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城市建筑物动态变化监测研究

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小鱼到处游 发表于 2019-9-11 18:14:51 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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52监测⽹建筑物监测板块,关注建筑物监测领域,包括建筑物监测数据处理技术、建筑物监测⽅案分享、建筑物监测规范汇总、建筑物监测施⼯记录建筑物检测⽅法汇总等资源。
1.引言
改革开放以来,城市建设的速度飞速加快,给城市规划与管理工作带来了诸多问题,诸如城乡结合部建设混乱,违反规定大规模圈地占地,产生大量的违法建筑物,毁坏文物,大拆大建,以及无规则擅自批建等,严重影响着城市的可持续发展。本文针对这些问题,采用航空遥感、卫星遥感、三维激光扫描和GIS等先进技术,建立城市规划建设和监督管理信息系统,对城市进行动态监测,快速监测和核查城市中违反规划的各种建设行为,有力地提高了城市的行政监管能力,对维护城市规划法规、促进城乡规划管理体制改革和城市可持续发展具有重要意义。
2. 动态变化监测指标
利用航空倾斜摄影测绘技术和机载LIDAR技术动态监测建成区内建筑物现状,监测建筑物违章变化情况,统计合法、非法建筑的存量和增量。主要监测指标:
1) 平面精度:2 m;
2) 高程精度:1 m;
3) 影像分辨率:优于10 cm;
3. 城市建筑物数据采集与建库
3.1. 机载LIDAR航摄设计
根据对建筑物监测的指标要求,点云密度宜采用每平方米4个点,据此开展航摄设计。主要航摄设备采用机载LIDAR设备为天宝公司的Harrier 68i,该设备的GPS、IMU、激光器、相机高度集成、固化在设备箱内。机载LIDAR航摄飞机使用小型单螺旋桨双翼运五飞机,最高升限4500米,巡航速度160公里/小时[1]。
测区航摄飞行设计在保证产品精度质量的前提下,考虑到后续应用的要求,从高效、经济的原则出发,综合考虑仪器设备的性能、测区的地形条件、摄区形状,对飞行航高、航向重叠度、旁向重叠度和航行协调等一系列要素进行设计。机载LIDAR航摄设计参数[2],见表1。

                               
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表1. 机载LIDAR航摄设计参数
昆明城区机载LIDAR航摄数据采集与数据获取的技术流程,见图1。

                               
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图1. 机载LiDAR数据获取技术流程图
3.2. 倾斜摄影测量航摄设计
倾斜摄影测量拟采用SWDC-5数字航空倾斜摄影仪。SWDC-5数字倾斜航摄仪,通过在同一飞行平台上搭载多个相机,分别从五个视角对地面进行拍摄,得到被拍摄物体的多视角影像,有效集成POS系统,经过加固、精密单机检校、精密平台检校而成,并配备测量型双频GPS接收机、航空摄影管理计算机,集成了航线设计、飞行控制、数据后处理等自主研发软件,能够为数据采集提供全方位服务[3]。飞机采用与机载LIDAR相同的运五航摄飞机。
假设测区范围20 km × 23 km,由于倾斜摄影的特点,区域需外扩1 km左右范围,以保障斜片的有效覆盖,故最终范围约22 km × 25 km;斜片主点处建筑物外立面的分辨率10 cm,另外需保障斜片无漏洞;650 m航高时下视相机地面分辨率为7.8 cm,取斜片地面覆盖梯形区域内的正方形为有效覆盖面积,即458 m × 458 m。倾斜摄影测量航摄设计参数,见表2。

                               
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表2. 倾斜摄影测量航摄设计参数
航空倾斜摄影测量数据处理流程[4],见图2。

