基于遙感影像技術的城市規劃違法監察系統設計與實現

張周平，張春奎

(西安市勘察測繪院，陜西西安 710054)

1 前言

城市規劃違法監察是城市規劃管理的主要職能之一，違法監察的主要內容包括對城市規劃區內各類違法建設工程進行發現、調查和查處等過程。目前，城市規劃違法監察主要采取人工巡查的方式來發現規劃違法行為，通常分為全面巡查、重點巡查和機動巡查。各種巡查方法同時并用，在一定程度上能夠比較全面地發現規劃違法行為。但由于受到人員、經費等條件的制約，很多違法建設難以發現，同時由于管理人員與被查對象的近距離接觸，容易引起暗箱操作等不良現象。如何采用一種客觀的方法，及時快速地發現違法建設是城市規劃建設管理工作面臨的一個重要課題。

近年來遙感技術的出現和應用，為我們解決這個問題提供了技術和方法。遙感是從遠離地面的不同工作平臺上，通過傳感器對地球表面的電磁波輻射信息進行探測，然后經信息的傳輸、處理和判讀分析，對地球的資源與環境進行探測與監測的綜合性技術。遙感技術所具有的宏觀性、實時性及動態性等特點為地面基礎數據的獲取提供了一種新的途徑。

本文探討研究的就是一種基于遙感影像技術，采用GIS技術、MIS技術和網絡技術，快速獲取與處理城市現狀地理信息，通過多時相遙感影像與總體規劃、分區規劃、詳細規劃以及竣工測量數據的比對和影像判讀分析，建立一個可實現大范圍、可視化、短周期的城市規劃違法建設項目動態監測信息管理系統。這種監測系統具有定量和客觀的特征，能夠有效、快速、動態地發現和查處違法建設項目，能為城市快速發展期違法建設項目的監管提供一種高效科學的技術手段，有效提高城市規劃管理的效能，有力保障城市總體規劃的落實和執行。

2 違法監察業務流程

城市規劃違法監察分兩種情況，一是對已報批的建設工程是否按照規劃相關要求進行施工建設進行監察;二是對未經審批違規私搭亂建的項目進行監察。不同城市對這兩種情況的監管主體和職能劃分有所不同，根據西安市城市規劃違法監察的業務實際，結合影像技術違法監察的特點，制定以下系統業務流程:影像數據、基礎地理數據及文本資料的收集、整理和入庫;遙感影像信息的提取，主要針對建設工程項目;規劃業務審批成果的整理;影像信息與規劃數據的比對;差異圖斑核查，包括行政核查和實地核查;核查結果發布。主要業務流程如圖1所示。

圖1 城市規劃監察業務流程圖

3 系統設計

3.1 系統總體架構設計

根據系統應用需求，系統以現有網絡和專業服務器等基礎設施為基礎，采用Oracle或SQL Server大型數據庫為數據庫信息管理系統，通過相應空間數據訪問引擎分別對基礎地理信息數據、規劃成果數據、業務管理數據和系統支撐數據進行建庫。在數據庫建設的基礎上，基于B/S和C/S相結合的開發模式，采用當前成熟的B/S和C/S網絡開發技術，實現監察數據庫管理、數據預處理、影像信息提取、違法建設工程識別和監察成果發布等子系統設計與開發，建立城市規劃違法監察系統。其中數據庫管理、數據預處理、影像信息提取、違法建設工程識別是通過C/S模式提供訪問與服務，監察成果發布通過B/S模式向監管、違法單位和社會公布相關信息。同時建立系統安全保障與維護體系，保證系統安全穩定運行。其系統總體架構如圖2所示。

3.2 數據庫設計

城市規劃監測數據庫包括四類數據庫:基礎地理信息數據庫、規劃成果數據庫、業務數據庫和違法工程信息數據庫。其中，基礎地理信息數據庫主要存放各種地理空間數據、不同時相的影像數據;規劃成果數據庫主要存儲規劃成果數據，包括城市總體規劃、分區規劃、詳細規劃、專題規劃等;業務數據庫主要存儲報建項目審批圖件、竣工圖件、業務文檔以及用戶信息等;違法工程信息庫主要存儲經過實地核查并確認違法的工程建設項目信息，包括違法事實描述、監管責任單位、查處意見信息等。系統數據庫結構如圖3所示。

圖2 系統總體架構圖

圖3 城市規劃監察數據庫結構圖

3.3 系統功能設計

結合城市規劃違法項目監察業務體系，城市規劃違法監測信息管理系統包括5個子系統:城市規劃監察數據庫管理子系統、數據預處理子系統、影像信息提取子系統、違法建設工程識別子系統和監察成果發布子系統。

