无人机遥感影像在城市“两违”动态监测中的应用

罗飞

（福州市勘测院，福建福州 350003）

0 引言

随着我国城市化进程的快速推进，城市发展日新月异，违法用地、违法建设的“两违”行为也伴随而生。“两违”建筑和城市规划格格不入，还往往因突击而建存在严重安全隐患，无疑是城市发展过程中的一大问题。“两违”建筑成为了城市发展的一道难题，阻碍了城市的良性发展，“两违”建设监测则是控制“两违”行为的有效手段。传统监测方法依赖于人工实地巡查，存在滞后、覆盖不全面的问题，因此需要利用数字化手段，及时、高频发现城市中的“两违”建设问题，快速获取“两违”建筑位置和面积等方面信息，从而达到早发现、早制止、早查处的目的。

高分辨率遥感技术具有高空间分辨率、全天候及全方位等技术特点[1]，适合大范围、远距离等各种变化的监测分析，可为“两违”执法工作提供实时详尽的高分辨工作底图。传统的数码航摄是获取高分辨率遥感影像的有效途径，但存在数据获取费用高、周期长、缺乏机动灵活性等问题，无法适用于短期、高频的动态监测。

近年来，无人机低空航空摄影发展迅猛，以其快速响应、作业成本低、天气场地要求不高、机动性强等优势，弥补了传统航摄方式效率低、获取周期长等不足，可实现快速灵活获取高分辨率影像数据并生成实时测绘地理信息[2-4]，及时提供可靠、实时、直观的二维或三维影像图，十分适合用于城市地表变化尤其是“两违”建设的动态监测。

本文以福州市高新区开展的“两违”动态监测为例，阐述通过无人机获取多时相高分辨率遥感影像，并对其加以遥感处理分析，采取网格化人工目视解译，对高新区“两违”变化进行多时相、高频动态监测，可突破“违”局。

1 高新区“两违”动态监测应用

1.1 案例概况

福州市高新区总面积约193km2，“两违”监测区域主要包括建成区及平原地区乡镇村庄，涉及航拍面积约80km2，每个季度采用无人机航拍一次。

1.2 无人机平台

本项目采用的大疆Phantom 4 RTK无人机是一款小型四旋翼高精度航测无人机，其具备厘米级高精度RTK导航定位系统和高性能成像系统，能大幅度减少传统航测中所需的地面控制点，简化作业流程（表1）。Phantom 4 RTK无人机系统具有机身尺寸小、重量轻、操作性强等特点，其垂直起降方式受空域限制小，同时它还具有视觉避障、智能返航等功能，多个作业小组可同时作业，可提升航测效率与精度，降低作业难度和成本。无人机搭配型号为FC6310R的高精度数码航摄仪，该航摄仪具有影像高清、畸变小、高分辨率和均质的镜头系统等特点，同时相机带有陀螺平台的镜头座架，飞行控制系统能够自动保持相机在工作中的正确姿态，实时控制航摄飞行质量。

表1 无人机参数

1.3 “两违”图斑提取与分析

（1）原始影像获取

根据航摄范围及实际地形地貌采用大疆的飞控进行航飞设计，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%。选择较好的航飞天气实施航摄，飞行高度控制在300m，获取地面分辨率优于0.2m的数码航摄影像，具体拍摄时间为3月底、6月底、9月底、12月底（图1）。

图1 无人机数码航摄DOM样图

（2）工作底图生产

控制测量：充分利用已有的控制资料，对不足的区域采用FZCORS进行外业像控测量。

POS数据处理：对外业航拍得到的相片和POS数据进行预处理，通过DJI Terra软件将其进行数据融合，并通过控制点对数据进行校正，生成带位置与姿态信息的影像和后续处理工程文件。

正射影像生产：采用POS数据、相机文件、控制资料辅助空中三角测量解算方式，使用DJI Terra专业航摄处理软件，生产高新区高精度二维正射影像。

（3）疑似“两违”图斑提取

采用前后相邻的两期工作底图，先利用人工智能算法自动检测初始图斑，然后利用影像的纹理信息进行网格化（1km×1km）人工目视解译获得筛选错检及漏检图斑，提取“两违”图斑的面积、位置、违建类型等信息，最后经综合处理形成“两违”疑似图斑结果并输出各村镇“两违”专题图表供实地核查（图2、图3、图4）。高新区疑似“两违”图斑分为四类，包括新增民房、新增棚房、拆除房屋和硬化地表（如驾校新增硬化地，农田变为坟墓、固化地等），最小上图面积为20m2。

图2 自动变化检测

图3 疑似“两违”图斑

图4 2017—2019年“两违”图斑分布图

1.4 “两违”图斑信息化管理

（1）数据库建设

基于ArcGIS空间数据库技术，构建福州市高新区“两违”遥感监测疑似图斑数据库，主要包含基础地理数据库和“两违”疑似图斑库两个子库。基础地理数据库用于存储各种类型工作底图及行政界线数据，“两违”疑似图斑库记录图斑的空间位置、建设状态、管控状态、审批状态、占地面积等信息。

（2）建设“两违”地理信息平台

基于ArcGIS一整套解决方案把原有的独立分散的数据整合在一起，建立“两违”数据库，并通过WebGIS技术把数据发布到服务器上建立“一张图”系统（图5、图6），用户可以方便地通过浏览器访问本系统，达到数据统一发布的效果，统一管理多用户同时使其可访问最新最全的“两违”数据；通过地图展示比对模块，用户可以清晰明了地查看到不同区域、不同年份、不同季度疑似“两违”建筑图斑数据；数据统计模块清晰展示出不同阶段、不同村镇的“两违”统计数据，可为决策部门提供更加精准的决策数据。

图5 登陆界面

图6 “两违”图斑管理

2 结论

福州市高新区“两违”项目监测从2017年5月至今共开展16期，共计发现变化图斑约2800个（含审批建设项目变化图斑）。经区执法部门现场逐一核对，确认违章建筑准确率达到98.6%，为高新区“两违”建筑拆除提供了精准数据。在这场零容忍“两违”整治行动中，无人机航空摄影技术应用于“两违”工作的有效性、便捷性得到了很好验证，在监测中发挥了至关重要的作用。通过无人机高频次、多时相航摄与底图生产，“两违”图斑网格化解译提取并建立数据库和管理平台，实现了“两违”图斑监测、管理全周期控制，为早发现、早制止、早查处“两违”行为提供了可靠的数据支持。该方法具有良好的可操作性、科学性，可为相关工作的开展提供一定参考。