曹端广郑国强马银张子民贾德芳

(山东建筑大学 测绘地理信息学院，山东 济南250101)

0 引言

城镇违法用地和违章建筑监测属于全国土地调查工作的范畴，是一项重大的国情国力调查，是查实查清土地资源的重要手段。 但是，目前该项工作的开展仍存在较大的局限性，尤其是违法用地图斑核查结果数据缺乏真实性和现势性，这将降低城镇违法用地监测的准确性，对土地可持续集约利用具有负面影响[1]，进一步影响到国家对土地利用和城市规划的统一部署[2]。 当前国内外大多采用传统的违法用地监测工作方法，主要采用人员地面实地调研查看、卫星遥感影像比对和传统航空摄影技术等手段开展工作[3]。 其中，地面实地调研查看方式需要大量人力、物力，工作效率较低；卫星遥感影像数据下发周期长，获取的土地变化信息滞后性较明显，很大程度上影响宏观调控的效果，同时卫星遥感数据解译精度不能完全满足违法用地解译精度的要求，且存在投入产出不对等的缺点；航空摄影受空域管制和气候等因素制约，且成本较高。

国内有较多学者对城镇违法用地监测进行了相关的研究。 杨宏光等[4]提出利用高分辨率遥感影像监测城镇违法违规建筑用地，这也是目前国内大部分相关工作单位开展工作的手段。 为了解决以往依靠人工实地核查调研存在的效果差、效率和准确性较低等问题，曾凡洋等[5]提出了利用微型无人机进行违法用地和违法建设动态监测的思路，虽然此方法提高了获得的相关数据的精度，但是监测工作依靠的数据仍然局限于二维数据层面，较三维模型数据仍存在局限性。 薛雁明等[6]首次提出了将倾斜摄影应用于地理国情普查与监测工作中，阐述了地理国情普查与监测的现状，并简单介绍了倾斜摄影测量技术以及三维模型的建模流程，分析了将三维模型应用于国情普查工作中的优点。

在现有研究的基础上，文章提出了利用倾斜摄影生成三维模型进行城镇违法用地监测的思路，并总结得出了基于倾斜摄影技术的高精度三维模型制作和生产流程，在此基础上开发了一套完整的基于倾斜摄影的城镇违法用地三维核查系统，并对系统的测量数据进行精度评定，以验证系统的可靠性和可行性。 文章的研究思路及开发的核查系统，为违法用地监测部门提供新的工作手段，有利于提高监测准确度及工作效率。

1 研究方法

1.1 基于高分辨率影像的违法用地图斑的获取

倾斜摄影相机具有多个镜头，能够同时获取同一地物多方向上的影像，从而获得地物多视角影像和详细的侧面信息。 利用获取的照片数据，通过软件生成高分辨率正射影像，对正射影像的分块目视解译，可以发现存在疑似违法用地和违法建设的区域。 对处于城中村中心等人力巡查难以到达的区域，无人机监测具有巨大的优势，让“两违”现象无处遁形。

在违法用地监测工作中，将两期间隔拍摄的无人机正射影像进行对比，或将无人机正射影像与上一年度年底获取的高分辨率卫星影像进行对比，分辨出变化区域，即可得到两期影像之间的变化图斑。将变化图斑与土地利用现状矢量数据进行空间叠加分析，得到每一个变化图斑内土地利用现状类型。

1.2 高精度实景三维模型的制作

采用倾斜摄影测量技术进行三维实景建模，其核心技术包括数据获取、数据预处理、空中三角测量、倾斜影像密集匹配、数字地表模型DSM(Digital Surface Model) 点云生成、构建不规则角网TIN(Triangulated Irregular Netwrk)模型、自动纹理映射和三维实景建模等。 其中，关键步骤为空中三角测量、自动生成三维模型和纹理映射，为后续的数据处理、三维建模提供数据支撑。 空中三角测量、三维实景建模自动化水平的提高极大地便利了三维实景重建[7]。

1.3 数据获取及处理

建模的原始数据主要包括了倾斜影像数据、高精度位置和姿态测量系统 POS (Position and Orientation System)数据、地面像控数据。 鉴于无人机体积小、易于携带，技术门槛低、易于推广，文章采用大疆Pro 4 无人机进行倾斜影像数据采集。

