基于影像进行的违章建筑物自动监测方法及其实现系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于影像进行的违章建筑物自动监测方法及其实现系统，通过对影像的处理、不同时相的数字表面模型DSM配准、高程变化的检测、以及违章建筑的确认，解决了现有技术中基于光谱特征或纹理特征忽视建筑高程变化的问题，使得基于影像进行的违章建筑物自动监测方法以三维影像的方式进行监测，监测精度高，不受阴影、天气等环境因素影响不易发生误判。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机航拍影像及高分辨率卫星遥感影像判读
，尤其涉及一种基于影像进行的违章建筑物自动监测方法及其实现系统。
技术介绍
随着我国城市化、工业化和信息的进一步推进，建设用地开发利用的程度越来越大，违法占用土地、违规建筑的现象十分普遍，严重影响土地的合理有效利用及城市的可持续发展，给城市管理带来很大阻碍。实时、动态、准确掌握城镇建设用地，并利用现状及建筑物变更状况，快速发现违章建筑并及时制止违法建设行为，是加强城市规划和土地资源动态管理、确保土地利用总体规划和城市总体规划顺利实施的必要前提条件。无人机航拍监测以其灵活方便、操控简单的优势成为普查监测违章建筑的一种新手段。无人机具有设备廉价、易操控的特点，且其资质获取易、飞行高度低、法律风险低、一线人员接受程度高。与传统卫星遥感和航空遥感相比，无人机航拍具有短周期、高时效、高分辨率、低成本、低损耗、低风险、客观准确、及可重复等诸多优势，能够快速获取国土、资源、环境等空间要素，其应用领域也从早期的军事应用逐渐扩大到城市监测、大地测量、灾害监测、气象监测、资源调查等民用领域。利用无人机航摄遥感监测技术可以快速获取生动直观、现势性强的高清晰地表影像数据，通过后期加工处理和数据利用，可生成数字表面模型（DSM，Digital Surface Model）、数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）、数字正射影像图（DOM，Digital Orthophoto Map）、三维虚拟景观模型、三维地表模型等多种数据产品，为解决城市发展过程中面临的违章建筑监测与查巡难题提供了一种良好的工具和全新的技术手段，使城市违章建筑监测与查巡变得更加快速、低成本，让城市管理工作更加科学、高效、快捷。无人机影像相比卫星遥感影像数据，空间信息的内容更丰富，细节表现力更强，地物几何结构和纹理信息更加清晰多样，因此，无人机影像数据应用范围更广，成果的准确性更高。借助高分辨率无人机影像，从不同时间获取的无人机航拍影像中通过一定的算法自动检测并获取变化图斑，再结合外业核查变化图斑情况，能够有效实现国土部门违法违章建筑监测的智能化，快速、实时、动态监测违章建筑情况，有利于国土和城市规划建设部门迅速做出决策，及时遏制违法使用土地行为的发生，极大提高土地违法监察工作的效率，从而更好更快地为政府部门监测和查处违章建筑提供技术支撑和决策依据。同时，这种方式用时短、现势性强、成本低，还能够为土地执法部门提供实时客观的定量依据。目前已有许多学者提出了多种利用无人机航拍影像/卫星影像进行建筑物自动变化检测的方法，这些方法可以分为监督法和非监督法两大类。监督法是指根据地面真实数据来获取变化区域的训练样本，然后从卫星影像中自动分类出变化区域；非监督法是指直接对不同时相的卫星影像数据进行比对，找出相对于上一个时相变化了的区域。相对于监督法，非监督法不需要地面的真实信息，易于操作，因此被广泛采用。但是，不管是监督法还是非监督法，它们进行变化检测所采用的特征主要是地物光谱特征和影像纹理特征。自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射，吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线、微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称为地物的光谱特征。不同的地物类型有着不同的光谱特征，单同一区域的地物发生变换时，其对应的光谱特征也会产生变化。通过分析这些光谱特征的变化情况，就可以检测出哪些地方发生了变化，是否可能有违章建筑存在。基于光谱特征的变化检测一般包括地物光谱特征采集、光谱校正。绝大多数光谱影像的空间分辨率不高，因此基于光谱特征不能检测出较小的变化区域。且光谱特征易受外界的影响，如季节的变化、天气的变化、植被状况变化等等，容易产生“伪变化信息”。纹理特征是指图像灰度在空间上的重复性变化或图像中反复出现的局部模式及其排列规则。不同的地物，纹理特征也不一样。随着遥感影像空间分辨率的提高，影像中包含的纹理信息也更加丰富。通过对比纹理的变化，即可分析出影像中的变化区域，从而找出疑似违章建筑物。