“多元融合”技术在国土综合业务中的应用

刘一锋

(广州市城市规划勘测设计研究院,广东 广州 510060)

0 引 言

土地是人类生存和发展的物质基础,是各种生产和生存的源泉。土地的科学开发、利用和分配是土地资源可持续发展的根本保证。有效管理土地,制止非法使用土地,切实保护耕地,是土地工作的重点[1-5]。现阶段,我国仍然处于持续推动国家重要中心城市的现代化中心城区建设的进程中。在现代化中心城区建设的过程中,土地开发利用是城市建设的关键环节,并且具有“环节烦琐、耗时时间长”的特点,如何依托新技术、新服务模式实现土地开发环节的提质增效对于助力经济社会发展具有重要意义[6]。

1 概 述

在对土地进行开发利用时,政府部分需完成各类土地征收储备和土地开发业务,伴随着政府的各类业务衍生出了各种国土综合的规划测绘服务工作,具体包括现状地形图测量、土地套图及附图、土地勘测定界、不动产权籍调查、低空无人机航摄、二调建筑量比对、建筑量估算、建(构)筑物年份核查等,这些业务可统称为国土综合业务,贯穿土地征拆收储开发整个流程。传统的国土综合业务主要是以勘测定界和权籍调查为主,根据土地征拆收储开发的流程,现阶段利用多种新技术优化了各类业务工作流程,也发展出了更多的新型业务。本文对广州市城市规划勘测设计研究院国土综合业务中最具代表性的突破和创新的成果进行了阐述。

2 “多元融合”技术在国土业务中的应用

2.1 建设战略数据库,搭建核心数据中台

国土业务是需要契合需求的数据专项服务,包含的工作内容众多,要求更高的数据调取能力,要满足平行处理数据于各职能部门架构信息传输端口之间传输、集成和应用。但受数据多源影响,初始数据集不可避免需经过人工与计算机共同清洗处理,经数据信息化工作,形成坐标统一、格式统一、信息统一、图形统一的有效数据集。因此广州市城市规划勘测设计研究院根据使用主体的需求,对数据进行科学组织与管理,打造战略数据库,将其作为强大的基础工具和整个平台设计的核心中台,可以为后续工作提供强有力的支持。

在战略数据库的基础上,广州市城市规划勘测设计研究院应契合项目多元应用的需求建设“服务区”基础数据平台,通过众多的国土数据、规划数据、无人机、手机、三维激光扫描仪、全站仪等多种手段进行多方面采集数据和模块化的业务流结合,实现数据分析及应用的目的,形成“服务区”国土测绘业务“一张图”。基础数据平台是一个在计算机和现代信息技术支持下,以“地块”为核心实体,实现地理信息的输入、贮存、检索、处理、综合分析、辅助决策以及结果输出的信息系统,从开发架构上主要是B/S子系统。

基础数据平台应实现以下六大模块:

(1)数据获取模块:主要实现对数据的接收、调取等功能。

(2)数据管理模块:支持数据的输入输出、编辑及处理、查询统计、数据可视化等功能。

(3)建筑量估算模块:实现在实景三维模型上直接测定点的三维坐标、进行空间量测、矢量图形编辑等功能。在获取二调、农调、现状等数据的基础上快速获取和计算范围内的建筑量(图1)。

图1 平台模型计算

(4)权属分析模块:对用地范围内的权属情况,包括国有土地、集体土地、合法集体住宅、合法集体物业、非法集体住宅、国有建筑等进行统计和分析。

(5)勘测定界模块:满足勘测定界成果中包含的各项地籍要素、土地利用现状要素和地形、地物要素数据的调取和灵活应用。

数据中台的建设理念是将基础数据从文件方式管理提升为数据库系统管理,以网络发布的方式向提供基础数据分发服务,提供快速搭建模型计算功能,实现数据的在线浏览、查询、提取、快速计算,实现空间数据“一查多用、一库多用”,支撑空天地大数据分析,使传统业务的作业效率进行大幅提升,可满足更加多元化的业务类型,减少约三分之一的人力操作,新更好地满足业务的生产需求。

2.2 采用基于无人机倾斜实景模型的三维测图方法

在进行国土业务数据采集的过程中,经常使用无人机进行三维测图,为实现三维模型的高精度重建,广州市城市规划勘测设计研究院使用了多视几何的倾斜式摄影空中三角测量技术。在同等分辨率条件下,倾斜摄影比传统航摄照片数量多10倍以上,广州市城市规划勘测设计研究院采用了哈瓦四轴八旋翼折叠双电版无人机MEGA-V8Ⅲ,无人机搭载五镜头,机身采用碳纤维一体化设计,增加整体抗风强度。机型采用“L”形仿生设计,四个电机座相互平行,由于传导结构的不同,A、D点振动波到达H点时相互抵消,尽量减少震动对机身中心点造成的影响(图2)。无人机倾斜摄影平台搭载的高精度导航定位系统采用双RTK设计,能够接收三星(北斗、GPS、GLONASS)七个频段数据。此外,无人机倾斜摄影平台实现了相机与GNSS定位(毫秒级)同步,保证POS数据归算到照片主点,最大限度地减少了机械延时产生的误差,实现了高清晰、高精度原始影像的采集。