在无人机地面控制系统中进行航线规划，设置飞行高度、航向和旁向重叠度、起飞和降落地点等参数。 在飞行之前对无人机进行调试、磁场校准，检查无误后起飞。 无人机在航飞途中，会自动下载相应的POS 数据到飞控系统[8]。

Smart3D 软件采用世界先进的计算机视觉三维重建算法[9]，只需结合飞行过程中获取的POS 数据即可解算出精确外方位元素。 采用多基线多特征匹配技术可生成大量的连接点[10]，结合少量的外业控制点，通过区域网平差步骤，从而完成了多视角联合空中三角测量，得到空中三角测量报告；随后根据聚簇算法和基于面片的密集匹配算法，实现高密度点云初步构建[11]；最终由超高密度点云构建的TIN 网模型结合纹理映射实现实景三维模型的构建。

1.4 违法用地监测流程

违法用地监测流程如图1 所示。 具体流程为(1) 将两期间隔拍摄的无人机正射影像进行对比，或将无人机正射影像与上一年度年底获取的高分辨率卫星影像进行对比，分辨出发生变化的区域，即可得到两期影像之间的变化图斑；(2) 将利用倾斜摄影技术获取的变化图斑照片做为原始数据，利用Smart3D 软件进行实景三维模型的建构，并将三维场景模型上传至所开发的违法用地监测平台服务器端，同时将城市建设用地审批文件、原始图斑文件等其他辅助资料一同上传至监测平台服务器端；(3) 服务器接收详尽资料后，由客户端对违法用地图斑进行审核，人工交互审核完成后对审核结果进行统计汇总，统计不同地区违法用地数量和违法用地占总用地比例等。

图1 违法用地监测流程图

2 违法用地监测系统设计及实现

为了提高城镇违法用地监测工作效率，突破传统以二维影像作为监测依据的局限性，解决人为目视解译带来的误差和不确定性等问题，以三维场景的形式更加客观、公平、严谨地进行检查审核，因此需要开发基于倾斜摄影的城镇违法用地监测系统。这符合智慧城市的发展方向，让数据传输、监测审核、数据存储等一系列工作实现线上运行。

2.1 系统设计

2.1.1 系统架构设计

城镇违法用地监测系统架构设计如图2 所示。系统采用B/S 架构，以IDEA 作为开发工具，JavaScript 和C＃作为开发语言，Oracle 作为数据库进行系统搭建。 其中(1) 系统通过Smart3D 软件将无人机倾斜摄影数据进行三维建模；(2) 将倾斜摄影三维模型加载到SuperMap iDesktop 9D 软件中生成配置文件并添加到三维场景；(3) 通过SuperMap iServer 9D 软件将处理好的三维数据发布成能调用的三维场景服务。

图2 城镇违法用地监测系统架构设计图

2.1.2 数据库设计

系统采用地理数据库和关系数据库进行数据的存储，三维场景模型存储在SuperMap 地理数据库中，建设用地审批文件信息和系统量测的建筑物高度、用地面积等信息存储在Oracle 数据库中，通过数据访问层来进行访问。 Oracle 数据库中有国土用地和违法用地两个数据表，字段类型相同。 违法用地数据结构见表1。

表1 违法用地数据结构表

2.1.3 系统功能模块设计

基于倾斜摄影的城镇违法用地监测系统有国土用地和违法用地数据管理、违法用地核查、数据统计分析、系统管理以及测高测距测面等量测功能，其功能模块如图3 所示。

图3 系统功能模块图

2.1.4 系统工作流程

城镇违法用地监测系统的具体工作流程如图4所示。

图4 系统工作流程图

用户通过浏览器打开系统登录界面，输入用户名和密码登录。 新用户需进行注册，管理员可以通过系统管理对用户进行审核和设置权限。 登录成功后进入系统的首页，在国土用地中存放了已经编号的地块，用户点击相应的地块，地图窗口跳转至相应的倾斜摄影三维模型处，使用测高和测面按钮对建筑物进行量测；根据量测的数据和审批文件要求进行对比，如果合格，则审核通过；如果不合格，那么将该地块标注为违法用地并存放于违法用地数据中。 核查用地是用来对违法用地进行二次审核，如果该地块后期整改了，那么将通过审核，反之继续列为违法用地。 统计分析功能模块可以根据不同的地区、年份对土地进行分析，统计违法用地占总地块的比例以及不同地区对违法用地的整改效率。