基于纹理特征的变化检测需要经过纹理特征提取、傅里叶变换、主成分分析、阀值分割等一系列步骤，过程十分繁琐。且纹理特征易受阴影、光照等外界环境的干扰，造成“伪变化信息”。不管是光谱特征还是纹理特征，均是直接从二维平面影像中提取出来的二维空间特征。因此，现有技术中传统的基于光谱特征或纹理特征的遥感影像违章建筑监测方法都忽视了违章建筑在高程上的变化。目前基于无人机航拍影像或卫星遥感影像的违章建筑自动监测方法均不能取得较为理想的结果。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于影像进行的违章建筑物自动监测方法及其实现系统，以解决现有技术中基于光谱特征或纹理特征忽视建筑高程变化的问题，使得基于影像进行的违章建筑物自动监测方法以三维影像的方式进行监测，监测精度高，不受阴影、天气等环境因素影响不易发生误判。于是，本专利技术提供了一种基于影像进行的违章建筑物自动监测方法，包括：根据影像生成数字表面模型DSM和数字正摄影像图DOM，并剔除数字表面模型DSM和数字正摄影像图DOM中的植被区域，保留建筑区域；将数字正摄影像图DOM映射到相同时相下的数字表面模型DSM上，形成带纹理的数字表面模型DSM，并构建分页细节层次模型以实现动态调度；将不同时相下数字表面模型DSM的分辨率尺度进行统一；对不同时相的所述带纹理的数字表面模型DSM进行粗配准，之后再对其进行像素级精配准，得到精配准的带纹理的数字表面模型DSM；将所述精配准的带纹理的数字表面模型DSM坐标归一到同一参考系下，并对不同时相下的两幅数字表面模型DSM的高程值进行逐像素对比，计算不同时相相同位置上的高程差值，其中，表示第一时相DSM的第i个像素上的高程值，表示配准后第二时相DSM的第i个像素上的高程值，i表示像素序列编号。当高程差值的绝对值大于预置的阈值时，则认为该点在高程上前后两个时相间具有显著的变化；当高程差值的绝对值小于预置的阈值时，则认为该点在高程上前后两个时相间具有无变化，阀值和可以进行调整，是可变量，当时，则认为该点的高程变化不显著；逐像素点的高程值比对完成后，在第二时相的数字表面模型DSM上标注出高程有显著变化的点以及有变化但不显著的点，再对这两类变化区域进行聚类，聚类完成后，计算每个聚类区域的面积，当大于预置的阀值时，则将该区域标记为疑似违章建筑区域，其中阀值可以进行调整，是可变量；将所述标记的疑似违章建筑区域叠加到第二时相的数字正摄影像图DOM中进行显示，通过人工识图进行快速确认疑似建筑物是否为违章建筑，对于确认为违章建筑的区域进行图斑标注。其中，所述构建分页细节层次模型以实现动态调度，包括：多分辨率纹理映射，对大数据量的纹理影像基于四叉树进行分块管理，每个分块节点采用相同尺寸的纹理图像进行表达，不同细节层次的节点采用不同的分辨率的纹理图像；进行地形的分页层次模型构建，以细节层次获得高效率的渲染计算，以分页层次缓解渲染和内存的压力，构建地形的多分辨率金字塔模型；对大规模数据的实时动态调度，包括：对过期场景数据的删除；对新数据加载请求的获取，请求加载的数据分为两种，一种为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于影像进行的违章建筑物自动监测方法，其特征在于，包括：根据影像生成数字表面模型DSM和数字正摄影像图DOM，并剔除数字表面模型DSM和数字正摄影像图DOM中的植被区域，保留建筑区域；将数字正摄影像图DOM映射到相同时相下的数字表面模型DSM上，形成带纹理的数字表面模型DSM，并构建分页细节层次模型以实现动态调度；将不同时相下数字表面模型DSM的分辨率尺度进行统一；对不同时相的所述带纹理的数字表面模型DSM进行粗配准，之后再对其进行像素级精配准，得到精配准的带纹理的数字表面模型DSM；将所述精配准的带纹理的数字表面模型DSM坐标归一到同一参考系下，并对不同时相下的两幅数字表面模型DSM的高程值进行逐像素对比，计算不同时相相同位置上的高程差值，其中，表示第一个时相DSM的第i个像素的高程值，表示配准后的第二个时相DSM的第i个像素的高程值，i表示像素序列号，当高程差值的绝对值大于预置的阈值时，则认为该点在高程上前后两个时相间具有显著的变化；当高程差值的绝对值小于预置的阈值时，则认为该点在高程上前后两个时相间具有无变化，阀值和可以进行调整，是可变量，当时，则认为该点的高程变化不显著；逐像素点的高程值比对完成后，在第二时相的数字表面模型DSM上标注出高程有显著变化的点以及有变化但不显著的点，再对这两类变化区域进行聚类，聚类完成后，计算每个聚类区域的面积，当大于预置的阀值时，则将该区域标记为疑似违章建筑区域，其中阀值可以进行调整，是可变量；将所述标记的疑似违章建筑区域叠加到第二时相的数字正摄影像图DOM中进行显示，通过人工识图进行快速确认疑似建筑物是否为违章建筑，对于确认为违章建筑的区域进行图斑标注。...

