3×3 和3×1卷积之和组成的非对称卷积块,增强了方形卷积核的中心骨架部分,使模型更具有鲁棒性;另一方面,在U-Net中引入了注意力机制,使模型训练时能通过抑制对非变化类像素的关注度,加强对变化类像素特征的学习,提高了模型对变化类建筑物像素的敏感性。改进后的模型能较为准确地检测出遥感图像中的变化类建筑物像素,且较原始U-Net模型[9-11],改进后的模型在准确率和F1 score上都有提升。在检测效果层面,在2021年构建的具有北京特色的单体建筑模型均达到了项目预计的检测精度,能够在实际生产中提供变化靶向,从而减轻作业人员的生产压力。基于深度学习的北京市单体建筑变化检测实现流程及效果如图4所示。通过2021、2020两期影像对比，发现单体建筑为新增变化，变化检测效果如图5所示。

图4 基于深度学习的北京市单体建筑变化检测实现流程及效果

图5 基于深度学习的北京市单体建筑变化检测效果图

通过连年海量样本库的建设,结合高分辨率遥感影像的单体建筑要素提取和变化信息精细检测等关键技术都获得了突破,大幅提升了单体建筑监测信息解译、变化发现和成果服务的精度和效率。

3.2.4 更新数据生产工艺流程

在提质减量的背景下,综合考虑北京市单体建筑监测成果的分层分级的不同应用需求,单体建筑监测由一年一更新模式提升到半年度更新模式,单体建筑监测通过机制更新、数据融合、技术改造,实现新形势下“持续提升精度、不断丰富属性信息、及时掌握变化、统一统计基准,赋能政府决策支持”的高标准、高质量要求(图6)。最终为城市发展和综合治理提供了全面覆盖、规范一致、突出重点的单体建筑数据。

图6 单体更新频次及提升目标

基于上轮次单体建筑监测成果数据为监测本底,采用高分辨率遥感影像单体建筑要素提取和建筑信息快速变化精细检测等关键技术与外业调查、数据编辑整理等方法,利用多行业专题数据和外业调查成果,更新数据制作工艺流程。

按照北京市区域数据资料不同的特点,分城六区内以及城六区外两部分更新单体建筑,城六区(包括东城、西城、朝阳、海淀、丰台、石景山六区)先期开展数据融合工作,融合后再进行单体建筑更新;城六区外(包括通州区、大兴区、门头沟区、延庆区、怀柔区、密云区、昌平区、顺义区、平谷区、房山区)直接进行单体建筑更新工作,制定不同区域单体建筑更新工作机制,探索提高资料融合兼容性,完善单体建筑更新工作。

通过单体建筑监测工作开展,持续优化单体建筑矢量数据精度,提升单体建筑相关成果信息质量。城六区区域内,1∶500地形图覆盖范围内单体建筑不低于1∶500地形图精度;1∶2 000地形图覆盖范围内单体建筑不低于1∶2000地形图精度;本轮新增的单体建筑和城六区外单体建筑精度应满足相关数据采集精度要求。

3.2.5 构建完善的单体建筑监测应用软件体系

研发基于云技术架构的数据采集与共享平台,利用云技术架构数据共享平台的分布式数据汇总,并通过优化数据存储技术,建立一套单体建筑数据库云管理与服务综合交互云平台,实现数据共享、管理和分析等功能,基于平台开发集成多个子任务系统,通过“一个PC平台、多个移动端系统(APP端)”实现内外业一体化[12]。 平台如图7所示。

在传统网络封闭式外业调查的基础上,创新研发单体建筑调查软件,调查软件分PC端和移动APP端应用,具有内外业联动处理和共享功能,真正打通内外业衔接壁垒,内外业可互通互联,不用再有格式转换等操作,还可在管理端做任务发布。

本系统为开展单体建筑监测工作提供信息化支撑,用户面向主管部门以及调查人员。系统提供数据采集功能,实现房屋建筑空间信息及相关属性信息的采集,主要功能有调查统计、数据统计、调查类型、任务管理、调查成果、账户管理以及日志管理等。数据存储在私有云上,满足了数据安全保密的要求。

软件在线调查时,PC端及安卓移动端(APP端)通过私有云实现实时互通,以集成服务子系统为支撑,建成横向实现各部门联动的,APP端房屋调查及核查时主要功能有：软件登录、离线任务、外业定位、任务定位、任务图上浏览、任务管理 、调查管理、记录管理、个人配置以及同步更新等。基于先进的云技术架构的数据管理网站信息平台具有建设基础信息资源体系和管理与服务体系的功能。各级主管部门通过系统,可实时掌握各地数据普查工作进展情况,实现对各地调查要素的统一、集中管理。提供高效、便利、自动化程度高的调查手段,以提高单体建筑监测工作的质量和效率[13-15]。

图7 基于先进技术构架的数据管理信息平台

4 结束语

总体上,北京市单体建筑监测已经形成一套完整、成熟的技术体系,特别是在监测流程和技术手段上不断推陈出新,不过在变化检测技术上,仍有待提升,受到样本量和算法模型的影响,通过阈值设置,虽然很好地控制了漏检测的发生概率,但是伪变化的数量仍然比较大,这也是下一步技术攻坚的方向,希望通过技术创新,能够大幅提升变化识别的效率和准确率。

北京市单体建筑监测始终坚持“边监测、边应用、边见效”的原则,统筹推进、扎实研究、技术攻坚,用科学的手段实现成果数据质量不断跃上新台阶,并大力推进北京市单体建筑成果应用,为城市国土空间规划相关工作提供有力支撑,满足经济社会发展和生态文明建设的需要,更好地服务经济社会发展和人民生活。北京单体建筑成果在总规修编、京津冀协同发展、区域总体规划、规划国土空间开发、城市空间发展变化、生态环境保护、资源节约集约利用、生态文明建设、灾害预警、北京副中心建设、北京冬奥赛场规划建设、大兴机场建设、美丽乡村建设、疏解整治行动、背街小巷治理等方面开展了 100 余项重要监测应用示范,并取得了一系列重要成果,为国土空间优化开发、生态文明建设提供了技术支撑、空间基础、监督检查等保障服务。特别是基于相关专业资料,融合经济社会和人文地理等信息数据,创造性地探索相关综合分析,揭示了用地、房屋、生态、环境、人口、经济、社会等多种要素在空间和时间上相互作用、相互影响的内在联系,多层次、多维度分析提炼综合反映国土空间布局、城镇化进程、区域协调发展等方面的规律性特征,预测城市发展变化趋势,提出扎实有据的判断和政策建议,更好地发挥单体建筑监测的经济效益和社会效益。

面向城市高速发展的现实要求,北京市对时间连续、内容完整规范、质量稳定可靠的单体建筑数据提出了更高的要求,需要持续快速开展单体建筑更新,提供源源不断稳固的信息支撑,服务政府决策。 2022年2月24日,京津冀协同发展成效新闻发布会在北京市发改委召开,提质减量发展迈出实质性步伐,北京成为全国第一个减量发展城市,首都城市发展方式实现深刻转型。

北京房屋单体建筑监测,已经走过了近10个春秋,重新审视走过的历程,为了实现这一目标,始终秉持谦逊严谨、追求卓越的理念,不断创新思维、钻研技术,勇于进取,为城市国土空间规划和城市综合治理提供坚实的数池智库作用。单体建筑以其广度和深度,变得更像一本百看不厌的书,也希望将来拥有越来越多的读者,也希望所有阅读者都能读懂单体数据蕴含的智慧、专注、情怀和抱负。