CN101614807B

CN101614807B - 基于数字图像技术的建筑容积率确定方法

Info

Publication number: CN101614807B
Application number: CN2009100333210A
Authority: CN
Inventors: 王庆; 王慧青; 沙月进; 张寅�; 方鹏程; 于冠男
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: CN101614807A

Abstract

一种基于数字图像技术的建筑容积率确定方法，以掌上电脑与数码相机为主，GPS和全站仪为辅，实现外业信息的全数字化采集和记录。外业测量时，掌上电脑通过蓝牙通讯实时接收GPS或全站仪定位结果，结合掌上电脑中已有底图，生成外业调查图层；用数码相机对建筑物进行拍照获得丰富的建筑物信息；内业数据处理***可以完成单张像片和立体像对解算建筑物角点的三维坐标，总建筑面积计算，统计区域宗地面积计算，容积率计算。

Description

基于数字图像技术的建筑容积率确定方法

技术领域

本发明涉及城市建筑容积率的信息调查，特别是一种基于数字图像技术的建筑容积率确定方法，属于土地管理电子信息化技术领域。

背景技术

随着我国城市化的快速推进，城市建筑容积率作为衡量城市土地利用集约化程度及城市现代化水平的一个重要标志，准确地获取城市建筑容积率以及城市各类用地建筑面积可以为城市规划以及房地产管理提供重要的基础空间信息。建筑容积率是指一定地块内总建筑面积与建筑占地面积(即宗地面积)的比值。通常，利用大比例尺地形图直接量算，但周期长，成本高，城市建设中要掌握具有现势性的城区建筑容积率主要通过遥感调查来估算。目前，国内利用遥感方法进行建筑容积率调查方法主要有直接法、投影法、阴影法和高差法。(1)直接调查法：通过人工实地调查，或借助大比例尺航片等方法对每个建筑物的楼层计数，然后通过实地测量、航片解译或地图量算获得建筑底面积以及建筑占地面积，从而计算出建筑容积率。(2)高差法和投影法：利用建筑物高度等于建筑物顶部与底部的高差这一规律来计算建筑物容积率，以高度推算建筑物的层数，再估算建筑物容积率。(3)阴影长度法：阴影长度法是根据遥感影像的成像原理，利用建筑物的落影长度，以及成像时的太阳高度角来计算建筑物高度，以高度推算建筑物的层数，再估算建筑物容积率。从阴影长度法衍生出阴影宽度法和阴影面积法等方法，其测算结果则主要与影像数据源、所建立的数学模型以及建筑物的区位、方位、形状和分布等特征有关。通过分析发现各种遥感影像解译法测算容积率的平均误差一般在10％上下，特别是对于结构复杂的建筑物，难以准确判定建筑物层数以及不同层的建筑面积，而无法精确量测复杂建筑物的容积率(复杂建筑物即同一建筑物存在平面形状不同的楼层)。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于数字成像技术的建筑容积率确定方法，其技术内容是：

一种基于数字图像技术的建筑容积率确定方法，其特征是设有：

(1)用于全球卫星定位的GNSS网络；

(2)外业数据采集***：包括操作***为Windows Mobile 5.0及以上版本且安装有外业数据采集软件的掌上电脑、数码相机、GPS RTK设备、全站仪设备以及蓝牙模块；

(3)内业数据处理***：设有内业数据处理软硬件，包括SQL SERVER、.Net Framework2.0、Supermap Objects2008、且安装有内业数据处理***的计算机；

