影像技術(shù)在新增違法建設(shè)監(jiān)測的應(yīng)用

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［摘要］為實(shí)現(xiàn)新生違法建設(shè)嚴(yán)格管控，動(dòng)態(tài)零增長真正落實(shí)的目標(biāo)，北京市采用多種手段進(jìn)行新增違法建設(shè)的發(fā)現(xiàn)和處理。探討采用街景掃描車按規(guī)劃好的時(shí)間和路線進(jìn)行掃描，并對掃描的影像進(jìn)行比對，提取出差異部分，發(fā)現(xiàn)新增違法建設(shè)的可行性。文章介紹了該方法的技術(shù)路線，總結(jié)了北京市近5年來采用該方法取得的經(jīng)驗(yàn)和成果，探討了該方法和其他發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)方法對比的優(yōu)點(diǎn)和存在的不足，為其他城市發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)提供參考。

［關(guān)鍵詞］街景影像;違法建設(shè);監(jiān)測;影像對比

近年來違法建設(shè)呈現(xiàn)出增長的態(tài)勢，管理部門也加大了打擊違法建設(shè)的力度。現(xiàn)有的違法建設(shè)監(jiān)測主要包括人工發(fā)現(xiàn)、衛(wèi)星影像查違識(shí)別等。人工發(fā)現(xiàn)包括各區(qū)塊網(wǎng)格員巡視發(fā)現(xiàn)異常，市長熱線“12345”市民舉報(bào)和相關(guān)執(zhí)法部門的日常巡檢等，該方法確實(shí)在一定程度上能夠發(fā)現(xiàn)和治理違法建設(shè)，但是其人為因素大，投入成本高，發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)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(xiàn)被植被遮擋無法發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)的情況。北京市為全面貫徹落實(shí)“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(fēng)范、古都風(fēng)韻、時(shí)代風(fēng)貌”的城市特色，加快推進(jìn)國際一流的和諧宜居之區(qū)建設(shè)，采用了街景影像技術(shù)對沿街違法建設(shè)進(jìn)行監(jiān)測，效率較高，監(jiān)測區(qū)域面積廣［1］，取得了不錯(cuò)的效果。

1街景影像數(shù)據(jù)采集與制作

北京市要求對六環(huán)內(nèi)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(jìn)行街景數(shù)據(jù)采集，采集長度共計(jì)32000km。項(xiàng)目作業(yè)區(qū)地勢平坦，道路規(guī)整，非常利于外業(yè)數(shù)據(jù)采集，然而項(xiàng)目周期跨越初夏、秋季、冬季，同時(shí)也是霧霾和雨雪天氣高發(fā)季節(jié)，給項(xiàng)目帶來一定的外業(yè)數(shù)據(jù)采集障礙，需要調(diào)配足夠的資源確保項(xiàng)目的順利開展。因此合理規(guī)劃作業(yè)時(shí)間和數(shù)據(jù)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(jìn)行劃分，盡量保證每個(gè)區(qū)域每年采集時(shí)間和采集行走路徑相似，提高對比性［2］。

1．1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1．1．1數(shù)據(jù)采集任務(wù)規(guī)劃任務(wù)規(guī)劃的目的是在滿足測區(qū)全覆蓋的前提下，結(jié)合已有的數(shù)字正射影像圖(DigitalOrthophotoMap，DOM)、路中線及測區(qū)范圍資料，設(shè)計(jì)合理的行車掃描路徑和掃描時(shí)間，避免設(shè)備長時(shí)間高負(fù)荷工作，避免交通擁擠，控制全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem，GPS)失鎖時(shí)間，避免在高架橋等容易共振晃動(dòng)的地方對系統(tǒng)進(jìn)行初始化和結(jié)束化［3］，實(shí)現(xiàn)最高效、最經(jīng)濟(jì)、最精確地采集測區(qū)測量數(shù)據(jù)。1．1．2數(shù)據(jù)采集實(shí)施數(shù)據(jù)采集實(shí)施包括設(shè)備準(zhǔn)備、架設(shè)GPS基準(zhǔn)站、系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)結(jié)束化、儀器回收。設(shè)備準(zhǔn)備要按照《車載激光掃描建模測量系統(tǒng)外業(yè)工作手簿》準(zhǔn)備需要的設(shè)備、資料，需要查看所需的設(shè)備是否齊全。作業(yè)開始前先在規(guī)劃的控制點(diǎn)上架設(shè)GPS基準(zhǔn)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(shí)需要安裝車輪編碼器。系統(tǒng)初始化需要打開平板電腦(PortableAndroidFevice，PAD)，連接wifi，依次開啟LiDAR，GPS按鈕;檢查配置文件情況，確認(rèn)編碼器左輪還是右輪;檢查每秒脈沖數(shù)(PulsePerSecond，PPS)信號(hào)，衛(wèi)星個(gè)數(shù)以及世界協(xié)調(diào)時(shí)間(UniversalTimeCoordinated，UTC)時(shí)間;調(diào)試相機(jī)，確認(rèn)曝光無誤，影像尺寸正確，設(shè)置曝光間距為10M;開啟慣性測量單元(InertialMeasurementUnit，IMU)按鈕，并在PAD中打開IMU開關(guān)，再進(jìn)行初始化10min［4］。記錄外業(yè)記錄手簿。準(zhǔn)備好上述工作即可開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在PAD中開始掃描，開啟外置相機(jī)，等待數(shù)據(jù)總計(jì)，計(jì)數(shù)時(shí)開始作業(yè)即可。數(shù)據(jù)采集完畢，停止掃描，下車進(jìn)行結(jié)束化，10min，并填寫外業(yè)記錄手簿。關(guān)閉所有設(shè)備，檢查數(shù)據(jù)是否有問題，沒有問題則采集數(shù)據(jù)結(jié)束，有問題及時(shí)安排補(bǔ)救措施。同時(shí)，將影像數(shù)據(jù)、激光數(shù)據(jù)、相機(jī)數(shù)據(jù)和流動(dòng)站GPS數(shù)據(jù)一并拷貝到項(xiàng)目指定的存儲(chǔ)硬盤中，按照相應(yīng)的目錄進(jìn)行放置。1．1．3外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)檢外業(yè)數(shù)據(jù)在處理之前需要進(jìn)行質(zhì)量檢查，具體工作內(nèi)容［5］如表1所示。

