呂楠，茍永剛，龍川，向華

(1.重慶市勘測(cè)院，重慶 401121； 2.重慶市移動(dòng)測(cè)量工程技術(shù)研究中心，重慶 401121；3.重慶數(shù)字城市科技有限公司，重慶 401121)

1 引 言

移動(dòng)測(cè)量技術(shù)是近幾年來(lái)發(fā)展迅速的一項(xiàng)測(cè)繪新技術(shù)[1]。該技術(shù)集成GNSS(全球定位系統(tǒng))、INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))、LiDAR(激光掃描儀)、Ladybug(全景相機(jī))、DMI(里程計(jì))等傳感器，架設(shè)在車(chē)載移動(dòng)平臺(tái)上，在平臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中，可快速獲取周邊的高精度三維點(diǎn)云與實(shí)景影像數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)多年的研究，移動(dòng)測(cè)量技術(shù)在數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)、城市市政設(shè)施普查、高速路資產(chǎn)普查、環(huán)保廠(chǎng)區(qū)數(shù)據(jù)獲取、交通設(shè)施管理、勘察測(cè)繪、公共安全應(yīng)急、公眾地圖服務(wù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果[2～8]。

城市規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法主要是對(duì)城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)建設(shè)工程項(xiàng)目的實(shí)施情況進(jìn)行監(jiān)督、檢查，依法對(duì)違法建筑實(shí)施強(qiáng)行制止和拆除，參與規(guī)劃違法行為的調(diào)查、取證，是城市環(huán)境優(yōu)美的基本保障[9]。規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法傳統(tǒng)的作業(yè)方式往往是通過(guò)群眾舉報(bào)或執(zhí)法人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘等發(fā)現(xiàn)違法行為，具有很大的被動(dòng)性，且效率低下，妨礙了違法行為的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、取證和處理。移動(dòng)測(cè)量技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取上的優(yōu)勢(shì)，為城市規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法提供了便利，研究移動(dòng)測(cè)量技術(shù)在規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法中的應(yīng)用方法具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

因此，本文針對(duì)移動(dòng)測(cè)量技術(shù)獲取數(shù)據(jù)速度快、精度高的特點(diǎn)，與城市規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法相結(jié)合，探索了移動(dòng)測(cè)量技術(shù)在城市規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法中應(yīng)用的可行性及優(yōu)越性。

2 車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

本文研究所用的車(chē)載移動(dòng)測(cè)量設(shè)備是重慶數(shù)字城市科技有限公司自主研發(fā)的DCQ-MMS-X1型車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成的主要設(shè)備包括GNSS、INS、LiDAR、DMI、Ladybug等，是一種新型的點(diǎn)云及全景影像采集裝置。該系統(tǒng)的技術(shù)原理如圖1所示：

圖1 移動(dòng)測(cè)量技術(shù)原理

如圖1所示，該系統(tǒng)集成了3臺(tái)LiDAR設(shè)備，分別安裝在左、右、后(以車(chē)輛前進(jìn)方向?yàn)檎胺?三個(gè)方向，用于采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)；Ladybug安裝在平臺(tái)最頂端，用于采集全景影像數(shù)據(jù)；INS穩(wěn)固在平臺(tái)內(nèi)部，用于記錄平臺(tái)的姿態(tài)信息；GNSS用于獲取平臺(tái)的實(shí)時(shí)位置。此外，還有安裝在車(chē)輛右后輪胎上的DMI傳感器，用于記錄車(chē)輛行駛的距離等信息。集成的所有傳感器都由車(chē)內(nèi)控制單元統(tǒng)一控制，并實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的同步。

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)主要有慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、原始影像數(shù)據(jù)。其中，位置數(shù)據(jù)作為移動(dòng)站數(shù)據(jù)、與基站數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行POS(位置與姿態(tài))數(shù)據(jù)的解算，然后通過(guò)POS數(shù)據(jù)，可以將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將原始實(shí)景影像轉(zhuǎn)換為帶有位置信息的影像數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)和實(shí)景影像數(shù)據(jù)是本文研究移動(dòng)測(cè)量技術(shù)在規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法中應(yīng)用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

