基于低空遥感与多源数据融合的城市“两违”动态监测体系技术研究—以南沙区无人机低空遥感动态监测土地执法项目为例

基于低空遥感与多源数据融合的城市“两违”动态监测体系技术研究—以南沙区无人机低空遥感动态监测土地执法项目为例

王鹏飞

广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州510000

摘要：我国国土资源自然资源与城市管理动态巡查工作，是提高土地管理精细化的必要手段，能够强化城市开发建设的管理能力，并遏制违法建设行为，是提高土地管理精细化的必要手段。本文为加强南沙区我国南沙区国土资源自然资源与城市管理动态巡查工作，基于无人机低空遥感影像数据，、实景三维模型数据，结合卫星遥感影像、DLG数据及规划审批数据等多源数据进行融合、匹配及分析，建立起适宜南沙新区新形势下战略定位及自然条件资源的“两违”动态监测体系。

关键词：低空遥感；多元数据；融合；两违；动态监测

1. 
   

2. 背景介绍

国土资源自然资源管理工作是一项复杂的工作，需要先进工程技术的支持。城市管理作为国土资源自然资源管理工作中的重要一环，在实践中要求高效化和精细化的管理。利用先进科学技术实现各项信息数据共享的管理平台是进行我国国土资源自然资源与城市管理动态巡查工作的重要工具，能够实现接近实时的监控、定位、空间整合和管理等功能，是提高土地管理精细化的必要手段，对城市发展建设具有重要作用^[1]。

南沙，作为最年轻的国家级新区，承担着国家战略布局新的历史使命^[2]。为加强我国南沙区国土资源自然资源与城市管理动态巡查工作，本文提出一套适宜南沙新区新形势下战略定位及自然条件的“两违”动态监测体系构建方法。该监测体系基于无人机低空遥感影像数据和实景三维模型数据，并结合卫星遥感影像、DLG数据及规划审批数据等多源数据进行融合、匹配及分析，分析结果可为“两违”动态监测体系提供重要的参考依据。

2. 
   

3. 项目说明概述

该项目本项目由广州市南沙区国土资源和规划局委托，通过为1年3期南沙新区全域覆盖无人机低空航摄，完成了南沙全区3期无批文农用地、未利用地、违法建设等方面的动态监测。项目合同金额为345万元。项目主要完成工作分为四部分：第一部分，三期共完成1376平方公里的无人机外业航摄，并制作优于0.2米分辨率的正射影像图；第二部分，对南沙新区建成区及村庄进行无人机倾斜摄影测量，构建真三维模型，共完成约20平方公里的部分区域的三维模型建设；第三部分，利用前后影像进行比对分析，共提取疑似违法用地图斑3104个；第四部分，共完成9312幅疑似违法用地执法指引图、土规核查图及土地利用现状核查图的制作。图1展示了项目的监测范围。

图1项目监测范围

3. 
   

4. 项目特点

1. 
   

2. 项目技术特色基于低空遥感与多源数据融合的城市“两违”动态监测体系构建

3. 低空遥感与多源数据融合的联动更新机制构建

当前，在地理信息综合服务中，数据的现势性与内容丰富性至关重要^[3]。多源遥感数据的融合与动态更新是保证基础地理信息现势性的重要手段^[4]。本项目综合利用卫星遥感数据、卫星雷达影像数据、无人机低空遥感影像数据、南沙区各年度1：500地形图矢量数据、城市规划管理审批数据、土地利用数据、土地利用规划数据等海量数据，通过自编坐标转换软件实现多源海量数据的地理坐标系配准，将多源数据的空间基准协同、统一。采用定期巡查更新及事件驱动更新机制，实现低空遥感影像数据、数字线划地图(DLG)等数据的年度长效更新，依托网格划分机制，形成同一网格单元的低空遥感影像与其他数据的联动更新机制。

3. 
   

4. 动态监测地物分布违法用地特征

针对卫星遥感影像上不同地物的光谱-空间特征存在明显差异^[5]。本项目基于此，采用多时相分割方法将区域划分为植被覆盖面积广的一般区块、地物特征复杂的重点研究区块，制定不同飞行方案。在一般区域内，基于对象特征提取植被覆盖广的违法用地变化区域，实现平面二维变化检测；在重点研究区块，基于形态学建筑物指数，提取建成区的违法用地变化区域。将不同特征下的结果进行融合处理，实现基于地物分布特征的违法用地动态监测。

4. 
   

5. 基于无人机倾斜摄影三维模型违法建设敏感部件动态取证

针对违法建设的敏感部件具有隐蔽性强、查处难度大、证据留存不足等特点，常规摄影测量方法效果不佳^[6]。本项目通过无人机倾斜摄影建立村庄、建成区高精度三维模型，比对建筑体的几何尺寸和空间位置，可快速圈定城乡违法建设的敏感部件所在区域；通过多视角、高可辨度三维模型进行敏感部件的实时取证，实现城市违法建设的动态监测，为后期违法建设查处、治理提供长期有效、可视化的科学证据链。

4. 
   

