倾斜摄影技术在违法建筑巡查中的应用研究

周智勇，丁玉兰

(1.重庆市勘测院，重庆 401121； 2.重庆市地理国情监测工程技术研究中心，重庆 401121)

倾斜摄影技术在违法建筑巡查中的应用研究

周智勇1，2*，丁玉兰1

(1.重庆市勘测院，重庆 401121； 2.重庆市地理国情监测工程技术研究中心，重庆 401121)

为逐步消除存量违法建筑，各区县需要对本行政区域内的违法建筑进行调查、核实，依法开展违法建筑集中成片整治工作。而传统人工巡查存在入户难、量测难、取证难的问题，本文利用新兴倾斜摄影技术，制作正射影像及实景三维模型，实现了违法建筑的快速摸底巡查，提高了违法建筑巡查效率，降低了查处成本，加大了整治力度，为违法建筑查处提供了新的思路。

倾斜摄影；正射影像；实景三维模型；违法建筑巡查

1 引 言

近年来，随着经济社会的快速发展，城市建设水平明显提高，但是违法建筑也日益增多，新增违法建筑还有愈演愈烈之势[1]。违法建筑屡禁不止，不仅严重扰乱了土地和城乡规划管理秩序，而且给公共安全带来了极大隐患，有必要加大整治力度[2]。《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》指出“违法建设问题突出”，要“建立利用卫星遥感监测等多种手段共同监督规划实施的工作机制”。重庆市人民政府也发布了《重庆市查处违法建筑若干规定》，要求 “制定分期成片整治计划，原则上以小区、社区为基本单元，依法开展违法建筑集中成片整治工作”。

但是传统的人工巡查存在巡查力量、巡查时间、巡查范围、巡查角度有限等问题，而遥感解译排查由于受天气、空域、卫星过境等影响，存在时效性不强，分辨率不高、难以获得建筑物侧面信息等问题。近年来快速发展的无人机技术及倾斜摄影技术为这些难题提供了较好的解决方案。无人机倾斜摄影应用于违法建筑查处工作，不仅能够高效、快速地获取地面建筑物顶面和侧面的高分辨率影像，而且可以生成高精度、可量测的实景三维模型和真正射影像，进而实现对违法建筑的全方位排查、科学取证和非接触性量测[3]，有效地解决传统违法建筑查处工作中存在的“入户难，量测难，取证难”的问题，在提高违法建筑查处效率，加大查处力度的同时，也大大节省了在违法建筑查处工作中的人力投入，降低了工作强度，为违法建筑查处工作提供了强有力的科学依据和技术支持。

2 无人机倾斜摄影

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过多角度拍摄采集影像，获取地物不同方向的影像信息[4]，极大地扩展了遥感影像的应用领域，并使遥感影像的行业应用更加深入。而无人机具有机动灵活，飞行成本相对较低，受空域限制相对较小，飞行高度相对低，受天气条件限制较小，影像分辨率高等优势，成为常规航摄的有力补充[5，6]。将无人机与倾斜摄影结合起来，能够快速获取丰富的空间影像，嵌入精确的地理坐标信息，实现快速高精度三维建模[7]。

试验区在重庆市主城区大渡口区某小区范围，既有低矮房屋也有高层建筑，植被覆盖茂盛，形状近似三角形，占地面积约187亩，违法建筑现象较为普遍。通过现场踏勘，了解作业区域情况，选择起降场地，了解气象影响因素和重要设施分布，项目确定采用多旋翼搭载5镜头倾斜相机进行航摄。由于目前我国对低空空域并未完全开放，在无人机飞行前需要向空军、民航安全监督管理局及民航空管局进行航飞空域申请。根据影像重叠度、分辨率、平台续航能力等设计飞行架次、摄区航线高度、航线间隔、巡航速度、每个曝光时间间隔、影像最小分辨率等相关航摄参数。

在摄影过程中严密监控空中遥感系统飞行姿态参数，在获取航摄影像后，及时对单张影像质量进行快速浏览，对不符合要求的及时进行补摄。同时为保证三维模型的建立及纹理贴图要求，对范围进行了适当的外扩。经过2个架次的航摄，共获取试验区12条航线 1 220张影像，其中下视影像244张，形成对试验区域的完全覆盖。获取的倾斜影像效果如图1所示：