當(dāng)前違法建筑數(shù)據(jù)采集主要依靠執(zhí)法人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘，不僅工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且后期的數(shù)據(jù)整理、登記和管理存在著數(shù)據(jù)不全面、不夠系統(tǒng)化的缺點(diǎn)，同時(shí)城市違法建筑采集數(shù)據(jù)的更新也無(wú)法及時(shí)保障[9～11]。利用移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)城市違法建筑數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性、完整性，并且有準(zhǔn)確的位置信息，能夠協(xié)助執(zhí)法人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)違法行為，對(duì)執(zhí)法工作的開(kāi)展有很大幫助。

3 違法建筑數(shù)據(jù)采集

3.1 數(shù)據(jù)采集方案

結(jié)合已有數(shù)據(jù)和常規(guī)數(shù)據(jù)采集方案及違法建筑特點(diǎn)，從城市規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法人員的需求出發(fā)，制定了移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)違法建筑數(shù)據(jù)采集方案，如圖2所示：

圖2 違法建筑數(shù)據(jù)采集方案

(1)資料收集

首先，收集采集區(qū)域的路網(wǎng)、道路交叉口、隧道、橋梁及立體交通等分布情況，收集采集區(qū)域違法建筑的歷史資料，了解采集當(dāng)日的天氣狀況，避免在雨天或惡劣天氣條件下進(jìn)行違法建筑數(shù)據(jù)采集。結(jié)合采集區(qū)域地形圖或者電子地圖初步確定采集路線(xiàn)，并對(duì)無(wú)法確定的路線(xiàn)進(jìn)行標(biāo)記。

(2)踏勘

若有必要，可實(shí)地了解采集區(qū)域交通、違法建筑隱患點(diǎn)。若需實(shí)地架設(shè)基站，則需確定基站的架設(shè)位置。踏勘結(jié)束后，確定采集路線(xiàn)及作業(yè)計(jì)劃。

(3)外業(yè)采集

根據(jù)確定的采集路線(xiàn)，使用移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，外業(yè)采集的主要原始數(shù)據(jù)有點(diǎn)云數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)和慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)，用于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理。

(4)數(shù)據(jù)處理

首先，利用GPS數(shù)據(jù)和慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行POS數(shù)據(jù)的解算；然后根據(jù)POS數(shù)據(jù)將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全景數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。為了使規(guī)劃執(zhí)法人員在發(fā)現(xiàn)違法違規(guī)建筑后，能夠在實(shí)景影像上直接進(jìn)行違法建筑的標(biāo)注及登記，將轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全景數(shù)據(jù)在空間上進(jìn)行匹配，生成可量測(cè)的實(shí)景影像數(shù)據(jù)，這也是本文的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(5)質(zhì)量檢查

由于光照、天氣等因素，可能會(huì)造成影像曝光過(guò)度或顏色失真等現(xiàn)象，對(duì)影像質(zhì)量不符合要求的需要重新進(jìn)行采集，對(duì)符合要求的可存儲(chǔ)到可量測(cè)實(shí)景影像數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集成果

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)違法建筑數(shù)據(jù)采集的成果主要包括采集線(xiàn)路數(shù)據(jù)和可量測(cè)實(shí)景影像數(shù)據(jù)。根據(jù)采集線(xiàn)路數(shù)據(jù)可將可量測(cè)實(shí)景影像進(jìn)行空間位置關(guān)聯(lián)，生成連續(xù)的實(shí)景影像[12]。利用該連續(xù)影像，規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法人員不僅可以進(jìn)行違法建筑巡查，而且可以通過(guò)點(diǎn)擊電子地圖上某一位置即可定位到相應(yīng)的影像，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)巡查。

4 規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)

在基于數(shù)據(jù)采集成果構(gòu)建規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)的過(guò)程中涉及兩方面的關(guān)鍵技術(shù)，具體如下：