5. 项目“两违”动态监测体系关键技术与难点

1. 
   

2. 建立少控制点低空无人机航摄作业新模式

城市区域空间跨度大、环境复杂，常规航摄需布设大量地面像控点，从而导致作业效率低，现场实施难度大，。该本项目基于广州市连续运行卫星定位城市测量综合服务系统GZCORS虚拟参考站技术，为低空无人机提供GPS、GLONASS北斗等多星实时差分数据或事后高精度定位数据处理，有效提高了无人机航摄的定位精度，极大减少了所需地面控制点数量，显著提高了作业效率。

2. 
   

3. 多源数据匹配融合及联动更新

1. 
   

2. 多时相三维倾斜影像数据匹配及融合

数据的配准及融合是遥感影像变化监测的关键环节之一^[7]就是。数据的配准及融合，不同时期倾斜摄影测量数据（DSM)配准及融合基于不同时期DSM点云配准完成，。本项目采用迭代最邻近点（ICP）算法实现。基于ICP算法，综合考量配准元素、特征度量、搜索策略及误差函数的选择，实现多时相三维倾斜影像的融合。

2. 
   

3. 多源数据联动更新

多极化网格化的数据更新机制能够满足对数据现势性和丰富性的要求，在基础测绘领域得到广泛应用^[8]。该项目本项目将整个区域进行多级网格划分，一层层细化网格，基于主要的线状地物（市政道路、河流水系等）作为网格划分界限，进行从整体到局部的多级网格数据管理策略定制，在多级网格思维下进行多源数据管理及数据日常更新和维护。

3. 
   

4. 基于地物分布特征的违法用地多时相影像变化监测

1．基于知识驱动的多元特征识别

低空遥感影像中存在因光谱可变性导致的变化与未变化地物难以区分^，[9]。同时，低空高分辨率遥感影像拥有相较传统中低分辨率遥感影像而言更复杂的数据特性，常规遥感分类算法处理低空高分辨率遥感影像的效果不佳，无法有效区分不同的地物类别^[10]。本项目通过地物光谱先验知识建立要素样本字典，可实现多元特征的功能划分，达到变化与未变化地物准确区分的目的。低空高分辨率遥感影像通常具有光谱信息少、分辨率高的特点，常规遥感分类效果不佳。该项目本项目针对这一问题，将大比例尺地形图、土地利用现状图等矢量专题图作为辅助数据，与低空遥感数据自带的光谱信息融合并进行分割，将分割后地块按照用地类型定义为城市典型要素样本。本项目例如，根据实际情况，针对耕、园、林、草、商等13种地类情况展开分析，分析类型不同的用地、在空间分布、纹理、色彩等方面的差异，排除虚假变化异常，便于后期多时相遥感影像的变化监测。整体思路如图2所示。

图2遥感影像解译处理

2．面向对象的低空高分辨率遥感影像自动分类处理

低空高分辨率遥感影像拥有相较传统中低分辨率遥感影像而言更复杂的数据特性，常规遥感分类算法处理低空高分辨率遥感影像的效果不佳，无法有效区分不同的地物类别^[10]。本项目针对这一问题，将大比例尺矢量专题图作为辅助数据，与低空遥感数据融合并进行分割，将分割后地块按照用地类型定义为城市典型要素样本，然后采用SVM监督分类支持向量机（SVM, support vector machine）对未能划分类别的其余图斑进一步分类处理，对区域性低空遥感影像采用面向对象迭代运算，通过分类结果修正，最终得到基于无人机影像的城市典型要素分类结果。

基于地物分布特征的多时相变化监测

本项目根据植被的物候特征以及非植被地物的形态学特征，在植被区块利用面向对象方法得到变化检测结果，在非植被区块利用形态学建筑物指数提取建筑物特征，以分离出感兴趣的类别。图3展示了整体流程。

图3基于地物分布特征的多时相变化监测示意图

本项目首先使用变化向量分析与K均值聚类算法提取变化信息，然后利用形态学滤波和聚合操作去除变化检测结果中的噪声，并计算变化图斑的最小外接矩形，最后以矢量形式输出最终成果。

4. 
   

5. 多视角、高可辨度三维模型违法建设敏感部件动态取证

本项目基于中海达iFly -D6电动多旋翼无人机，综合地类变更信息，在建筑结构体三维建模过程中，通过多机、多节点并行算法，进行影像数据处理，经空三加密及密集匹配后，获取点云数据，构建DSM模型和三维格网，创建白体三维模型，经纹理映射获得真三维模型，通过融合Lidar点云DSM模型，生成具有影像纹理的高分辨率航摄三维模型。

5. 
   