图2 无人机倾斜摄影平台

在航摄数据处理过程中,广州市城市规划勘测设计研究院采用了分布式优化方案,结合POS系统提供的外方位元素和相机位置关系,将全局光束法平差修正为基于共轭梯度的迭代求解法,充分利用集群内部各节点的算力资源,实现了高精度并行空三。倾斜摄影影像相对于传统的垂直摄影影像具有重叠度高、相邻影像间基高比小、倾斜影像尺度变化大的特点,对此项目采用地空多源不同尺度数据生成多角度特征降维视差图,来满足大场景高精度密集点云的需求,再辅助全局网格均匀分布的三维表面重建技术来实现规则化城市级大范围三维实景模型的生成。通过垂直影像获取顶部结构,四周倾斜影像获取房屋立面结构信息,利用建筑物侧面纹理可采集的特点,配合计算机视觉特征匹配算法检索结构相似性高的倾斜影像,自动完成纹理映射、几何纠正、模型修饰的建筑单体化流程[7-8]。

无人机航空摄影是基于事先已设计好的航线由相机传感器和POS系统在空中采用自动定点拍摄和定点记录的方式进行的。在航测飞行前,将航线设计的数据导入无人机飞行控制系统内,通过地面监控系统控制无人机按预定的线路起飞,当无人机飞到相应的高度后,相机按照预先导入的拍摄点进行自动定点拍摄,获取地面像片,与此同时,POS系统记录像片拍摄瞬间无人机的各项姿态参数,像片数据存储在相机自带的存储卡中,POS数据、飞行航线数据、飞行记录数据存储在飞行控制系统的存储器中。

采用无人机设备悬挂多镜头倾斜相机,通过smart3D软件建立实景模型,加载实景三维模型和正射影像数据,实现居民区(含农田区)的二三维联动一体化地形测绘,将数据生产重心由外业转为内业(图3)。通过全野外测量方式采集明显特征点坐标数据和明显高程点数据进行精度检测,精度符合规范要求,该技术方法比较适用于无植被遮挡或植被遮挡区域面积小、建筑密集度低等区域地形测绘,对于隐蔽地区采用地面常规手段进行协同补充。此外,针对重点关注地块,采用无人机视频技术实现全过程动态监测与可视化展示。

图3 三维模型

利用无人机航摄和实景建模模型,可大幅缩减人力成本,传统的测量方式受天气制约较大,既需大量的人力外业,也需长时间的内业加工,利用无人机倾斜实景模型的三维测图方法可大大缩减内外业人力,提高至少三倍单人单日工作量。

2.3 研发基于EPS的脚本增强工具集,提升数据处理效率

广州市城市规划勘测设计研究院建立的EPS软件全流程作业系统是目前国土测绘业务板块的重要工具,能将繁复的人工工作通过代码逻辑实现自动化或半自动化作业,从而增强工作效率。以面向多元应用的需求为导向,针对各项业务“庖丁解牛”,基于EPS二次开发编制面积计算、自动构图、成果输出等脚本工具集(图4),仅需少量人工干预即可获得符合要求的成果图件,解决作业自动化、成果标准化、出图数字化等难题,减少重复作业,节省人力时间成本的同时也保证了数据质量。项目通过EPS脚本开发实现了以下功能:

图4 基于EPS的国土业务脚本工具集

(1)通过导入范围线,快速生成符合要求的用地结案附图、建设用地套图等一系列套图标准化成果。

(2)利用EPS工具集实现地类图斑编号的自动生成,通过导入SHP文件,一键生成地类图斑编号,同时根据比例尺自动调整地类图斑编号的大小以及位置,实现测定界图与土地利用现状图的快速编制。

(3)通过增建坐标文本输入自动生成弧段的功能和掩膜的功能解决了不动产权籍调查中作业问题。

(4)开发了基于EPS的建筑群自动化面积计算模块,采用分区构面、分区计算的技术,实现了现状建筑量的自动输出,以减少内业计算量。

3 结 语

根据国土综合业务的特性,广州市城市规划勘测设计研究院首先进行了数据布局,建设多个数据库(1∶500地形库、国有权属库、集体权属库、建筑库等),形成“地块”一张图,其次对重点项目进行了模型研发,开辟的新型的数据生产方式,接着对各类基础业务的处理软件进行了模块化的优化升级,从而最大限度地减少了现状地形图测绘、勘测定界、不动产权籍调查、建筑量估算等多类业务的工作量,同时在新形成的成果数据后,将依托动态更新机制为数据中台补充新鲜血液,即对数据中台进行“反哺”,从而在基础数据上,我们做到了“有数据可用、要用有数据”的良性循环,在软件和模型的开发环节我们也做到了“创新与优化共存、效率与质量兼得”,大幅缩减人力成本,提高经济效益。凸显出了数据差异化增值价值,构建高效的“需求适应型”服务新模式。