高分辨率遙感衛星在監測違法建設中的應用研究

近年來，在城市高速發展和日益膨脹的同時，也衍生了大量的違法建設，擾亂了城市的規劃秩序，阻礙城市的持續性發展，對城市的規劃建設和管理提出了新的要求，迫切需要規劃觀念和管理方法發生新的變革。

遙感衛星圖像具有反映情況客觀、準確、時效性高等特點，為我國規劃建設和監督執法提供了一種系統有效的高技術手段，在城市的規劃建設管理中可以起到重要的輔助作用，在違法建設監測方面可以發揮良好的成效。

衛星查違主要是采用遙感衛星拍攝的高分辨率遙感影像進行城市建設變化監測，并且與GIS、GPS技術相集成，利用基礎的空間數據、歷史遙感影像數據和最新的遙感影像數據，通過檢測變化、人工比對、空間分析等技術實現對城市建設的監控，為城鄉規劃管理部門在第一時間提供精確的決策信息。

一、監測流程

自2001年開始，北京市規劃委員會開始利用低分辨率遙感衛星進行違法建設監測，從2009年開始，北京市規劃委員會聯合北京市遙感信息研究所，利用高分辨率光學遙感衛星（1 m），全面開展對北京市違法建設進行定期監測的實際應用工作，已形成從遙感衛星發現到執法人員查處完善的工作機制，為防止新生違法建設的產生提供了有力的支持，使規劃監督檢查工作由被動查處轉變為主動出擊，成功將遙感高新技術應用到政府實際工作中去，收到了良好的效果。

在北京市違法建設定期監測工作中，整個違法建設監測流程主要分為:數據生產、違法建設核查和成果匯總上報三部分（見圖1）。

數據生產的具體工作流程包括原始數據篩選、圖像正射校正、圖像鑲嵌、變化檢測、數據入庫、人工對比分析、審批成果核對、圖斑勾畫、質量檢查、數據輸出等步驟。數據生產流程由利用高分辨遙感衛星進行違法建設監測系統各子系統模塊實施完成，并向違法建設核查人員提交變化圖斑監測數據。

違法建設核查分為內業和外業兩個步驟，內業主要是對提交變化圖斑監測數據進行分類統計、綜合數據核對和核查數據更新；外業主要是核查人員借助GPS導航設備，依據變化圖斑監測數據進行現場核查。

成果匯總上報主要是對現場核查成果進行匯總、分類和統計，上報相關部門和領導，進入行政執法程序。

二、監測指標

違法建設監測是一項處理復雜、環節繁多的業務過程，涉及遙感圖像處理、變化檢測、對比分析、GPS導航和實地核查等多個技術環節和任務流程。為了保證各個技術環節銜接和任務流程通暢，必須對工作流程中涉及的多項技術指標進行嚴格的要求約束，主要需要考慮如下幾個方面：最小監測面積、定位精度和遙感圖像質量。

（一）遙感衛星可監測違法建設的最小面積

違法建設監測精度取決于遙感圖像的分辨率，最小監測面積與遙感圖像分辨率的2次方成正比。千米級(1000～5000 m)的氣象衛星，只能用于宏觀現象的調查和監測，如大陸飄移等，多屬全球級巨型環境特征。陸地衛星可承擔環境資源調查、環境質量評價、農作物監測等，一般在百米級(80～100 m)的地區范圍內，監測面積從數千平方米到上萬平方米，多屬國家級、省級的大型環境特征的監測任務。SPOT衛星多光譜圖像可完成中型環境特征如作物估產、林火、污染監測等任務，監測面積在數百平方米范圍。違法建設屬于小型環境特征，較小的建設變化一般在5～10 m的地區范圍內，面積約50～100 m2，因此違法建設監測主要依靠高空間分辨率衛星圖像和航空像片。

1.最小監測面積。在近十年的北京市違法建設監測中，利用不同分辨率的遙感圖像進行了監測應用，積累了大量較小面積的變化圖像。經大量實踐應用，3 m分辨率的遙感圖像最小可發現75 m2左右的城市建設變化，2 m分辨率的遙感圖像最小可發現35 m2左右的城市建設變化，1 m分辨率的遙感圖像最小可發現8 m2左右的城市建設變化。在實際的監測應用中，用于監測的遙感圖像分辨率取決于違法建設監測最小面積指標。