4.1 可量測(cè)全景影像生成技術(shù)

為了便于執(zhí)法人員在全景影像上直接對(duì)違法案件進(jìn)行標(biāo)注、量測(cè)等操作，本文將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)景影像數(shù)據(jù)在空間位置上進(jìn)行了精確匹配，生成了可量測(cè)的實(shí)景影像數(shù)據(jù)，算法步驟如下：

圖3 可量測(cè)實(shí)景影像生成流程圖

(1)空間匹配

假設(shè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中某點(diǎn)坐標(biāo)為Pc(xc，yc，zc)，其中xc，yc和zc是點(diǎn)Pc的三維世界坐標(biāo)，1≤c≤N(N為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中點(diǎn)的個(gè)數(shù))。假設(shè)全景影像的位置與姿態(tài)為POS=(X，Y，Z，yaw，pitch，roll)，其中X、Y和Z分別為全景影像的三維坐標(biāo)位置；yaw，pitch和roll分別為全景影像的偏航值、俯仰值、側(cè)滾值；

則與點(diǎn)Pc對(duì)應(yīng)的全景影像中點(diǎn)P(x，y，z)的計(jì)算方法為：

(1)

其中R為旋轉(zhuǎn)矩陣，表示為：

R=inv(Ryaw·Rpitch·Rroll)

(2)

其中inv為矩陣的逆，矩陣Ryaw，Rroll，Rpitch表示如下：

(3)

(4)

(5)

通過(guò)式(1)，可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全景數(shù)據(jù)進(jìn)行空間位置的匹配。

(2)UV轉(zhuǎn)換

根據(jù)下式，將全景影像坐標(biāo)系中的點(diǎn)坐標(biāo)p轉(zhuǎn)換成全景影像的uv坐標(biāo)：

(6)

其中α和β為方位角，計(jì)算方法為：

(7)

根據(jù)全景影像的uv坐標(biāo)，計(jì)算全景影像景深圖中的像素點(diǎn)(I，J)：

(8)

其中W為景深圖的寬度，為H景深圖的高度，0<λ≤1。

(3)景深計(jì)算

全景影像景深圖中像素(I，J)景深的計(jì)算方法為：

(9)

(4)生成景深圖

按照上述步驟便可為全景影像生成其對(duì)應(yīng)的景深圖，在景深圖的支持下，全景影像中的每個(gè)像素點(diǎn)都有其對(duì)應(yīng)的空間三維坐標(biāo)，可直接在全景影像上進(jìn)行量測(cè)和標(biāo)注，獲得可量測(cè)的實(shí)景影像。

4.2 基于WebService的異構(gòu)數(shù)據(jù)集成框架

由于規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)來(lái)源較多，是一個(gè)多源異構(gòu)的系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使用XML文檔作為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)共享的橋梁，將異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為XML文檔，通過(guò)Web服務(wù)進(jìn)行發(fā)送，到達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)后再將XML文檔中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)集成框架如圖4所示：

圖4 基于WebService的異構(gòu)數(shù)據(jù)集成框架

圖4中，數(shù)據(jù)庫(kù)層是各種異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行信息交換時(shí)，首先從數(shù)據(jù)層提取數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的XML文檔，然后帶有XML的Web服務(wù)存放在Web服務(wù)器上，最終使共享信息(如案件發(fā)生地理位置)可以被相應(yīng)的應(yīng)用所利用，這些基于XML的Web服務(wù)構(gòu)成了整個(gè)框架的服務(wù)層。描述數(shù)據(jù)的XML文件通過(guò)Web服務(wù)被放置在Internet上，當(dāng)用戶(hù)進(jìn)行信息訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，無(wú)須訪(fǎng)問(wèn)各應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，直接訪(fǎng)問(wèn)外置在Internet上的Web服務(wù)即可。UDDI注冊(cè)中心負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)資源的注冊(cè)、發(fā)布及查詢(xún)，將相應(yīng)的共享數(shù)據(jù)聚集在全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中。該架構(gòu)的好處是將資源系統(tǒng)與共享數(shù)據(jù)在物理層次上進(jìn)行分離，避免資源系統(tǒng)直接暴露在Internet下，從而降低了訪(fǎng)問(wèn)風(fēng)險(xiǎn)，減輕了資源系統(tǒng)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接負(fù)擔(dān)。

