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摘 要： 摘要:針對(duì)城市管理中違章建筑的監(jiān)測管理難題，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了基于GIS與遙感影像的違建智能分析系統(tǒng)。通過不同時(shí)期城市定點(diǎn)區(qū)域遙感數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，同時(shí)結(jié)合GIS的城市地理空間分析計(jì)算與綜合處理能力，實(shí)現(xiàn)了違章建筑的持續(xù)變化監(jiān)測和查詢，可為城市管理部門
摘要:針對(duì)城市管理中違章建筑的監(jiān)測管理難題，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了基于GIS與遙感影像的違建智能分析系統(tǒng)。通過不同時(shí)期城市定點(diǎn)區(qū)域遙感數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，同時(shí)結(jié)合GIS的城市地理空間分析計(jì)算與綜合處理能力，實(shí)現(xiàn)了違章建筑的持續(xù)變化監(jiān)測和查詢，可為城市管理部門提供決策支撐。
關(guān)鍵詞:城市管理;違章監(jiān)測;GIS分析
0引言
隨著國家城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市作為政治、經(jīng)濟(jì)和文化的中心，在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用[1]。在城市規(guī)模不斷擴(kuò)張的過程中，土地管理漏洞逐漸凸顯，各式各樣的違法、違章設(shè)施層出不窮，違法搶建、違法插建的行為屢禁不止。違章建筑最大的特征是它的存在或始建過程的違法、違規(guī)和違章，界定標(biāo)準(zhǔn)主要包括3個(gè)方面的內(nèi)容:規(guī)模、時(shí)間以及地域上的范圍界定[2]。違章建筑侵占公共資源，損害了公民利益，制約著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，是阻礙城市發(fā)展的桎梏。常規(guī)手段主要依靠市民舉報(bào)和人工巡查發(fā)現(xiàn)，確認(rèn)過程還要與城市規(guī)劃部門進(jìn)行溝通，往來的信息發(fā)聵機(jī)制致使拆違工作暴露種種問題，嚴(yán)重影響違章建筑的發(fā)現(xiàn)與處置效率，能夠及早發(fā)現(xiàn)違規(guī)、違法建筑，并對(duì)其開展有效的拆除監(jiān)控對(duì)城市管理部門具有重要意義。近年來，GIS與遙感技術(shù)獲得了快速的發(fā)展并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，以GIS工具為基礎(chǔ)，高分遙感影像作為系統(tǒng)底圖，再集成城市地理空間信息數(shù)據(jù)成為眾多城市開展地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)的相似模式[3]。多源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累也為城市管理中違章建筑監(jiān)測與處置提供了有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐。
本文從城市管理角度出發(fā)，研究了GIS技術(shù)與高分遙感數(shù)據(jù)結(jié)合在違章建筑監(jiān)測和管理中的流程與系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用開發(fā)違規(guī)、違法建筑監(jiān)測和管理系統(tǒng)，力圖為城市違章建筑分析管理提供解決方案。
1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用面向服務(wù)的SOA架構(gòu)技術(shù)，基于GIS與MIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)違法、違規(guī)建筑物分析管理系統(tǒng)的建設(shè)。以分層設(shè)計(jì)理念，從邏輯結(jié)構(gòu)角度將系統(tǒng)總體分為4層，即支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)不同層次之間的相互獨(dú)立與連接，保證系統(tǒng)具有高效的可用性、穩(wěn)定性與擴(kuò)展性[4]。總體架構(gòu)如圖1所示。
1)支撐層。通過對(duì)存儲(chǔ)、計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)及安全等硬件設(shè)施的虛擬化部署，構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、按需分配的硬件資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池，可通過虛擬化資源配置分配相應(yīng)資源，通過“云終端”按需獲取動(dòng)態(tài)資源及虛擬計(jì)算資源。
2)數(shù)據(jù)層。通過城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、規(guī)劃審批數(shù)據(jù)、已有違章建筑案件數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的接入、整合分析，建立索引目錄，并與違章建筑案件文本資料進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為應(yīng)用服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。