【技术特征摘要】
1.一种基于影像进行的违章建筑物自动监测方法，其特征在于，包括：根据影像生成数字表面模型DSM和数字正摄影像图DOM，并剔除数字表面模型DSM和数字正摄影像图DOM中的植被区域，保留建筑区域；将数字正摄影像图DOM映射到相同时相下的数字表面模型DSM上，形成带纹理的数字表面模型DSM，并构建分页细节层次模型以实现动态调度；将不同时相下数字表面模型DSM的分辨率尺度进行统一；对不同时相的所述带纹理的数字表面模型DSM进行粗配准，之后再对其进行像素级精配准，得到精配准的带纹理的数字表面模型DSM；将所述精配准的带纹理的数字表面模型DSM坐标归一到同一参考系下，并对不同时相下的两幅数字表面模型DSM的高程值进行逐像素对比，计算不同时相相同位置上的高程差值，其中，表示第一个时相DSM的第i个像素的高程值，表示配准后的第二个时相DSM的第i个像素的高程值，i表示像素序列号，当高程差值的绝对值大于预置的阈值时，则认为该点在高程上前后两个时相间具有显著的变化；当高程差值的绝对值小于预置的阈值时，则认为该点在高程上前后两个时相间具有无变化，阀值和可以进行调整，是可变量，当时，则认为该点的高程变化不显著；逐像素点的高程值比对完成后，在第二时相的数字表面模型DSM上标注出高程有显著变化的点以及有变化但不显著的点，再对这两类变化区域进行聚类，聚类完成后，计算每个聚类区域的面积，当大于预置的阀值时，则将该区域标记为疑似违章建筑区域，其中阀值可以进行调整，是可变量；将所述标记的疑似违章建筑区域叠加到第二时相的数字正摄影像图DOM中进行显示，通过人工识图进行快速确认疑似建筑物是否为违章建筑，对于确认为违章建筑的区域进行图斑标注。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建分页细节层次模型以实现动态调度，包括：多分辨率纹理映射，对大数据量的纹理影像基于四叉树进行分块管理，每个分块节点采用相同尺寸的纹理图像进行表达，不同细节层次的节点采用不同的分辨率的纹理图像；进行地形的分页层次模型构建，以细节层次获得高效率的渲染计算，以分页层次缓解渲染和内存的压力，构建地形的多分辨率金字塔模型；对大规模数据的实时动态调度，包括：对过期场景数据的删除；对新数据加载请求的获取，请求加载的数据分为两种，一种为已更新的数据，一种为在数据场景中曾使用过的场景数据；对加载的新数据进行编译，以提高显示或者机载效率；合并新加载的数据至场景树中，此时通过创建一个数据列表，将加载的数据进行预读取并存储，然后通过循环仿真获取数据列表中数据并将新的数据节点予以合并。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将不同时相下数字表面模型DSM的分辨率尺度进行统一，包括：以不同时相下数字表面模型DSM中最大分辨率尺度为统一尺度，将小于该分辨率尺度的数字表面模型DSM进行降采样，以便使分辨率尺度进行统一。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述降采样包括最近邻法、重采样算法和三次卷积法。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对不同时相的所述带纹理的数字表面模型DSM进行粗配准（只平移不做旋转），包括：手工点选获取不少于4组同名点进行配准，以前一个时相的数字表面模型DSM为参考，对第二个时相的数字表面模型DSM进行平移，为了准确地选取同名点，分别将两个时相的数字正摄影像图DOM映射到对应的数字正摄影像图DSM上，从而得到生成带RGB信息的数字表面模型DSM，先在前一个时相的数字表面模型DSM上手工选取一个特征角点，再在后一个时相的数字表面模型DSM上手工选取出对应的同名点，一个点对选取完成后，再选取下一个点对，选取完多个点对后，可以按照公式（2）计算出后一个时相数字表面模型DSM相对于前一个时相数字表面模型DSM的平移量： （2）然后对第二个时相数字表面模型DSM所有的坐标进行平移，得到与第一个时相数字表面模型DSM配准后的第二个时相数字表面模型DSM： （3）其中，n代表同名点对数，代表北方向坐标修正量，表示东方向坐标修正量，表示高程修正量，分别表示第二个时相DSM的第i个像素经过修正后的北、东、高程坐标。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对不同时相的所述带纹理的数字表面模型DSM进行粗配准（既做平移也做旋转），包括：手工点选获取不少于4组同名点进行配准，以前一个时相的数字表面模型DSM为参考，对第二个时相的数字表面模型DSM进行平移和旋转，分别将两个时相的数字正摄影像图DOM映射到对应的数字表面模型DSM上，得到生成带RGB信息的数字表面模型DSM，先在前一个时相的数字表面模型DSM上手工选取一个特征角点，再在后一个时相的数字表面模型DSM上手工选取出对应的同名点，一个点对选取完成后，再选取下一个点对，选取至少三个点对后，可以按照公式（3）、（4）计算出后一个时相数字表面模型DSM相对于前一个时相数字...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，秦容军，高峰，熊伟成，李学万，
申请(专利权)人：深圳市智绘科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44