張勁松 劉志祥 李新煜

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

近年來違法建設呈現出增長的態(tài)勢,管理部門也加大了打擊違法建設的力度。現有的違法建設監(jiān)測主要包括人工發(fā)現、衛(wèi)星影像查違識別等。人工發(fā)現包括各區(qū)塊網格員巡視發(fā)現異常,市長熱線“12345”市民舉報和相關執(zhí)法部門的日常巡檢等,該方法確實在一定程度上能夠發(fā)現和治理違法建設,但是其人為因素大,投入成本高,發(fā)現違法建設的效率低。衛(wèi)星影像查違有面積廣、效率高等多方優(yōu)勢,但受衛(wèi)片分辨率影響,尤其是受街邊植被影響,容易出現被植被遮擋無法發(fā)現違法建設的情況。北京市為全面貫徹落實“疏解整治促提升”的重大戰(zhàn)略部署,聚焦城市街巷環(huán)境中的痼疾頑癥,打好環(huán)境整治提升的“整體仗”、彰顯“首都風范、古都風韻、時代風貌”的城市特色,加快推進國際一流的和諧宜居之區(qū)建設,采用了街景影像技術對沿街違法建設進行監(jiān)測,效率較高,監(jiān)測區(qū)域面積廣[1],取得了不錯的效果。

1 街景影像數據采集與制作

北京市要求對六環(huán)內及通州區(qū)、順義區(qū)、昌平區(qū)、大興區(qū)、房山區(qū)的部分道路進行街景數據采集,采集長度共計32 000 km。項目作業(yè)區(qū)地勢平坦,道路規(guī)整,非常利于外業(yè)數據采集,然而項目周期跨越初夏、秋季、冬季,同時也是霧霾和雨雪天氣高發(fā)季節(jié),給項目帶來一定的外業(yè)數據采集障礙,需要調配足夠的資源確保項目的順利開展。因此合理規(guī)劃作業(yè)時間和數據采集作業(yè)路徑顯得尤為重要。為此,我們將作業(yè)區(qū)域進行劃分,盡量保證每個區(qū)域每年采集時間和采集行走路徑相似,提高對比性[2]。

1.1 外業(yè)數據采集

1.1.1數據采集任務規(guī)劃

任務規(guī)劃的目的是在滿足測區(qū)全覆蓋的前提下,結合已有的數字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)、路中線及測區(qū)范圍資料,設計合理的行車掃描路徑和掃描時間,避免設備長時間高負荷工作,避免交通擁擠,控制全球定位系統(Global Positioning System，GPS)失鎖時間,避免在高架橋等容易共振晃動的地方對系統進行初始化和結束化[3],實現最高效、最經濟、最精確地采集測區(qū)測量數據。

1.1.2數據采集實施

數據采集實施包括設備準備、架設GPS基準站、系統初始化、數據采集、系統結束化、儀器回收。

設備準備要按照《車載激光掃描建模測量系統外業(yè)工作手簿》準備需要的設備、資料,需要查看所需的設備是否齊全。作業(yè)開始前先在規(guī)劃的控制點上架設GPS基準站,將GPS整平對中后測量儀器高度并記錄，用于后期高度校正。同時需要安裝車輪編碼器。系統初始化需要打開平板電腦(Portable Android Fevice，PAD),連接wifi,依次開啟LiDAR,GPS按鈕;檢查配置文件情況,確認編碼器左輪還是右輪;檢查每秒脈沖數(Pulse Per Second，PPS)信號,衛(wèi)星個數以及世界協調時間(Universal Time Coordinated，UTC)時間;調試相機,確認曝光無誤,影像尺寸正確,設置曝光間距為10 M;開啟慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)按鈕,并在PAD中打開IMU開關,再進行初始化10 min[4]。記錄外業(yè)記錄手簿。