1．2數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括姿態(tài)解算和全景影像數(shù)據(jù)處理。1．2．1姿態(tài)數(shù)據(jù)解算使用組合導(dǎo)航結(jié)算軟件，將移動(dòng)站GPS數(shù)據(jù)與基站GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分后處理，再將GPS數(shù)據(jù)與IMU、車輪編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到高精度的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)［6］。1．2．2影像數(shù)據(jù)與姿態(tài)數(shù)據(jù)相融合車載激光建模測量系統(tǒng)中各傳感器工作在同一個(gè)時(shí)間系統(tǒng)中，姿態(tài)數(shù)據(jù)曝光那一時(shí)刻是相片在空中位置和角度的真實(shí)還原。姿態(tài)數(shù)據(jù)由相機(jī)標(biāo)定參數(shù)和IMU記錄的車的行駛方向和姿態(tài)融合解算，通過影像數(shù)據(jù)以及IMU數(shù)據(jù)中記錄的時(shí)間信息，結(jié)合標(biāo)定數(shù)據(jù)將影像數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，影像和姿態(tài)數(shù)據(jù)一一對應(yīng)就覆上坐標(biāo)，為影像數(shù)據(jù)賦予坐標(biāo)信息［7］。1．2．3影像數(shù)據(jù)預(yù)處理借助四臺(tái)高清索尼魚眼相機(jī)獲得高清影像，通過影像改正與影像拼接，輸出8192ppi×4096ppi像素的全景影像。1．3數(shù)據(jù)加工街景數(shù)據(jù)加工由街景軌跡數(shù)據(jù)加工和街景影像切片組成，且同一批切片數(shù)據(jù)應(yīng)與同一批的外業(yè)照片數(shù)量、SHP(shape縮寫，一種GIS系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)格式)曝光點(diǎn)個(gè)數(shù)一致。1．3．1街景影像切片街景數(shù)據(jù)要求原始圖片尺寸為8192ppi×4096ppi。圖片影像應(yīng)能正確反映自然界存在的顏色現(xiàn)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(xiàn)象。街景數(shù)據(jù)最終提交的形式是切片以后的數(shù)據(jù)，切片要求是:全景影像采用六面體模型，借助切片軟件自動(dòng)進(jìn)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(gè)面上;瓦片大小設(shè)定為512ppi×512ppi;六面體每個(gè)面構(gòu)建三級瓦片金字塔:第一級由1×1個(gè)瓦片構(gòu)成、第二級由2×2個(gè)瓦片構(gòu)成、第三級由4×4個(gè)瓦片構(gòu)成［8］。1．3．2軌跡數(shù)據(jù)要求軌跡數(shù)據(jù)是由曝光點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的shp數(shù)據(jù)，具體屬性列表及要求見表2。

2街景影像技術(shù)發(fā)現(xiàn)新增違法建設(shè)

通過對比兩次不同時(shí)期采集的街景影像數(shù)據(jù)來獲取新增建筑信息，將新增建筑與規(guī)劃審批數(shù)據(jù)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)新增違法建設(shè)。北京市的街景影像數(shù)據(jù)采集對違法建設(shè)高發(fā)重點(diǎn)區(qū)域每年多次采集，對非高發(fā)區(qū)域每年進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)對比工作包括今年和去年采集的街景影像數(shù)據(jù)對比，以及今年兩次不同時(shí)期數(shù)據(jù)的對比。