上述内业数据处理***通过访问地图数据库获取地图数据，由数据线传输至外业数据采集***的掌上电脑。在调查现场，首先采用高精度双频GPS接收机进行坐标联测，进行坐标转换获得测区坐标转换参数，若转换参数已知，在PDA外业软件中直接输入；由外业软件利用坐标转换算法实时进行空间地理坐标投影转换，把所接收的GPS经纬度坐标转换为矢量底图的平面坐标，并且将GPS点及其信息实时显示在外业软件的人机交互界面上。然后进行外业测量：布设GPS首级控制点、在首级控制点上安置全站仪获取建筑物角点，GPS控制点及建筑物角点均可作为像片控制点。运行在掌上电脑上的外业软件即可通过蓝牙通讯实时接收GPS RTK或全站仪定位结果，也可以结合已有底图进行屏幕取点，根据现场测量、底图信息可以构建控制点图层、宗地图层、建筑物底层图层。最后用数码相机对建筑物进行拍照。外业工作结束后，通过数据线将照片与外业采集数据上传至内业数据处理***，基于控制点图层，利用单张相片解算相片信息，然后通过立体相对解算可以得到复杂建筑物除底层外的不同平面位置楼层的建筑物角点的三维坐标。计算建筑物的总建筑面积，选择统计区域，对统计区域进行宗地面积统计，生成报表，容积率计算，将成果一并存储至数据库中。

本发明方法的具体步骤是：

(1)底图导入：内业数据处理***通过访问地图数据库，下载地图数据，制作外业调查底图，将该数据通过数据线导入外业数据采集***的掌上电脑中。

(2)坐标联测或参数输入：采用高精度双频GPS接收机进行坐标联测，进行坐标转换获得测区坐标转换参数，将坐标转换参数输入掌上电脑外业软件中；由外业软件利用坐标转换算法实时进行空间地理坐标投影转换，把所接收的GPS经纬度坐标转换为矢量底图的平面坐标，并且将GPS点及其信息实时显示在外业软件的人机交互界面上。

(3)像片控制点布设：在现场的视野开阔位置布设GPS首级控制点，基于首级控制点选择建筑物角点作为像片控制点。像片控制点应保证在任意方向上能观测到6个以上，同时在三维空间均有一定的延伸。在像片控制点不足6个的情况下，在附近的首级控制点上安置标牌，使像片控制点至少为6个。

(4)采集控制点信息生成像片控制点图层：在首级控制点上，用GPS RTK接收机进行观测，获得首级控制点的空间三维坐标；在首级控制点上安置全站仪，获得建筑物角点的三维坐标。GPS和全站仪测得的点共同构成像片控制点图层。

(5)采集界址点信息生成宗地图层：若底图资料为地形图，在控制点图层基础上，利用GPS或全站仪获得宗地界址点的三维坐标，实时传输至掌上电脑上的外业软件，构建宗地图斑，生成宗地图层。若底图资料为地籍图，参照步骤(6)，在掌上电脑上直接点选底图上的宗地界址点，构建宗地图层。

(6)采集建筑物信息生成建筑物底层图层：通过现场调查，以掌上电脑上底图为基础，直接点选底图上建筑物底层地物点，构建建筑物图斑、录入建筑物属性，生成建筑物底层图层。建筑物属性设计有建筑物ID、楼层结构。每栋建筑物ID是唯一的，同一建筑物不同平面形状的楼层通过该ID进行关联。楼层结构表示建筑物不同平面形状的楼层数，且只有底层图斑存在楼层结构属性值，底层图斑的层数即为楼层结构属性值中的第一个数字。

(7)数码相机实地拍照：采用数码相机从能反映建筑物复杂度的方向拍摄建筑物的立体像对，组成立体像对的摄影角度应大于45°并小于135°。建筑物应处于像片的中间位置，并通过调焦摄影使比例尺尽可能最大。

(8)运行在掌上电脑上的外业软件将所有的空间和属性信息保存为shapefile格式文件，直至外业数据采集工作结束。

(9)外业数据导入内业数据处理***：将外业采集生成的像片控制点图层、建筑物底层图层、宗地图层及数码相机拍照的数码相片通过数据线导入内业数据处理***中。若为简单建筑物，则转至步骤(12)，若为复杂建筑物，则执行步骤(10)。