準備好上述工作即可開始進行數據采集。在PAD中開始掃描,開啟外置相機,等待數據總計,計數時開始作業(yè)即可。

數據采集完畢,停止掃描,下車進行結束化,10 min,并填寫外業(yè)記錄手簿。關閉所有設備,檢查數據是否有問題,沒有問題則采集數據結束,有問題及時安排補救措施。同時,將影像數據、激光數據、相機數據和流動站GPS數據一并拷貝到項目指定的存儲硬盤中,按照相應的目錄進行放置。

1.1.3外業(yè)數據質檢

外業(yè)數據在處理之前需要進行質量檢查,具體工作內容[5]如表1所示。

表1 車載激光掃描系統數據采集后的數據質檢元素

1.2 數據預處理

數據預處理主要包括姿態(tài)解算和全景影像數據處理。

1.2.1姿態(tài)數據解算

使用組合導航結算軟件,將移動站GPS數據與基站GPS數據進行差分后處理,再將GPS數據與IMU、車輪編碼器數據進行融合,得到高精度的位置與姿態(tài)數據[6]。

1.2.2影像數據與姿態(tài)數據相融合

車載激光建模測量系統中各傳感器工作在同一個時間系統中,姿態(tài)數據曝光那一時刻是相片在空中位置和角度的真實還原。姿態(tài)數據由相機標定參數和IMU記錄的車的行駛方向和姿態(tài)融合解算,通過影像數據以及IMU數據中記錄的時間信息,結合標定數據將影像數據與IMU數據進行融合,影像和姿態(tài)數據一一對應就覆上坐標,為影像數據賦予坐標信息[7]。

1.2.3影像數據預處理

借助四臺高清索尼魚眼相機獲得高清影像,通過影像改正與影像拼接,輸出8 192 ppi×4 096 ppi像素的全景影像。

1.3 數據加工

街景數據加工由街景軌跡數據加工和街景影像切片組成,且同一批切片數據應與同一批的外業(yè)照片數量、SHP(shape縮寫，一種GIS系統里的數據格式)曝光點個數一致。

1.3.1街景影像切片

街景數據要求原始圖片尺寸為8 192 ppi×4 096 ppi。圖片影像應能正確反映自然界存在的顏色現狀,通過查看影像直方圖來確保無明顯曝光過度或曝光不足現象。街景數據最終提交的形式是切片以后的數據,切片要求是:全景影像采用六面體模型,借助切片軟件自動進行切片。具體規(guī)則如下:全景影像照片投影到六面體的六個面上;瓦片大小設定為512 ppi×512 ppi;六面體每個面構建三級瓦片金字塔:第一級由1×1個瓦片構成、第二級由2×2個瓦片構成、第三級由4×4個瓦片構成[8]。

1.3.2軌跡數據要求

軌跡數據是由曝光點數據構成的shp數據,具體屬性列表及要求見表2。

表2 曝光點字段要求

2 街景影像技術發(fā)現新增違法建設

通過對比兩次不同時期采集的街景影像數據來獲取新增建筑信息,將新增建筑與規(guī)劃審批數據相結合,發(fā)現新增違法建設。北京市的街景影像數據采集對違法建設高發(fā)重點區(qū)域每年多次采集,對非高發(fā)區(qū)域每年進行一次數據采集。數據對比工作包括今年和去年采集的街景影像數據對比,以及今年兩次不同時期數據的對比。

2.1 街景影像數據對比

違法建設識別分為兩個階段。第一階段,2019年6月第一輪、8月第二輪采集的街景數據與2018年所有已有街景數據進行對比。第二階段,2019年10月第三輪的數據與第一輪采集和2018年的街景數據采用以上同樣的對比方法,動態(tài)監(jiān)測前后變化,及時發(fā)現疑似違法建設,如圖1所示。

兩個階段采用的對比方法相同,主要采用人工外業(yè)識別、內業(yè)識別相結合的技術手段,同時研發(fā)計算機自動識別手段。人工外業(yè)和內業(yè)識別主要通過作業(yè)員根據不同時期影像對比和現場判斷,對疑似違法建設進行識別與定位,動態(tài)監(jiān)測前后變化,并套合規(guī)劃數據,及時發(fā)現疑似違法建設[9]。計算機自動識別主要通過軟件對比前后期照片,發(fā)現新增建筑。對比發(fā)現疑似違法建設后,需要制作專題圖和信息表,專題圖中必須指明明顯參照物,指明疑似違法建設與參照物的關系,做到證據充分。