图1 从5个方向获取的倾斜影像

3 正射影像底图制作

正射影像底图在违法建筑巡查中有三个作用，一是直接利用正射影像，套合规划竣工图分析判别地面与楼顶的违法建筑，二是作为最后违法建筑巡查的成果底图，将疑似违法建筑的位置、面积、地址等信息与影像叠加，便于街道工作人员进行实地核实，三是将作为执法依据存档，及进行违法建筑动态监测的基础本底数据，对违法建筑的整治效果及新增违法建筑进行考核的基础。

正射影像图制作可利用倾斜摄影的下视影像，结合外业像控测量数据，通过传统空中三角测量得到，这种方式质量可靠，但单独生产正射影像增加时间和经济成本；正射影像底图也可以通过现在的快拼软件直接得到快拼图，效率较高，但精度低；还可以利用倾斜影像进行三维建模后输出正射影像，相对来说耗时较长，但输出的影像较接近真正射影像，投影差影响最小。

实验区共布设4个像控点，通过三种方式进行正射影像制作，整体效果如图2所示，细部放大图如图3所示。

图2 从左往右分别为传统空三、快拼、三维模型导出得到正射影像图

图3 细部放大图，顺序与图2一致

从三种方式制作的正射影像可以看出，质量方面传统空三方式制作的正射影像和通过三维模型导出的正射影像精度较好，快拼影像质量要差一些，尤其是高层建筑投影差明显，甚至会出现错位现象。三种方式制作正射影像的优缺点如表1所示。

DOM三种制作方式优缺点比较 表1

三种方式各有优缺点，可以在作业前期用快拼影像进行巡查，后期利用三维模型导出的正射影像作为底图进行成果制作，这样既能快速推进项目，同时保证成果图质量。

4 三维实景模型制作

无人机低空遥感系统获取的倾斜影像由于搭载的是非量测相机，且拍摄时角度差异大，从而导致了影像变形较大，迎光和逆光镜头获取的影像色彩差异也很大，这些因素对影像的匹配带来难度。同时，影像的大重叠度，小像幅带来的海量数据等都对数据处理带来不小的挑战。项目采用ContextCapture软件，基于多匹配基元、多视影像匹配技术，在试验区四角外业测量4个像控点，根据自动空三解算出来的各影像外方位元素，分析与选择合适的影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级的密集匹配。项目利用单台计算机(主要配置CPU 为i7 6 800 K，内存64 GB，显卡NVIDIA GTX 1080)，试验区全部影像进行空中三角测量耗时 24 h，建模耗时 15 h，得到试验区的三维实景模型，模型效果如图4所示。

图4 实景三维模型效果(左为整体，右为细节)

5 精度检测与质量评定

为准确评定三维模型的精度，在试验区范围内均匀选择模型中的10个无遮挡特征点，进行外业实地打点检测，点位分布如图5所示。

将实地检测的平面与高程值，与内业从模型中提取的平面和高程值进行比较，精度情况统计如表2所示。

通过精度统计可以看出，三维模型精度良好，无遮挡区域检测点精度到达规范中 1∶500地形图丘陵地形精度要求，即平面中误差 0.3 m，高程中误差 0.2 m，完全满足违法建筑测量要求。

图5 检查点分布图

精度检查情况表 表2

6 违法建筑识别

首先利用正射影像巡查地面及楼顶的违法建筑，通过叠加竣工地形图进行违法建筑判读与识别，对区域内的建筑逐栋排查，如图6所示。

图6 正射影像图叠加竣工测量图进行违建巡查

三维实景模型可以方便地多角度观察量取违法建筑，保证了识别的违法建筑真实可靠。逐栋排查完建筑物后再逐楼层排查房屋建筑物，将每一层的面积测量图与相应的三维实景模型进行对比分析，如果发现房屋结构与面积测量图不符，则可能是违法建筑。比如面积测量图中是不计算面积的露台，现在变成了房屋，则增建的房屋就是违法建筑。在三维实景模型中，我们可以量取违法建筑的高度、宽度、长度数据，这些数据可以作为我们判断其是否是违法建筑以及是否按半面积计算违法面积的重要依据。利用三维实景模型进行违法建筑测量如图7所示。

图7 三维实景模型进行违法建筑测量

比如我们在三维模型中量取到违法建筑的高度是1.8 m，则我们利用正射影像标注出违法建筑的位置和占地面积后，需根据规范规定将高度低于 2.2 m的违法建筑面积按其占地面积的一半进行计算。这样保证了我们量取的违法建筑的面积的可靠性。除此之外，我们还可以在三维实景模型中通过观察判断识别出违法建筑是否具有围护结构、违法建筑的建造材料等信息。最后将通过正射影像识别的违法建筑和三维实景模型确定的违法建筑统一在正射影像底图上标注，同时记录违法建筑的位置、违法建筑的占地面积、违法建筑的类型等属性信息。