3)服務(wù)層。主要包括為系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)交換、表單索引、GIS服務(wù)于目錄服務(wù)的平臺(tái)服務(wù)引擎，以及提供業(yè)務(wù)服務(wù)的公共組件和數(shù)據(jù)管理相關(guān)組件。由數(shù)據(jù)共享與交換技術(shù)為上層應(yīng)用提供二維GIS空間信息展示、影像分析、數(shù)據(jù)處理等功能。
4)應(yīng)用層。為城市違建管理提供具體行業(yè)應(yīng)用。包括違建信息的直觀展示、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、拆違進(jìn)度跟蹤與結(jié)合時(shí)空分布、經(jīng)濟(jì)與發(fā)展規(guī)律的輔助決策服務(wù)及常規(guī)巡查相結(jié)合的違章建筑識(shí)別分析服務(wù)。
2違建分析流程與關(guān)鍵技術(shù)
本文將遙感影像與城市地理空間信息結(jié)合，輔以規(guī)劃數(shù)據(jù)、審批數(shù)據(jù)對(duì)城市違章建筑進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測和管理。
2.1違建分析流程
違章建筑的分析流程以不同時(shí)期的多時(shí)相高分遙感影像為輸入，經(jīng)過原始影像數(shù)據(jù)的拼接、矯正等處理方式進(jìn)行精細(xì)加工處理，根據(jù)影像數(shù)據(jù)源的處理精細(xì)程度，選擇合適的方法對(duì)同一個(gè)地區(qū)相鄰兩個(gè)不同時(shí)期的影像進(jìn)行配準(zhǔn)，分析變化區(qū)域并在影像圖上進(jìn)行變化圖斑的標(biāo)記，再結(jié)合城市地理空間信息和GIS的空間分析能力，建立疑似違章建筑的案件數(shù)據(jù)，交由城市管理執(zhí)法人員進(jìn)行現(xiàn)場核實(shí)，對(duì)最終核實(shí)為違章建筑的案件進(jìn)行立案處置，對(duì)核實(shí)不通過的疑似違建案件進(jìn)行結(jié)案處理。分析流程如圖2所示。圖2違章建筑分析工作流程Fig.2Illegalbuildinganalysisworkflow
2.2違建分析關(guān)鍵技術(shù)
同一區(qū)域不同時(shí)間段的遙感影像通常被稱為多時(shí)相影像，多時(shí)相影像會(huì)因影像獲取過程中的光源反射、云層變化和傳輸誤差等因素引起較大誤差，所以在變化檢測之前要對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、幾何校正及配準(zhǔn)等預(yù)處理，而遙感影像的配準(zhǔn)精度會(huì)影響到最終的分析結(jié)果精度。
2.2.1遙感影像的精確配準(zhǔn)
通過對(duì)不同時(shí)間段、不同環(huán)境條件下的同一區(qū)域場景的兩幅以上影像數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配和對(duì)應(yīng)，即為影像的配準(zhǔn)過程[5]。原始遙感影像會(huì)因獲取條件的不同，每景影像會(huì)存在角度、尺度、范圍的偏轉(zhuǎn)和位移，如果不對(duì)這些誤差進(jìn)行消除，會(huì)進(jìn)一步將這些誤差引入分析結(jié)果，導(dǎo)致檢測過程不能完整執(zhí)行。因此，需要將不同時(shí)間段影像中的同一坐標(biāo)位置表示的地理位置進(jìn)行絕對(duì)對(duì)應(yīng)，通常使用基于特征點(diǎn)或特征線的方法，建立參考影像的控制點(diǎn)，由控制點(diǎn)信息將兩幅及以上影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，確保不同影像的重疊范圍內(nèi)具有嚴(yán)格的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系。
2.2.2多時(shí)相遙感影像的變化分析
多時(shí)相遙感影像的差異分析主要通過地表物體的光譜特征差異和空間結(jié)構(gòu)差異變化分析來識(shí)別違章建筑物，對(duì)大部分地表物體，光譜的差異特征是用于判斷是否發(fā)生變化的主要依據(jù)。基于光譜差異特征的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)地表建筑物體變化監(jiān)測，是目前最廣泛應(yīng)用的方法。
遙感影像經(jīng)過幾何精確配準(zhǔn)后，影像之間能夠形成在一定誤差范圍內(nèi)的配準(zhǔn)，但為了進(jìn)一步消除幾何配準(zhǔn)帶來的誤差，系統(tǒng)采用基于最小二乘法的像素級(jí)偏差校正，通過對(duì)影像窗口內(nèi)對(duì)應(yīng)的同一幅范圍像素的灰度數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法迭代運(yùn)算出影像中地物像素相關(guān)系數(shù)的最大值，得出兩幅影像的最佳匹配點(diǎn)，并依據(jù)相關(guān)系數(shù)判斷影像間像素級(jí)的變化情況，進(jìn)一步消除幾何配準(zhǔn)引入的誤差，并提升差異分析結(jié)果的精確度;在經(jīng)過像素級(jí)的校正后，對(duì)像素級(jí)變化范圍進(jìn)行提取，以此為基礎(chǔ)根據(jù)對(duì)范圍內(nèi)的特征物進(jìn)行分析提取，確定范圍內(nèi)地物的變化特征;最后由大量數(shù)據(jù)積累形成的特征濾波算法對(duì)特殊天氣或者特殊光照條件下形成的錯(cuò)誤分析圖斑進(jìn)行清除，最終形成精確的變化目標(biāo)圖像。
2.2.3基于GIS的地理空間分析