2．定位精度。遙感圖像的定位精度直接影響變化監測和對比分析效果以及GPS能否正確導航到實際的監測區域，由于城市地形較為復雜，既有平原，也有起伏較大的丘陵和山區。對于地形起伏大的地區（丘陵地、山地、高山地），必須采用地面控制點（GCP）和DEM對遙感圖像進行正射糾正。衛星遙感數字正射影像的精度點位中誤差（圖上距離）平地不得大于0.7 mm，丘陵地不得大于0.84 mm，山地不得大于1.1 mm。最大限差不超過2倍中誤差。一般2 m分辨率遙感圖像糾正控制點在優于1∶10000比例尺地形圖上選取。

3．遙感圖像質量。違法建設的發現，是通過對遙感圖像計算機變化監測和傳統目視判讀完成，遙感圖像的質量極大地影響到變化監測和目視判讀的效果，因此，衛星遙感影像應紋理清楚、層次豐富，反差適中、清晰易讀，目視效果好；融合后的影像色彩真實自然，無偏色；鑲嵌影像拼接處應灰度、色彩過度自然。

三、監測要求

違法建設監測的遲緩和失誤將給國家和社會帶來經濟損失和負面影響，不利于國家規劃政策的貫徹執行。這就要求違法建設監測工作更快、更準、更客觀，主要體現在以下兩個方面：時效性和準確性要求。

（一）時效性要求

違法建設具有嚴重的社會危害性，如果得不到及時嚴肅制止，其危害性更大，這就對衛星查違提出了更高的時效性要求。對于違法建設單位，如果在建設初期就被及時糾正，可以極大降低經濟損失；建成以后再拆，必將造成重大的經濟損失。對于糾違執法部門，如果在建設初期及時查處，大大減少執法的阻力，節約人力和物力，提高執法效能；反之，執法難度、行政以及司法成本就會大大提高。因而，提高衛星查違的時效性，即縮短衛星查違的監測周期對維護良好城鄉規劃管理秩序和保護國家的有限資源具有重大意義。

（二）準確性要求

利用遙感衛星監測違法建設準確與否，關系到執法效率和政府威信，違法建設監測的準確可以有效降低執法成本，增強執法部門的威懾力，違法建設監測的準確率主要與圖像解譯、衛星圖像分辨率和傳感器類型密切相關。圖像解譯水平依賴于解譯人員素質和經驗；衛星遙感圖像分辨率越高，違法建設的監測精度就越高，解譯人員越容易發現違法建設，違法建設識別的準確率越高。

四、實際應用措施

（一）縮短監測周期，提高監測時效性

利用遙感衛星監測違法建設的周期主要由三個子周期組成：數據獲取、數據處理和核查驗證。通過數據及時跟蹤、工作流程優化和工作手段提升，可以有效縮短以上三個子周期，提高監測時效性。著眼于這三方面，以下分別介紹在實際監測工作中所采取的有力措施。

1.數據獲取。數據獲取是指利用遙感衛星對監測區域照相過程，一般較小違法建設面積在百平方米左右，對遙感圖像質量要求高，清晰無云圖像方能進行變化檢測和對比分析，因而，數據獲取時間便是獲得覆蓋整個監測區域清晰無云遙感圖像的周期。主要影響因素有：天氣狀況和衛星數量，在雨雪、陰霾、多云天氣情況下，無法獲取清晰無云圖像；如果衛星數量多，可大大縮短監測區域重訪周期，節省數據獲取時間。

2.數據處理。違法建設監測數據處理是一個繁瑣復雜處理過程，主要包括：正射校正、圖像鑲嵌、變化檢測、人工對比篩選、審批成果核對、圖斑勾畫、質量檢查、數據輸出、統計制表等步驟。處理的工作量與監測區域面積呈正比，如北京全市域違法建設監測工作，需要對40余景遙感圖像進行正射校正、圖像鑲嵌、變化檢測等處理，處理任務繁重，數據處理的效率關系到監測周期的長短，我們周密設計監測處理系統，細化處理流程，嚴格規范過程，明確人員分工，對各處理階段制定質量檢驗標準。主要體現在以下方面：

（1）多用戶并發機制。系統將最現勢、最準確的數據同時提供給多個用戶，并且自動維護各個用戶之間的邏輯關系，保證了監測成果數據的完整性和一致性，保證多個用戶同時工作，提高數據處理效率。