7 巡查成果制作

违法建筑巡查的成果主要包括两部分，一是整个巡查区域的违法建筑分布图，以正射影像为底图，叠加制作的违法建筑地理数据，添加图例、指北针、比例尺、小区名等，如图8所示：

图8 违法建筑分布图

二是违法建筑面积统计表，包括小区的违法建筑总表，可以看到小区违法建筑的总数量及总面积以及每一处违法建筑的详表，包括位置、面积信息、楼栋号等详细信息，如图9所示。

8 结 语

本文通过对多旋翼无人机进行倾斜摄影、正射影像快速制作、基于正射影像和三维实景模型结合规划竣工资料进行违法建筑识别、违法建筑巡查成果制作等全流程进行探索研究，形成了一套利用多旋翼无人机进行倾斜摄影辅助违法建筑巡查的技术体系，并成功在大渡口区开展应用试验，通过大渡口区街道的现场核实，其准确度、精度及详细程度均优于人工核查和卫星遥感影像排查效果，为大渡口区整治违建工作找到切实可行的办法，并且在全区进行了推广，经媒体报道后[8]在全区及全市产生巨大震慑作用，为落实《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》精神，“用5年左右时间，全面清查并处理建成区违法建设，坚决遏制新增违法建设”工作的开展打下良好的基础。

图9 违法建筑面积统计总表及明细表

随着国家部委和重庆市对违法建筑整治的力度不断加大，无人机倾斜摄影在违法建筑查处中的作用将越来越大，需要注意的是城区空域限制要加大协调力度，积极寻求空军和民航等相关空域管理部门对项目的大力支撑。另外倾斜摄影产生的海量数据也对数据的处理和管理提出了较高的要求，需要引进大数据处理集群装备，同时违法建筑巡查成果的管理、查询和应用需要建立统一的数据库，纳入影像数据、规划数据、核查数据等相关资料和信息，为整治计划的制定和落实提供翔实准确的数据支撑，为违法建筑的整治、动态监管提供管理平台，同时叠加其他专业数据可服务规划、交通、公安、消防、市政等多个行业部门，应用前景广阔。

[1] 重庆市人民政府关于进一步推进主城区违法建筑整治工作的通知[R]. 2014-12-30(5).

[2] 程倩. 我国城市违法建筑的形成及治理研究[D]. 青岛：中国海洋大学，2011：5～6.

[3] 李德仁，刘立坤，邵振峰. 集成倾斜航空摄影测量和地面移动测量技术的城市环境监测[J]. 武汉大学学报·信息科学版，2015(4)：427～433.

[4] 王庆栋，艾海滨，张力. 利用倾斜摄影和3ds Max技术快速实现城市建模[J]. 测绘科学，2014(6)：74～78.

[5] 何漠. 小型旋翼类无人机飞行控制系统设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013：1～2.

[6] 多旋翼无人机的姿态与导航信息融合算法研究[D]. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2015：1～2.

[7] 张春森，张卫龙，郭丙轩等. 倾斜影像的三维纹理快速重建[J]. 测绘学报，2015(7)：782～789.

[8] 郭晓静. 创新手段摸家底 无人机“助阵”大渡口违法建筑整治工作[N]. 重庆日报，2016-07-08(8).

Research on the Application of Oblique Photography in Inspecting the Illegal Construction Projects

Zhou Zhiyong1，2，Ding Yulan1

(1.Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China；2.Chongqing Engineering Research Center of Geographic National Condition Monitoring，Chongqing 401121，China)

To remove all the illegal constructions gradually，the county governments need to concentrate on managing and controlling the illegal constructions according to law，by the means of investigation and verification. The traditional manual management has many problems，such as it is difficult to enter the personal houses，carry out the measurement，and take the evidence. In this paper，the oblique photography technology was applied. The orthographic images and the real 3D model were produced，and then the illegal constructions could be discovered in short time. The proposed method will improve the work efficiency，lower the cost，and strengthen the management. The new way for inspecting the in our illegal construction projects is founded in our study，and it has good promotional application values.

oblique photography；orthographic images；real 3D model；inspecting the illegal construction

1672-8262(2017)04-71-05

P231

A

2017—03—31

周智勇(1979—)，男，高级工程师，主要从事摄影测量与地理信息系统的生产与管理工作。

重庆市社会民生科技创新专项项目(cstc2015shmszx40007)