(10)单张像片解算相片信息：基于像片控制点图层，利用像片控制点的在像片上的二维平面坐标以及外业全站仪采集的三维空间坐标，利用摄影测量理论，计算数码像片的内方位元素、像片的外方位元素和畸变系数。其中，外方位元素包括摄影位置参数X_S、Y_S、Z_S和摄影姿态参数ω、κ，内方位元素包括影物镜焦距f和像片像主点的图像坐标x₀、y₀，像片像主点为物镜中心在像片上的垂足点。物镜畸变系数为k₁。

(11)立体像对解算平面坐标信息：根据复杂建筑物不同楼层平面位置不同的特点，在立体像对上获取表达除底层外的不同面积楼层平面位置的建筑物角点的像片坐标，利用立体像对的前方交会原理，计算这些角点的空间三维坐标，并与外业生成的建筑物底层图层共同组成了完整的建筑物图层。

(12)建筑物总面积计算：遍历所有建筑物图层的图斑，计算建筑物的建筑总面积。

(13)容积率计算：选择容积率计算区域，该区域可以是一处宗地或若干处宗地，对该区域进行面积统计与计算，生成统计报表，计算容积率。

本发明的优点及显著效果：

(1)创新性的设计了容积率外业调查的新方法，以掌上电脑与数码相机为主，GPS与全站仪为辅，实现外业信息的全数字化采集和记录，外业工作量小，计算精度高。掌上电脑可存储大量的电子地图及各种电子文档资料，接收并自动解析GPS与全站仪的定位信息，并将GPS经纬度坐标转换实时自动转换为矢量底图的平面坐标，并且将GPS点、全站仪点及其信息实时显示在外业软件的人机交互界面上；数码相机拍摄的建筑物数码照片可以提供丰富的建筑物信息，利用单张像片和立体像对解算可得到建筑物角点的三维坐标。

(2)创新性的设计了复杂建筑物的数据组织结构，包括建筑物ID以及楼层结构。每栋建筑物ID是唯一的，同一建筑物不同平面形状的楼层通过该ID进行关联。楼层结构表示不同平面形状的楼层数，例2-3，表示这栋建筑物存在两种平面形状，分别是2层和3层。在内业数据处理软件中，通过ID可查询出属于同一建筑物的图斑，代表不同平面形状的图斑的建筑面积乘其层数再相加，即可得到该建筑物的总建筑面积。

(3)创新性的设计了内业数据处理***，结合掌上电脑上的底图信息，GPSRTK、全站仪采集得到像片控制点图层、建筑物底层图层、宗地图层等，在内业***中与数码相片进行综合处理，得到复杂建筑物的空间位置分布，进而进行面积计算、容积率计算，计算结果存入数据库中，数据管理方便、高效。

本发明可应用于以下的领域或行业：

(1)规划部门用于容积率测量；

(2)房产部门用于容积率测量；

(3)国土部门用于容积率测量。

附图说明

图1是本发明方法的***连接示意图；

图2是本发明的数据流图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1，基于数字图像技术的建筑容积率调查方法设有

(1)用于全球卫星定位的GNSS网络；

(2)外业数据采集***：操作***为Windows Mobile 5.0及以上版本且安装有外业数据采集软件的掌上电脑一个、数码相机一台、GPS RTK设备一套、全站仪设备一套、蓝牙模块一个；

(3)内业数据处理***

内业数据处理软硬件组成：SQL SERVER、.Net Framework 2.0、Supermap Objects2008、且安装有内业数据处理***的计算机一台；