注： 圖中方框部分建筑有變化圖1 不同時期街景影像對比

2.2 新增違法建設發(fā)現和成果整理

通過對比前后兩次的街景影像發(fā)現疑似新增違法建設,然后提取相關信息,整理出成果。成果包含兩個部分,一個圖片文件夾與一個excel表格。圖片文件夾中的內容為本次疑似違法建設專題圖的所有照片,excel表格為本次所有違法建設的列表。列表中包括違法編號、發(fā)現批次、所屬區(qū)縣、所屬街道(鄉(xiāng)鎮(zhèn))、具體地點、發(fā)現日期、具體坐標、變化前影像名稱和時間、變化后影像名稱和時間、位置圖名稱等,如圖2所示。

圖2 街景影像發(fā)現違法建設成果組圖

3 街景影像監(jiān)測新增違法建設經驗

北京市從2015年開始進行街景影像技術監(jiān)測新增違法建設以來,該項工作已進行了5年,每年采集道路長度超過3 000 km。通過近5年的街景影像監(jiān)測新增違法建設工作總結出以下經驗[10]。

3.1 外業(yè)影像數據采集經驗

基站應該架設在開闊、GPS信號好的控制點(已知1984坐標系坐標);堅決避免CF(一種存儲卡的格式，Compact Flash)卡和設備電纜等帶電插拔;保證工作電壓不低于12 V;初始化過程中,避免開關車門等造成采集車晃動,保證采集車靜止;每半天重新根據環(huán)境設置相機拍照參數,并測試相機曝光情況;作業(yè)行車速度要求低于30 km/h,避免倒車,減少急剎車,急加速,避免檔位高轉速低造成的采集車抖動;盡量靠內側車道行駛,特別是在路窄樹密的路段,避免增加不必要的GPS信號失鎖時間;在失鎖路段應減少失鎖時間,在數據采集允許的最快速度下快速通過;全球導航衛(wèi)星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)接收機應該在IMU結束化后2 min關閉;掃描時沿快車道(緊靠隔離帶)行駛,如果前方有車,應該等待其離開,不能繞過其行駛,以便后續(xù)數據處理。

3.2 外業(yè)數據質量要求經驗

外業(yè)數據應該是完整無誤的GPS,IMU,可量測實景影像(Digital Measurable Image， DMI),顯示技術(Clear Motion Rate，CMR)數據;四個相機的img數據格式相同,并與ATD(一種數據格式，里面是曝光點信息)一致;輸出導航結果數據;圖片影像應該是8 092×4 096的全景數據。

4 結束語

實驗證明,利用該方法進行新增違法建設的監(jiān)測效率高、人員投入少,對新生違法建設可以形成強有力的遏制力。車載移動街景影像發(fā)現可疑違法建設的周期為3個月,在如此短暫的時間查處一處違法建設,使其制造者還未從中獲利便已被查處,能較好地打擊違法建設新增的制造者的作案動機,形成強有力的威懾,在一定程度上遏制違法建設的進一步發(fā)展。同時,該方法也對衛(wèi)星影像因受植被遮蓋等因素的影響而難以及時發(fā)現的城市死角進行有效補充。

但是,該方法也有其局限性。首先,對社區(qū)內部汽車無法通行的區(qū)域無法進行掃描和監(jiān)測。其次,對路邊有茂盛植被遮擋區(qū)域,存在盲區(qū)。最后,對影像對比自動識別新增建筑還需提高其準確性,保障成果質量和工作效率。

北京市近年來除了采用街景影像監(jiān)測違法建設,也采用了地理國情普查單體建筑模型成果進行違法建設整治。通過各種手段綜合進行,相信北京市創(chuàng)建全市基本無違法建設工作會早日完成。