（2）任務管理監控。大區域違法建設監測任務是一個勞動密集型的處理過程，為了提高監測效率，系統將監測任務分為多個子任務，并為各子任務配置所需的數據資源（監測任務所需的遙感圖像和矢量數據），結合當前的人員和設備工作情況，將子任務劃分給若干操作員，進行多個子任務并行處理，同時對各操作員用戶進行權限控制，監督各個操作員的任務執行情況。

（3）數據集中管理。將各類監測數據資源（包括由遙感圖像處理子系統處理好的遙感圖像和各種資源監測矢量數據）納入數據庫，集中存儲、統一管理；建立能夠容納海量數據的空間數據中心，為任務處理提供基礎的數據。

3.核查驗證。為準確、快速查找到目標點，開發了基于遙感圖像的GPS導航輔助核查系統，該系統主要是將遙感圖像和變化圖斑導入GPS導航系統，采用GPS導航，指引執法人員前往待核查圖斑位置，進行實地核查。該系統既標出執法人員當前位置和行車方向，又標出待核查圖斑與當前汽車的相對位置，從而高效正確指引執法人員，同時提供高分辨率遙感圖像作為導航底圖，使執法人員清晰無誤認識周圍地理環境，快捷準確發現待核查變化圖斑。利用GPS導航輔助核查系統大大提高核查效率。

（二）采用高分辨率遙感圖像，增強解譯能力，提高變化監測準確率

衛星遙感圖像解譯有別于日常的圖像解譯，解譯對象是從太空中獲取遠景地表圖像，不同于日常觀測的自然圖像，該類型圖像的解譯必須十分了解各種地物在航天圖像中表現的基本特征，這些特征包括形狀、大小、紋理、陰影、位置、布局和色調等。提高解譯人員的理論知識水平的同時，解譯經驗也非常重要，通過內業的對比分析和外業的現場驗證相結合的方式，可以增強解譯人員對城市建設的感性認識，豐富解譯經驗，提高變化監測準確率。

為了有效驗證遙感監測的準確性，以北京市3個批次部分監測成果（利用3 m空間分辨率衛星遙感圖像監測北京市100 m2以上違法建設）為樣本，執法人員進行了現場核查驗證，變化監測正確率保持在72%之上（見表1），其余為道路、季節或土地形態等變化，不屬違法查處范圍。

五、典型案例

（一）大型建設變化實例

在北京市2008年10月份違法建設監測中，將2008年8月份的良鄉地區衛星圖像與2008年10月同地區衛星圖像進行變化檢測，發現兩圖有明顯變化，如圖2-1（2008年8月）所示圖斑內區域為平地，到了2008年10月（圖2-2）增加許多人工建筑。實地勘測發現這里正在進行院校新區施工建設 (見圖2-3)，面積23000平方米，屬違法建設。

（二）小型建設變化實例

在北京市2008年2月份違法建設監測中，將2007年12月份的昌平陽坊地區衛星圖像與2008年2月同地區衛星圖像進行變化檢測時，發現兩圖有明顯變化，如圖3-1（2007年12月）中所示圖斑內區域還是荒地，到了2008年2月已經有建筑出現（圖3-2）。實地勘測照片顯示該地區已建成倉庫 (圖3-3)，面積100余平方米，屬違法建設。

（三）典型建設變化實例

在北京市2008年2月份違法建設監測中，將2007年12月份的北四環外大屯地區衛星圖像與2008年2月同地區衛星圖像進行變化檢測，發現兩圖有明顯變化，如圖4-1（2007年12月）所示圖斑內區域為荒地，到了2008年2月（圖4-2）增加許多人工建筑。實地勘測發現這里正在進行商品房住宅施工建設(見圖4-3)，占地17300平方米，屬于違法建設。

六、結束語

高分辨遙感衛星在城鄉規劃管理領域應用是一項實用、高效、具有良好前景的工作，不僅可以提高工作效率，更重要的是可以提高決策的科學性、準確性和時效性。隨著我國高分辨遙感衛星的發展，高分辨遙感衛星的性能、種類和數量將得到大幅度的改進和提高，系統不僅可以提高監測的準確度和時效性，而且有利于拓展遙感技術在違法用地查處、城市布局、城市的調整和改造、歷史物化保護、城市交通、防洪救災和生態保護等方面的廣泛應用。

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（責任編輯：文雪峰）