                               
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图2. 航空倾斜摄影测量数据处理[5]
3.3.地面GPS参考站
地面参考站的架设采用天宝5700或天宝5800双频接收机,采样间隔为1 s。
4. 城市建筑物监测数据处理与分析
4.1. 技术路线
城市建筑物监测数据处理与分析,主要是通过不同时期的LIDAR数据、倾斜摄影数据生产相应的DSM、DOM成果,基于不同时期DSMDOM数据成果进行自动化对比高差来识别变化区域,统计分析变化区域,满足城市建筑物动态监测应用需求[6]。基于生成的DSM和DOM数据,定期检测变化情况,识别变化区域,统计合法、非法建筑的存量和增量。建筑物动态变化监测处理流程,见图3。
基于生成的DSM和DOM数据,定期检测变化情况,识别变化区域,统计合法、非法建筑的存量和增量。动态监测变化精度指标:自动识别出房屋平面高度1 M的变化区域。
4.2. 不同时期机载LIDAR数据浏览、过滤去噪
产生噪声点主要因素可分为三类:A:由被测对象表面因素产生的误差,比如表面粗糙程度、波纹、表面材质等,当被测量表面粗糙值较低或光泽比较亮时(如玻璃、金属等),会使激光束在漫反射的同时发生较强的镜面反射而产生测量误差;B:由扫描系统引起的误差,如测量设备的精度、摄像机的分辨率,振动等等;C:偶然噪声或背景噪声,在扫描过程中由于偶然因素成为扫描数据的一部分(如飞鸟等运动物体、无回波信息的局部空洞)。噪声将直接影响地物识别、分类以及建筑物等模型重建的质量,容易导致重构曲线、曲面不光滑。
噪声点在高程突变方面表现出来的特性为目标点与其所有邻近点之间都具有明显的高程变化且幅度大[7]。本研究以LiDAR点云原始数据为基础,构建Delaunay三角网,再依据三角网记录存储各点的拓扑关系,最后根据高程突变这一特点,进行噪声点的剔除,以满足后期生成DSM成果需求,见图4。
4.3. 自动生成不同时期DSM成果
机载LIDAR技术是一项自动化生成数字地形模型和数字表面模型的新技术。机载LIDAR技术已经成为提取空间高精度三维信息的有效手段,可以快速地生成高精度DSM。其在DSM数据精度、数据处理周期等方面与传统航测方式具有很大的优势。
由于激光扫描点云密度较大,生成DSM数据时,每个网格单元取一个高程点,格网大小参数根据建筑物动态监测变化精度而定,要求房屋平面高度1 M识别精度的话,建议格网大小 <0.5 M,已保证变化监测识别精度,见图5。
4.4. 不同时期DSM成果对比计算
机载LIDAR数据加工处理,生成两个不同时期的DSM模型,根据两个DSM模型的高度差和DOM的色差可以自动识别建筑物高度及平面变化区域。DSM数据处理及对比计算过程中都存在一定误差,但建筑物至少在1 m以上的变化,可以通过设置一定的高差阈值和邻域面积阈值滤除误差、噪点以及应用所不关心的微小变化。

                               
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图3. 建筑物动态变化监测处理流程

                               
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图4. 机载LiDAR数据浏览去噪

                               
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图5. DSM成果
在赋予DOM色彩的DSM上,在限定DSM差值范围内,同样可以根据色差提取平面变化区域,通过设定的色差阈值滤除二次摄影太阳高度角和季节不同带来的色差,通过边缘跟踪等基本图像处理手段获取待选平面变化区域。
不同时期DSM对比计算,见图6。

                               
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图6. 不同时期DSM对比计算
4.5. 动态监测变化分析统计
通过不同时期DSM对比,可以实时的计算出高度/平面在指定精度内的变化区域。并通过在差值DSM上对其进行二值化提取,边缘跟踪等基本的图像处理手段,可以获取在差值DSM上的待选变化区域[8],也就是高度/平面发生变化的区域(蓝色图块),见图7。

                               
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图7. 建筑物动态变化区域统计分析
4.6. 动态监测的应用扩展
建筑物现状动态监测出的变化区域,可以按照标准规范格式进行导出,统计合法、非法建筑的存量和增量[1]。
变化区域可以按照点云或者矢量数据格式进行导出,其监测变化区域的成果数据可以时间为单位,统一无缝集成到城市规划建设管理数字化应用平台中进行管理分析、应用服务。规划、国土、建设、园林、城管等部门可基于动态监测变化区域成果数据,通过城市规划建设管理数字化应用平台进行违法确认、执法查处及综合管理。
5. 结束语
以城市规划建设的建筑物要素为监测对象,基于机载LIDAR技术和倾斜摄影测量技术高新技术,可快速获取与处理城市规划建设现状的高精度三维空间信息,实现大范围、可视化的城市建筑物动态监测,能有效地震慑城市建筑物违法违章建设行为;为监督执行城市总体规划,处理城市灾害和紧急情况,为促进城市建设可持续发展,提供了空间信息支持和科学依据。
来源:《测绘科学技术》2016年第2期
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