2.2 系统实现

2.2.1 发布和浏览大数据量的倾斜摄影三维模型

倾斜摄影三维模型数据量大，为了实现大数据量的发布和网页中的快速加载，主要通过SuperMap的iDesktop 和iServer 实现。 无人机倾斜摄影数据通过Smart3D 软件建模，生成osgb 格式的倾斜摄影三维模型数据，将数据导入SuperMap 的iDesktop中，生成scp 配置文件并对数据进行压缩，以此来提高效率，将三维模型添加到新的三维场景中并保存工作空间。 在SuperMap 的iServer 中发布此三维模型工作空间，在网页中通过Cesium 进行调用[12]，实现倾斜摄影三维模型在以Cesium 的三维地图为场景的快速加载。

2.2.2 对建筑物进行高度和面积等空间测量

量测功能模块主要通过超图的MeasureDistance和MeasureArea 类计算空间量测结果[13]，包括空间距离、空间面积、高程、依地距离、依地面积和水平距离等多种形式。 该功能在三维场景中通过单击测距、测高、测面按钮实现。

2.2.3 统计分析功能

此功能是用来统计不同地区违法用地数量及占总用地比例。 国土用地中无论是合法用地还是违法用地，所有地块信息都存储在Oracle 数据库中，地块拥有ID、坐标、行政区、是否违法等属性字段。 使用Mybatis 做持久化框架查询数据库中的数据，基于HTML5 的Echarts 与ArcGIS JavaScript API 的专题制图方法[14]，将查询得到的数据制作成柱状图和饼状图在网页中显示。

3 违法用地监测系统精度评定

为保证系统数据测量的精度满足城镇违法用地监测工作的需要，对基于倾斜摄影的城镇违法用地监测系统进行精度评定。 以济南市历城区2018 年公布的部分违法用地为例，对保利银座幼儿园、辛祝路小别墅等10 个标志性建筑物的高度和面积在系统中进行测量。 建筑物高度取建筑物最顶端，建筑物面积为建筑物的占地面积；利用全站仪和激光测距仪对所选取建筑物的高度和面积进行实地测量。将实地测量得到的数据作为基准和系统测量结果进行误差分析，具体结果见表2。

表2 建筑物实地测量与系统测量数据表

国家质量监督检验检疫总局和国家标准化委员会发布的GB/T 14268—2008《国家基本比例尺地形图更新规范》中给出了精度估算公式[15]，由式(1)～(3)表示为

式中:di为较差；a1为系统中建筑物的高度或面积；a2为地面实测建筑物的高度或面积；MD为等精度中误差；MG为高精度中误差；n为选取的样本数。

利用式(1)做系统高度(面积)与实测高度(面积)差值得到较差，并通过式(2)、(3)计算等精度中误差和高精度中误差，计算结果见表3、4。

由表3 可知，系统中测量的建筑物高度和实测高度较差在-0.05 ～0.07 m，董家村仓库系统高度和实测高度较差最大，和润幸福城北侧建筑系统高度和实测高度较差最小，其中所选的10 幢建筑物的高度测量等精度中误差为±0.03 m，高精度中误差为±0.05 m。 精度完全满足违法用地监测的工作要求。

表3 建筑物高度测量误差统计表/m

表4 建筑物面积测量误差统计表/m2

由表4 可知，系统中测量的和实测建筑物面积较差在-1.95～2.8 m2，保利银座幼儿园系统面积和实测面积较差最大，孟家村办公楼系统面积和实测面积较差最小。 所选的10 幢建筑物的面积测量等精度中误差为±1.14 m2，高精度中误差为±1.61 m2。精度完全满足违法用地监测的工作要求。

4 结语

文章采用无人机倾斜摄影获得监测地物的影像，利用Smart3D 软件建构实景三维模型，开发了基于倾斜摄影的城镇违法用地监测系统，技术流程可以概括为“三获取二对比”，即获取历年遥感影像、倾斜摄影模型、审批文件；两期遥感影像对比得出变化区域，倾斜摄影模型与审批文件对比得出监测结果。 以济南市历城区部分违法违章建筑物为例，对系统三维模型的高度和面积精度检验的结果进行分析，其表明:建筑物高度测量等精度中误差为±0.03 m，高精度中误差为±0.05 m；面积测量等精度中误差为±1.14 m2，高精度中误差为±1.61 m2。 精度完全达到违法用地监测的工作要求，系统可以为违法用地监测提供服务。