上述内业数据处理***通过访问地图数据库获取地图数据，传输至外业数据采集***的掌上电脑；采用GPS接收机进行坐标联测，坐标转换后获得测区坐标转换参数，将坐标转换参数输入掌上电脑外业软件中，由外业软件进行空间地理坐标投影转换；把所接收的GPS经纬度坐标转换为矢量底图的平面坐标，并且将GPS点及其信息实时显示在外业软件的人机交互界面上；进行外业测量时，布设GPS首级控制点，在首级控制点上设置全站仪获取建筑物角点，将GPS控制点及建筑物角点作为像片控制点；运行在掌上电脑上的外业软件，通过蓝牙通讯实时接收GPS或全站仪定位结果，结合已有底图进行屏幕取点，根据现场测量和底图信息构建像片控制点图层、宗地图层以及建筑物底层图层；用数码相机对建筑物进行拍照；外业工作结束后，将照片与外业采集数据上传至内业数据处理***；基于像片控制点图层，利用单张像片解算像片信息，然后通过立体相对解算得到复杂建筑物除底层外的不同平面位置楼层的建筑物角点的三维坐标；计算建筑物的总建筑面积，对统计区域进行宗地面积统计与计算，得到容积率。

如图2，本发明方法具体包括以下步骤：

(1)用内业数据处理***制作工作地图和数据导入：内业数据处理***通过访问地图数据库，下载地图数据，制作外业调查底图，将该数据通过数据线导入外业数据采集***的掌上电脑中，运行在掌上电脑上的外业数据采集软件可对该数据进行读取、显示、控制和切换。

(4)采集控制点信息生成像片控制点图层：在首级控制点上，用GPSRTK接收机进行观测，获得首级控制点的空间三维坐标；在首级控制点上安置免棱镜全站仪，获得建筑物角点的三维坐标。GPS和全站仪测得的点共同构成像片控制点图层。

(6)采集建筑物信息生成建筑物图层：通过现场调查，以掌上电脑上底图为基础，直接点选底图上建筑物底层地物点，构建建筑物图斑、录入建筑物属性，生成建筑物底层图层。建筑物属性设计有建筑物ID、楼层结构。每栋建筑物ID是唯一的，同一建筑物不同平面形状的楼层通过该ID进行关联。楼层结构表示建筑物不同平面形状的楼层数，例2-3，表示这栋建筑物存在两种平面形状，分别是2层和3层。且只有底层图斑存在楼层结构属性值，底层图斑的层数即为楼层结构属性值中的第一个数字。

(9)外业数据导入内业数据处理***：将外业采集生成的像片控制点图层、建筑物底层图层、宗地图层及数码相机拍照的数码相片通过数据线导入内业数据处理***中。若为简单建筑物，则转至步骤(11)，若为复杂建筑物，则执行步骤(10)。

(12)单张像片解算相片信息：基于像片控制点图层，利用像片控制点的在像片上的二维平面坐标以及外业全站仪采集的三维空间坐标，利用摄影测量理论，计算数码像片的内方位元素、像片的外方位元素和畸变系数。其中，外方位元素包括摄影位置参数X_S、Y_S、Z_S和摄影姿态参数

ω、κ，内方位元素包括影物镜焦距f和像片像主点的图像坐标x₀、y₀，像片像主点为物镜中心在像片上的垂足点。物镜畸变系数为k₁。

(11)立体像对解算平面坐标信息：根据复杂建筑物不同楼层平面位置不同的特点，在立体像对上获取表达除底层外的不同面积楼层平面位置的建筑物角点的像片坐标，利用立体像对的前方交会原理，计算这些角点的空间三维坐标，取这些角点的x、y坐标构建与基底形状不一致楼层的建筑物图斑，并录入建筑物ID、楼层数属性，其中建筑物ID可直接复制底层图斑建筑物ID，楼层数可读取底层图斑的楼层结构获得，新构建的图斑与外业生成的建筑物底层图层共同组成了完整的建筑物图层。