2．1街景影像數(shù)據(jù)對比

違法建設(shè)識(shí)別分為兩個(gè)階段。第一階段，2019年6月第一輪、8月第二輪采集的街景數(shù)據(jù)與2018年所有已有街景數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。第二階段，2019年10月第三輪的數(shù)據(jù)與第一輪采集和2018年的街景數(shù)據(jù)采用以上同樣的對比方法，動(dòng)態(tài)監(jiān)測前后變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)疑似違法建設(shè)，如圖1所示。兩個(gè)階段采用的對比方法相同，主要采用人工外業(yè)識(shí)別、內(nèi)業(yè)識(shí)別相結(jié)合的技術(shù)手段，同時(shí)研發(fā)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別手段。人工外業(yè)和內(nèi)業(yè)識(shí)別主要通過作業(yè)員根據(jù)不同時(shí)期影像對比和現(xiàn)場判斷，對疑似違法建設(shè)進(jìn)行識(shí)別與定位，動(dòng)態(tài)監(jiān)測前后變化，并套合規(guī)劃數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)疑似違法建設(shè)［9］。計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別主要通過軟件對比前后期照片，發(fā)現(xiàn)新增建筑。對比發(fā)現(xiàn)疑似違法建設(shè)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(shè)與參照物的關(guān)系，做到證據(jù)充分。

2．2新增違法建設(shè)發(fā)現(xiàn)和成果整理

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

3街景影像監(jiān)測新增違法建設(shè)經(jīng)驗(yàn)

北京市從2015年開始進(jìn)行街景影像技術(shù)監(jiān)測新增違法建設(shè)以來，該項(xiàng)工作已進(jìn)行了5年，每年采集道路長度超過3000km。通過近5年的街景影像監(jiān)測新增違法建設(shè)工作總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)［10］。

3．1外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集經(jīng)驗(yàn)

基站應(yīng)該架設(shè)在開闊、GPS信號(hào)好的控制點(diǎn)(已知1984坐標(biāo)系坐標(biāo));堅(jiān)決避免CF(一種存儲(chǔ)卡的格式，CompactFlash)卡和設(shè)備電纜等帶電插拔;保證工作電壓不低于12V;初始化過程中，避免開關(guān)車門等造成采集車晃動(dòng)，保證采集車靜止;每半天重新根據(jù)環(huán)境設(shè)置相機(jī)拍照參數(shù)，并測試相機(jī)曝光情況;作業(yè)行車速度要求低于30km/h，避免倒車，減少急剎車，急加速，避免檔位高轉(zhuǎn)速低造成的采集車抖動(dòng);盡量靠內(nèi)側(cè)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(hào)失鎖時(shí)間;在失鎖路段應(yīng)減少失鎖時(shí)間，在數(shù)據(jù)采集允許的最快速度下快速通過;全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)接收機(jī)應(yīng)該在IMU結(jié)束化后2min關(guān)閉;掃描時(shí)沿快車道(緊靠隔離帶)行駛，如果前方有車，應(yīng)該等待其離開，不能繞過其行駛，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

3．2外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求經(jīng)驗(yàn)

外業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)該是完整無誤的GPS，IMU，可量測實(shí)景影像(DigitalMeasurableImage，DMI)，顯示技術(shù)(ClearMotionRate，CMR)數(shù)據(jù);四個(gè)相機(jī)的img數(shù)據(jù)格式相同，并與ATD(一種數(shù)據(jù)格式，里面是曝光點(diǎn)信息)一致;輸出導(dǎo)航結(jié)果數(shù)據(jù);圖片影像應(yīng)該是8092×4096的全景數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)證明，利用該方法進(jìn)行新增違法建設(shè)的監(jiān)測效率高、人員投入少，對新生違法建設(shè)可以形成強(qiáng)有力的遏制力。車載移動(dòng)街景影像發(fā)現(xiàn)可疑違法建設(shè)的周期為3個(gè)月，在如此短暫的時(shí)間查處一處違法建設(shè)，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(shè)新增的制造者的作案動(dòng)機(jī)，形成強(qiáng)有力的威懾，在一定程度上遏制違法建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，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(shí)發(fā)現(xiàn)的城市死角進(jìn)行有效補(bǔ)充。但是，該方法也有其局限性。首先，對社區(qū)內(nèi)部汽車無法通行的區(qū)域無法進(jìn)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(dòng)識(shí)別新增建筑還需提高其準(zhǔn)確性，保障成果質(zhì)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(shè)，也采用了地理國情普查單體建筑模型成果進(jìn)行違法建設(shè)整治。通過各種手段綜合進(jìn)行，相信北京市創(chuàng)建全市基本無違法建設(shè)工作會(huì)早日完成。

參考文獻(xiàn)

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［2］劉增良，楊軍，張保鋼．面向城市規(guī)劃的三維建模技術(shù)探討與應(yīng)用［J］．北京測繪，2009(2):1-3．

作者：張勁松 劉志祥 李新煜 單位：北京市測繪設(shè)計(jì)研究院 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室