基于实景三维模型的海岸建筑退缩线划定及管控新方法研究

刘石栋,赵岩,马绍伟,姜海峰,邓先睿,梁周雁

(山东省国土测绘院,山东 济南 250013)

0 引言

海岸带是海洋与陆地的交互地带,具有丰富的陆海资源和独特的人文景观优势,是人口和经济发展的聚集地带[1]。随着社会的发展,越来越多的人工建筑物占用海岸带空间资源,伴随着海浪侵蚀、风暴潮等海洋灾害的影响[2],导致部分区域出现生态环境破坏,海岸带资源的可持续利用受到威胁,因此,须划定界线来科学控制海岸建筑的活动范围[3]。

本文结合某市海岸建筑退缩线划定工作,依据实景三维模型对海岸建筑退缩线及其附属要素进行采集,叠加实景三维模型,形成海岸带管理系统。旨在探索一种思路,广泛应用于海岸带建筑退缩线的划定和管控。

1 海岸建筑退缩线的划定

1.1 定义

海岸建筑退缩线是为了保护海岸生态资源、规避海洋灾害风险,根据海岸特征规定的海岸线向陆一侧禁止开发或限制特定类型开发建设活动的界线[4-5]。关于海岸建筑退缩线的划定和管理,我国还处于摸索阶段,还没有明确的界定,孙苗等[6-9]对海岸建筑退缩线划定的方法进行了研究,并在秦皇岛、珠海等地区进行了应用实践。

本文探索以大陆海岸线类型及特征为依据,综合考虑生态环境、海洋灾害、亲海空间等要素,基于大陆海岸线向陆一侧延伸一定的距离,划定的限制或禁止建筑活动的控制界线,称为海岸建筑退缩线[10-11]。包括海岸建筑核心退缩线(以下简称“核心退缩线”)和海岸建筑一般控制线(以下简称“一般控制线”)

1.2 主要内容

海岸建筑退缩线划定,是根据海岸带地理生态特征,综合海岸带保护及防灾减灾的需求,通过科学评估和与现状情况对接2个方面进行考量。对大陆海岸线进行分类,大陆海岸线可分为人工岸线、自然岸线和其他岸线,不同的岸线类型抵御海洋灾害的侵蚀是不一样的,根据具体岸线类型分别进行基础退缩距离的划定。参考经济开发活动的现状和需求,叠加城镇开发边界,根据建筑物设计使用年限、海岸侵蚀监测数据以及国内外退缩线划定经验,制订“不同类型海岸线基础退缩距离划定标准表”(表1),按照表1完成海岸线基础退缩距离划定工作。

表1 不同类型海岸线基础退缩距离划定标准表

依据“基础退缩距离划定+特定要素修正”方式进行划定,基于实景三维模型根据不同大陆海岸线类型进行基础退缩距离划定[12-13],然后利用采集或收集的滨海道路、亲海空间、沿海防护林、自然保护地、海洋灾害影响等特定要素,修正基础退缩距离,形成核心退缩线。一般控制线为大陆海岸线向陆一侧1km距离的界线划定。基于实景三维模型对海岸建筑退缩区内建设用地图斑逐一进行矢量化、调查和举证。

1.3 修正方法

海岸建筑退缩线按照“基础退缩距离划定+特定要素修正”方式划定,基于实景三维模型参考大陆海岸线类型划定基础退缩距离后,通过交通部门专题资料收集、实景三维模型解译等方式确定沿海第一条滨海道路的边界和范围。以沿海第一条滨海道路为修正要素,假如滨海道路部分或全部位于基础退缩区域内,以基础退缩区域内道路向海一侧范围为边界,形成新的核心退缩线(图1)。在此修正基础上,相关区域涉及亲海空间、海洋灾害影响、沿海防护林、自然保护地、海洋灾害等要素,须保持其完整性,逐一叠加各要素范围,以各要素向陆一侧最远边缘线为界(以亲海空间为例,见图2所示),形成最终的核心退缩线。

图1 滨海道路修正示例图

图2 亲海空间修正示例图

2 关键技术

2.1 实景三维模型的构建

倾斜影像测量技术是近年来发展比较快的一门技术手段,包括飞行控制软件、地面站和航拍摄像仪三部分[14],在飞行平台上搭载航摄仪获取获取航摄区域内目标的全方位、多角度的纹理数据和点云数据,搭载的高精度IMU/GPS系统可以记录拍摄瞬间飞行平台的位置信息与姿态数据。利用系统软件下载航摄仪获取的原始数据,进行数据预处理,结合山东省北斗卫星导航基准站网(以下简称北斗基准网)同步观测卫星数据和地面像控点测量数据,导入软件进行空中三角测量计算,利用解算获得空三测量数据,在软件中提取出指定的影像数据,进行模型重建并生成实景三维模型,具体流程如图3所示。

图3 实景三维模型制作流程图

2.1.1 倾斜影像的获取

实景三维模型的品质受航摄影像的质量影响,在实际作业中,根据测区位置和地理情况,做好航线规划,根据飞行平台和技术要求,对测区进行分区[15],保持长宽比适宜,依据分区地形起伏、飞行安全条件等确定分区基准面高度。分区基准面采用DEM计算,计算公式(1)如下:

(1)

式中:h基—摄影分区基准面高程(m);hi—分区内DEM格网点的高程值(m)。

本项目采用PC-6飞机,搭载CityMapper-2L航摄仪获取摄区倾斜影像数据,设定飞行相对高度为2400m,航线采用东西方向设计,根据IMU误差积累的指标确定每条航线的直飞时间不超过25min,选择晴朗无风的天气进行测设,航向重叠率为80%,旁向重叠率为75%,保证数据不出现空洞或遗漏。对获取的影像进行预处理,对影像的质量进行检查。出现不合格的影像或航摄空洞时,需进行补测,直至影像全部合格。