6. 基于知识库的“疑似违法用地执法指引一张图”制作方法

“知识库”概念已在多个地区的土地相关的监测和执法中得到了广泛应用，取得了显著的成效^{[11], [-12]}。本项目结合违法用地现象的共性问题，聚土地执法部门对于违法用地情况的认定条件，梳理遥感影像解译规则（如地面硬化、推填土、新增建筑物等特征，可暂判定为“疑似违法用地图斑”）。按单时相、多时相的分类，基于规则形成典型“疑似违法”要素知识库，经处理得到紧扣执法巡查需要的遥感解译结果。将“疑似违法用地图斑”与无人影像、城市大比例尺地形图叠加融合，自动化提取大比例尺图蕴含的地名地址信息用于“疑似违法用地图斑”的位置参考，为供土地执法人员提供直观、准确的“违法用地”行为线索和现场巡查快速指引使用。

5. 
   

6. 项目效益

1. 
   

2. 经济效益

本项目构建的“基于低空遥感与多源数据融合的城市两违动态监测体系” ，在南沙区各类型测量项目、规划编制及行政审批等领域得到广泛利用，涉及的各大项目累计约2550万元经济效益，极大地促进了城市基础测绘成果在“数字城市”各部门中的推广和应用，产生了显著的社会效益。

社会效益

多时序低空遥感高分辨率正射影像自动变化监测技术能够实时追踪并更新城市土地利用性质变化情况，对于土地利用管理部门掌握区域土地利用家底具有巨大辅助决策意义，能够用于违法用地监测。倾斜摄影三维建模技术以及低空遥感数字表面模型（DSM）高程对比技术，精准监测城市建筑微观视角的违建行为，全方位、无死角锁定监测目标，能够用于违法建设监测。

环境效益

低空遥感与多源数据融合的城市“两违”动态监测体系中涉及的影响、图斑以及各类报表均以电子文件为主，符合无纸化办公环保理念；系统化用地监测手段，提升了对农用地、未利用地等的保护；违法建设监测的提升，能够及时精准发现违法建设行为，做到在违法建设行为前期即可进行制止查处，可有效减少建筑施工及建筑查处拆除对于环境的污染；利用无人机技术手段，大幅提高全区土地监测频率，在违法建设前期或过程中即可发现并制止土地违法行为，有效减轻土地被破坏程度，防止不可逆损害的发生。

结语：

综上所述，基于低空遥感与多源数据融合的城市“两违”动态监测体系，能够对土地利用情况进行实时监测，帮助土地管理部门进行土地决策，通过各种技术的应用，很大程度提高了城市建筑违法建设监测的精准性和高效性。

，并且能够有效减少环境污染。

参考文献：

[1]徐福祥. 基于无人机及多源数据的黄海绿潮监测研究[D].中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所),2018.

[2]刘倩,梁志海,范慧芳. 浅谈无人机遥感的发展及其行业应用[J]. 测绘与空间地理信息,2016,39(06):167-169.

[3]李军英. 基于无人机遥感技术的土地利用现状调查[D].吉林大学,2017.

[4]程昊. 无人机遥感倾斜影像协同BIM的单体化方法研究[D].北京建筑大学,2018.

[1] 张谦;, “城市精细化综合管理平台规划研究,” 智能城市, no. 04 vo 7, pp. 40–41, 2021.

[2] 王文静;, “配套道路交通系统的改善实践——以广州市南沙区为例,” 居舍, no. 07, pp. 170-171+173, 2021.

[3] 王东华;刘建军;, “国家基础地理信息数据库动态更新总体技术,” 测绘学报, no. 07 vo 44, pp. 822–825, 2015.

[4] 王东华;刘建军;赵仁亮;商瑶玲;杜晓;杨眉;, “全国1:10000基础地理信息数据库整合升级总体设计,” 地理信息世界, no. 02 vo 21, pp. 1–5, 2014.

[5] 宫鹏;黎夏;徐冰;, “高分辨率影像解译理论与应用方法中的一些研究问题,” 遥感学报, no. 01, pp. 1–5, 2006.

[6] 程昊, “无人机遥感倾斜影像协同BIM的单体化方法研究,” 2018.

[7] 周启鸣;, “多时相遥感影像变化检测综述,” 地理信息世界, no. 02 vo 9, pp. 28–33, 2011.

[8] 黄鹏飞;, “汕头市基础地理信息实时动态更新体系建设,” 城市勘测, no. 02, pp. 66–68, 2017.

[9] 赵济, “面向高分辨率遥感影像分类的条件随机场模型研究,” 2017.

[10] 黄昕, “高分辨率遥感影像多尺度纹理、形状特征提取与面向对象分类研究,” 2009.

[11] 宋超;张树山;杨大志;杨军强;卢彦科;张艳红;, “基于‘互联网+’GIS大数据的土地卫片执法探究,” 地理空间信息, no. 03 vo 19, pp. 21-23+6, 2021.

[12] 王腾;, “自然资源卫片执法系统设计与实现,” 地理空间信息, no. 07 vo 17, pp. 75-77+10, 2019.