由影像處理分析形成的矢量變化圖斑數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域?qū)徟鷶?shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、已立案的違建圖斑數(shù)據(jù)、地形圖等數(shù)據(jù)，借助GIS的多源數(shù)據(jù)分析能力和空間分析能力，對(duì)提取的變化圖斑進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比、判斷、剔除處理，最終形成疑似違章建筑圖斑，對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)地理信息，提取疑似違章建筑圖斑的經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過與地形圖相結(jié)合，生成帶有城市位置信息的疑似違章案件。
3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)主要為城市違章建筑監(jiān)測與管理提供應(yīng)用服務(wù)，同時(shí)也可通過結(jié)合GIS，實(shí)現(xiàn)城市空間角度的區(qū)域變化監(jiān)測分析。系統(tǒng)可作為當(dāng)前智慧城市建設(shè)中智慧城管的行業(yè)系統(tǒng)，提升城市管理執(zhí)法部門對(duì)封閉小區(qū)與高層建筑物頂層違章建筑的監(jiān)測管理能力，提高執(zhí)法效率。
3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
按照影像數(shù)據(jù)處理和拆違業(yè)務(wù)流程，將系統(tǒng)分為遙感影像數(shù)據(jù)管理、影像分析與變化檢測、違建信息管理與查詢、輔助違建處理等4個(gè)模塊，并在每個(gè)模塊下細(xì)分具體功能項(xiàng)。
1)遙感影像數(shù)據(jù)管理。此模塊主要完成城市區(qū)域高分影像數(shù)據(jù)、規(guī)劃信息數(shù)據(jù)、審批信息數(shù)據(jù)與區(qū)域空間地理信息數(shù)據(jù)的獲取和地上建筑物識(shí)別、管理，并通過多幅原始遙感影像的格式轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)、配準(zhǔn)與校準(zhǔn)鑲嵌處理，最終按照行政區(qū)劃進(jìn)行分區(qū)域裁剪，形成系統(tǒng)能夠快速分析的區(qū)域影像數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)建立索引目錄，并提供所有數(shù)據(jù)的添加、修改、刪除等基礎(chǔ)功能。
2)影像分析與變化檢測。該模塊通過對(duì)更新的區(qū)域影像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，以更新區(qū)域上一個(gè)時(shí)間段的影像為基礎(chǔ)影像，疊加更新影像數(shù)據(jù)開展自動(dòng)變化分析檢測，分析形成變化圖斑數(shù)據(jù)，再通過規(guī)劃數(shù)據(jù)、審批數(shù)據(jù)、違建案件數(shù)據(jù)的疊加，篩選出該時(shí)間段內(nèi)新增的疑似違章建筑圖斑。
3)違建信息管理與查詢。對(duì)分析出的疑似違章建筑圖斑數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS空間地理信息數(shù)據(jù)，形成附帶位置信息的疑似違章建筑案件，發(fā)送至巡檢人員進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，最終根據(jù)巡檢人員反饋的確認(rèn)結(jié)果進(jìn)行案件的立案，對(duì)立案的違章建筑案件會(huì)通過系統(tǒng)接口發(fā)送至執(zhí)法部門，待拆違結(jié)束以后反饋?zhàn)罱K處置結(jié)果，形成對(duì)違章建筑案件的全周期管理。該模塊還提供案件的智能搜索與分類統(tǒng)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過程的不同角度統(tǒng)計(jì)查看。
4)輔助違建處理。通過現(xiàn)場反饋確認(rèn)的違章建筑案件，結(jié)合GIS的空間分析能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)違章建筑修筑、擴(kuò)建及變化形態(tài)進(jìn)行空間分析展示，并可對(duì)反復(fù)出現(xiàn)的違建行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管，提供輔助預(yù)判分析。
3.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)在主流GIS軟件ArcGISEngine和ArcGISServer平臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā)，單節(jié)點(diǎn)支持百量級(jí)用戶并發(fā)訪問與操作，通過GIS數(shù)據(jù)庫與Oracle11g數(shù)據(jù)庫的結(jié)合使用，充分保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)、高效訪問與安全穩(wěn)定。
4結(jié)束語
本文通過多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)與GIS的技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市區(qū)域違章建筑監(jiān)測與管理的信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)當(dāng)前城市越來越多的建筑物頂層違法、違規(guī)建筑與封閉小區(qū)的私搭亂建設(shè)施具有更優(yōu)的管理效果，豐富城市管理相關(guān)部門的智能查違手段，提升管理部門工作效率，同時(shí)也是智慧城管以及智慧城市建設(shè)的重要組成部分。
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