5 規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用

本文以重慶主城區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，按照本文的數(shù)據(jù)采集方案，采用移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了重慶主城區(qū) 500 km的違法建筑數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理及質(zhì)量檢查，基于采集的成果數(shù)據(jù)，在重慶市違反城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)舉報(bào)中心平臺(tái)已有功能(案件投訴、案件咨詢(xún)、案件登記、違法建筑處理等案件處理基本流程、地圖服務(wù)等)的基礎(chǔ)上，集成了實(shí)景影像服務(wù)，提供實(shí)景巡查、違法案件實(shí)景瀏覽等功能，并與案件處理流程進(jìn)行了融合，形成了案件處理閉環(huán)。主要應(yīng)用如下：

5.1 違法案件實(shí)景瀏覽

系統(tǒng)對(duì)違法案件與實(shí)景影像進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法人員可通過(guò)點(diǎn)擊違法案件直接查看與該案件關(guān)聯(lián)的實(shí)景影像數(shù)據(jù)，例如，案件編號(hào)為201702160001的實(shí)景影像如圖5所示：

圖5 違法案件實(shí)景瀏覽

同時(shí)，點(diǎn)擊全景影像中的熱點(diǎn)標(biāo)記，可查看案件詳情，包括案件編號(hào)，業(yè)務(wù)類(lèi)型，案件發(fā)生地等，若為群眾舉報(bào)的案件，還可以登記舉報(bào)人姓名、舉報(bào)人電話(huà)號(hào)碼等信息。

5.2 實(shí)景巡查

巡查人員可以進(jìn)行360°巡查，在發(fā)現(xiàn)違法建筑后，可對(duì)違法建筑直接登記，并且可對(duì)違規(guī)建筑進(jìn)行測(cè)量，此外，地圖與全景的地理位置關(guān)聯(lián)可支持跳轉(zhuǎn)瀏覽。實(shí)景巡查系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 實(shí)景巡查

通過(guò)與重慶市違反城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)舉報(bào)中心的集成，極大地提高了規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法的效率。執(zhí)法人員在接到群眾舉報(bào)后，可首先在該系統(tǒng)中對(duì)違法現(xiàn)象進(jìn)行核實(shí)，然后通過(guò)案件發(fā)生地了解違法現(xiàn)象的位置及周邊環(huán)境，再到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行取證、核實(shí)及進(jìn)一步處理。通過(guò)定期采用移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)違法違規(guī)建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的周期性更新，執(zhí)法人員可通過(guò)實(shí)景巡查功能對(duì)采集線(xiàn)路周邊的違法現(xiàn)象及時(shí)發(fā)現(xiàn)、登記與處理。

利用該系統(tǒng)，可滿(mǎn)足規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法人員的日常巡查及案件追蹤等需求，提高工作效率。

6 結(jié) 語(yǔ)

作為一種新興的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，移動(dòng)測(cè)量技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確的完成違法建筑的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)將數(shù)據(jù)成果與重慶市違反城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)舉報(bào)中心平臺(tái)集成，提供實(shí)景巡查、違法案件實(shí)景瀏覽等功能，并與案件處理流程進(jìn)行了融合，形成了案件處理閉環(huán)。實(shí)驗(yàn)證明，將移動(dòng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于城市規(guī)劃建設(shè)執(zhí)法工作中能夠極大提高執(zhí)法人員的工作效率，具有可行性和優(yōu)越性。本文的研究工作可以為今后移動(dòng)測(cè)量技術(shù)在規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供參考。此外，由于車(chē)載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的視野有限，只能獲取地面一定高度范圍內(nèi)的違法建筑數(shù)據(jù)，將其與機(jī)載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，將是今后研究的一個(gè)方向。

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