计算方法是：每一个目标点在左右两张像片中的同名点的像平面坐标表示为(x₁y₁)，(x₂y₂)，利用共线方程得到严密前方交会公式：

\{\begin{matrix} V_{x_{1}} = \frac{&PartialD; x_{1}}{&PartialD; X_{D}} d X_{D} + \frac{&PartialD; x_{1}}{&PartialD; Y_{D}} d Y_{D} + \frac{&PartialD; x_{1}}{&PartialD; Z_{D}} d Z_{D} - l_{x_{1}} \\ V_{y_{1}} = \frac{&PartialD; y_{1}}{&PartialD; X_{D}} d X_{D} + \frac{&PartialD; y_{1}}{&PartialD; Y_{D}} d Y_{D} + \frac{&PartialD; y_{1}}{&PartialD; Z_{D}} d Z_{D} - l_{y_{1}} \\ V_{x_{2}} = \frac{&PartialD; x_{2}}{&PartialD; X_{D}} d X_{D} + \frac{&PartialD; x_{2}}{&PartialD; Y_{D}} d Y_{D} + \frac{&PartialD; x_{2}}{&PartialD; Z_{D}} d Z_{D} - l_{x_{2}} \\ V_{y_{2}} = \frac{&PartialD; y_{2}}{&PartialD; X_{D}} d X_{D} + \frac{&PartialD; y_{2}}{&PartialD; Y_{D}} d Y_{D} + \frac{&PartialD; y_{2}}{&PartialD; Z_{D}} d Z_{D} - l_{y_{2}} \end{matrix}

式中：X_D、Y_D、Z_D是目标点的空间坐标，为未知数；

是像点坐标改正数；

是方程组常数项；

利用最小二乘法原理计算目标点的三维坐标。考虑到建筑物的角点之间常常具有固有的几何关系，将这些空间几何条件作为条件值，以带有条件的间接平差为理论基础，实现多点前方交会严密算法。根据空间固定条件的不同，以下表中的六种情况加以计算，以提高计算的精度。

(12)建筑物总面积计算：对于简单建筑物，建筑物的总建筑面积等于建筑物的底层面积与层数的乘积；对于复杂建筑物，先执行SQL查询操作，获得该条记录的建筑物ID，然后遍历图斑找出其建筑物ID一致的所有图斑，建筑物的总建筑面积等于构成该建筑物的各图斑面积乘以其层数之和，计算结果赋给底层图斑。

(13)容积率计算：选择容积率计算区域，该区域可以是一处宗地或若干处宗地，对选定区域进行宗地统计与面积计算，建筑物统计，生成统计报表，根据统计结果，进行容积率计算，将生成的统计报表与容积率计算结果存储至数据库中，用于历史回溯与查询。

Claims

1.一种基于数字图像技术的建筑容积率确定方法，其特征是设有：

(1)用于全球卫星定位的GNSS网络；

(2)外业数据采集***：包括操作***为Windows Mobile 5.0及以上版本且安装有外业数据采集软件的掌上电脑、数码相机、GPS设备、全站仪设备以及蓝牙模块；

上述内业数据处理***通过访问地图数据库获取地图数据，传输至外业数据采集***的掌上电脑；采用GPS接收机进行坐标联测，坐标转换后获得测区坐标转换参数，将坐标转换参数输入掌上电脑外业数据采集软件中，由外业数据采集软件进行空间地理坐标投影转换；把所接收的GPS经纬度坐标转换为矢量底图的平面坐标，并且将GPS点及其信息实时显示在外业数据采集软件的人机交互界面上；进行外业测量时，布设GPS首级控制点，在首级控制点上设置全站仪获取建筑物角点，将GPS控制点及建筑物角点作为像片控制点；运行在掌上电脑上的外业数据采集软件，通过蓝牙通讯实时接收GPS或全站仪定位结果，结合已有底图进行屏幕取点，根据现场测量和底图信息构建像片控制点图层、宗地图层以及建筑物底层图层；用数码相机对建筑物进行拍照；外业工作结束后，将照片与外业采集数据上传至内业数据处理***；基于像片控制点图层，利用单张像片解算像片信息，然后通过立体相对解算得到复杂建筑物除底层外的不同平面位置楼层的建筑物角点的三维坐标；计算建筑物的总建筑面积，对统计区域进行宗地面积统计与计算，得到容积率。