2.1.2 像控测量

像控点的布设采用角点布设法,在区域网凸角和凹角转折处布设平高点[16],内部均匀布设在航片重叠位置,像控点间隔约500m,地形变化复杂区域加密控制点个数。控制点选在较显眼的水泥地面的十字路口或平地区域,依据不同尺度(0、1、2级,如图4所示)截取目标像片,截取最大尺度能清晰辨别像控点位置,截取最小尺度包含重要地形、地貌信息,便于像控点定位与查找。利用北斗基准网进行像控点的测量,对测量成果进行较差及精度分析后,形成最终的像控点成果。

a—尺度0;b—尺度1;c—尺度2

2.1.3 空中三角测量

使北斗基准网数据,利用载波相位测量差分GPS定位技术,对IMU/GPS数据进行结算,获取到外方位元素,编辑制作每个架次的POS数据文件[17],在航摄影像中进行像控点转刺,使用Mirauge3D软件进行空中三角测量,自动提取连接点,量测像控点和检查点,进行区域网平差计算[18]。对同名点匹配点云检查、航线曝光点检查、像控点检查后,确认空中三角测量满足指标要求,部分精度分析如表2。

表2 部分空三精度统计表

2.1.4 实景三维模型构建

利用空三成果和倾斜影像,采用多视影像匹配技术进行点云密集匹配[19],获得测区范围内密集点云,经抽稀与平滑处理后构建TIN网,生成白模成果。分别对模型的各个面调取相对应的各个视角中最清晰的影像进行首次纹理贴图。对于具有纹理信息的瓦片采取色彩均衡算法,得出总体均衡值,根据色彩均衡值重置参考三维模型纹理,最终形成实景三维模型。

2.2 海岸建筑退缩线要素采集

2.2.1 要素采集

使用清华山维EPS软件裸眼三维测图模块,在实景三维模式下进行海岸建筑退缩线的划定及相关要素的矢量化。与传统的立体测图方式不同,在该软件环境下,摆脱了传统三维采编中立体眼镜的束缚,可实现三维环境采集[20],二维环境同步显示(图5)。这种模式下的视觉感受与真实世界非常接近,可通过旋转、拖拽、缩放等操作,能清晰地判别要素类型。

图5 二、三维同步立体界面图

在实景三维模型下,对第一条滨海道路、亲海空间、初始退缩线等要素进行采集,对沿海防护林、自然保护地、海洋灾害等要素依据专题资料进行位置与属性的编辑,对建筑退缩区内建筑物逐一进行矢量化采集,并对退缩区内建筑物的用地性质、权属信息进行调查。对内业无法确认、存疑的要素进行外业调查。采集后的成果经过正负修正、属性录入、逻辑一致性处理、拓扑一致性检查后,形成最终的海岸建筑退缩线数据库。划定核心退缩线长度171.86km,核心退缩区面积26.47km2。一般控制线长度93.41km,一般控制区面积87.09km2。

2.2.2 精度分析

通过外业实地采集与实景三维模型上采集的同名特征点,包括围墙角点、房屋角点、道路交叉点等,计算平面精度,共采集366个检查点,计算结果见表3。

表3 要素位置精度统计表

结果表明利用外业实测检查点与实景三维模型上采集的同名特征点进行对比,其平面位置中误差为0.096m,满足规范要求。

3 基于实景三维模型的海岸带管控

基于划定的二维海岸建筑退缩线数据和实景三维模型数据,制作海岸建筑退缩区内重点建(构)筑物单体化模型,对其进行语义化处理,补充相关的时间信息、空间身份编码等属性,通过空间适配、数据挂接等手段,在实景三维数据管理平台上实现二维表达的海岸建筑退缩线数据与实景三维模型数据之间的融合,实现相关要素的精细化表达,形成海岸带管理系统,相较于传统的作业方式,本研究具有以下优势:

(1)要素的采集、编辑是在实景三维模型的基础上进行,是对真实世界的客观反映,基于实景三维模型对要素立体化的采集,能有效减少外业核查的工作量。

(2)各类要素可在实景三维模型上进行多角度、全方位的查询、管理等功能。在实际管控中,无需进行现场勘查,利用实景三维模型可以全面、详细的了解到海岸建筑核心退缩区和一般控制区内相关要素的地物纹理细节、属性信息以及与退缩线位置关系,可对核心退缩区的重点管控项目进行个性化标注,一键定位,进行360度无死角的查询。

(3)对各个相关单位涉及海岸带资料进行衔接利用,在此基础上进行整理汇总,形成多行业专题资料叠加并存的数据库,便于进一步的应用及管理。

(4)在今后的管控中,可利用消费级多旋翼无人机及时对变化区域模型进行动态更新,使其与现实世界保持对应,做到足不出户的完成海岸带建筑物的管理,方便快捷、简单实用。

4 结语

倾斜摄影实景三维建模技术是一项新型的测绘技术,在海岸建筑退缩线建设和管控中能发挥巨大的作用,能全方位、多角度的对海岸带建筑退缩线相关要素进行采集、编辑。基于实景三维模型对海岸带相关要素进行管控,要素表达精准细致、可识别性强、可量测性高,能满足精细化管理的需求。此方法可应用于其他地区的海岸建筑退缩线的划定及管控中,能有效减少实际管控中的人员和资金压力,方便快捷、简单实用。