2.根据权利要求1所述基于数字图像技术的建筑容积率确定方法，其特征是按以下步骤：

(1)底图导入：内业数据处理***通过访问地图数据库，下载地图数据，制作外业调查底图，将该数据通过数据线导入外业数据采集***的掌上电脑中；

(2)坐标联测或参数输入：采用高精度双频GPS接收机进行坐标联测，进行坐标转换获得测区坐标转换参数，将转换参数输入掌上电脑的外业数据采集软件中；由外业数据采集软件利用坐标转换算法实时进行空间地理坐标投影转换，把所接收的GPS经纬度坐标转换为矢量底图的平面坐标，并且将GPS点及其信息实时显示在外业数据采集软件的人机交互界面上；

(3)像片控制点布设：在现场的视野开阔位置布设GPS首级控制点，基于首级控制点选择建筑物角点作为像片控制点，像片控制点应保证在任意方向上能观测到6个以上，同时在三维空间均有一定的延伸；在像片控制点不足6个的情况下，在附近的首级控制点上安置标牌，使像片控制点至少为6个；

(4)采集控制点信息生成控制点图层：在首级控制点上，用GPS RTK接收机进行观测，获得首级控制点的空间三维坐标；在首级控制点上安置全站仪，获得建筑物角点的三维坐标，GPS和全站仪测得的点共同构成像片控制点图层；

(5)采集界址点信息生成宗地图层：若底图资料为地形图，在控制点图层基础上，利用GPS或全站仪获得宗地界址点的三维坐标，实时传输至掌上电脑上的外业数据采集软件，构建宗地图斑，生成宗地图层；若底图资料为地籍图，参照步骤(6)，在掌上电脑上直接点选底图上的宗地界址点，构建宗地图层；

(6)采集建筑物信息生成建筑物底层图层：通过现场调查，以掌上电脑上底图为基础，直接点选底图上建筑物底层地物点，构建建筑物图斑、录入建筑物属性，生成建筑物底层图层；建筑物属性设计有建筑物ID、楼层结构；每栋建筑物ID是唯一的，同一建筑物不同平面形状的楼层通过该ID进行关联，楼层结构表示建筑物不同平面形状的楼层数，只有底层图斑存在楼层结构属性值，底层图斑的层数即为楼层结构属性值中的第一个数字；

(7)数码相机实地拍照：采用数码相机从能反映建筑物复杂度的方向拍摄建筑物的立体像对，组成立体像对的摄影角度应大于45°并小于135°，建筑物应处于像片的中间位置，并通过调焦摄影使比例尺尽可能最大；

(8)运行在掌上电脑上的外业数据采集软件将所有的空间和属性信息保存为shapefile格式文件，直至外业数据采集工作结束；

(9)外业数据导入内业数据处理***：将外业采集生成的像片控制点图层、建筑物底层图层、宗地图层及数码相机拍照的数码像片通过数据线导入内业数据处理***中；若为简单建筑物，则转至步骤(12)，若为复杂建筑物，则执行步骤(10)；

(10)单张像片解算像片信息：基于像片控制点图层，利用像片控制点的在像片上的二维平面坐标以及外业全站仪采集的三维空间坐标，利用摄影测量理论，计算数码像片的内方位元素、像片的外方位元素和畸变系数；其中，外方位元素包括摄影位置参数X_S、Y_S、Z_S和摄影姿态参数ω、κ，内方位元素包括影物镜焦距f和像片像主点的图像坐标x₀、y₀，像片像主点为物镜中心在像片上的垂足点，物镜畸变系数为k₁；

(11)立体像对解算平面坐标信息：根据复杂建筑物不同楼层平面位置不同的特点，在立体像对上获取表达除底层外的不同面积楼层平面位置的建筑物角点的像片坐标，利用立体像对的前方交会原理，计算这些角点的空间三维坐标，并与外业生成的建筑物底层图层共同组成了完整的建筑物图层；

(12)建筑物总面积计算：遍历所有建筑物图层的图斑，计算建筑物的建筑总面积；