(1)城市監察數據庫管理子系統

主要實現對各種城市規劃與監測數據的管理。通過數據接口連接到規劃成果數據庫，實現對規程成果數據的瀏覽、查詢、統計、下載等功能;建立基礎地理數據庫，實現地形圖、影像圖的入庫和更新、查詢、瀏覽、統計、編輯、備份等;建立業務數據庫，實現對各種業務數據的管理和系統支撐數據的維護。該子系統的主要功能模塊有:數據入庫;數據瀏覽;數據查詢;數據統計;數據編輯;數據備份;數據分發;數據加密;影像打包;圖層和層組管理等。

(2)數據預處理子系統

數據預處理子系統主要實現影像和矢量數據的預處理。主要包括數據格式轉換、坐標系轉換、影像重采樣、影像裁剪、影像質量優化、輻射校正、幾何校正、正射校正、圖像融合、圖像鑲嵌、影像勻光處理、影像濾波等功能模塊。

(3)影像信息提取子系統

在本次調查中，給員工提供英語培訓的航空公司不足一半，但訪談表明，員工對公司提供英語培訓的呼聲很高，希望公司提供培訓，航空公司應重視該方面的需求。此外，應對不同崗位有針對性地開展不同方向的培訓。如采訪中的飛行員表示，平時郵件寫得多，因此希望有寫作方面的培訓。相比其他口語閱讀類的普遍需求，此類需求屬于較特殊需求，是對公文寫作能力的需求，該方面往往在培訓中被忽略，因此，在開展培訓時，需將此類需求納入考慮范圍。

影像信息提取子系統主要實現單時相影像中信息的提取和多時相影像中動態變化信息的提取，自動目標識別模型的構建。其主要功能包括影像分類、圖像變化檢測、檢測后處理等。

影像分類:影像分類采用監督分類、非監督分類和面向對象的分類3種分類方法。其中，非監督分類是在遙感監測過程中，沒有先驗知識的情況下或缺少人工的時候滿足遙感影像的自動分類。

圖像變化檢測:根據兩個時相的遙感圖像或規劃成果與遙感影像間進行對比檢測，分別計算出特征圖像來計算其差異，可由自定義閾值標明重點變化區域，并輸出分析結果文件。

①圖像比值變化檢測

對輸入的兩個圖像的兩個波段(通道)，利用比值法進行變化監測;結果放到目標圖像中。圖像比值法是較為快捷的變化檢測方法。如果沒有發生變化，相應像素的比值近似為1，否則就說明圖像發生了變化，可以設定閾值來判定哪些像素或區域發生了變化。

②圖像差值變化檢測

對輸入的兩個圖像的兩個波段(通道)，利用差值監測方法進行變化監測;結果放到目標圖像中。在結果圖像中，正值或負值表示變化的區域，0值表示沒有變化的區域。該算法可以用來處理單波段和多波段圖像，算法簡單實用，其精度依賴于圖像配準精度。對差值圖像進行線性拉伸，使全部差值大于0，根據差值的大小可以表示變化的區域。與閾值相結合，可以檢測出主要變化區域的大小和位置。

③主成分分析法變化檢測

對同一地區的多光譜遙感影像，分別進行主成分變換，然后取其主成分波段進行差值變化分析，產生表示變化結果的單波段目標圖像。這種方法把光譜成分減少集中到主成分圖像中，這些主成分可以解釋原始圖像的大部分光譜差異。在主成分分析結果中，輻射和大氣變化的顯著差異主要表現在主成分中，而一些較小的變化則表現在次成分中。

④高精度目標變化檢測

對分類后的兩幅圖像的兩個波段，利用差值和比值方法，進行變化檢測，變化后的圖像被保存到新的圖像文件中。具體的設計和算法與差值/比值變化監測基本相同。

⑤變化檢測后處理

利用閾值消除非本質變化:在表示目標變化的圖像上，有些地方確系目標變化區域，有些地方是由于輻射量的差異等外在非本質因素引起的變化。可以在變化圖像上設置閾值，目視觀察，確定最佳閾值，將可能不屬于目標本質變化的像元過濾出去。

(4)違法建設工程識別子系統

該子系統主要實現不同時相影像信息的目標自動識別，影像信息和規劃成果的對比分析，差異圖斑的行政核實和實地核實，違法建設工程信息的登記等功能。

目標自動識別:是結合不同遙感影像數據的特點，建立建設工程的自動識別規則。針對建設工程對象的特點，結合選擇的遙感影像，計算出監測目標在遙感影像上的基本的特征包括形狀特征、光譜特征、紋理特征、上下文特征等，建立建設工程的自動識別模型。系統對這種模型的參數可以進行修改更新，并可進行模型刪除。

影像信息和規劃成果的對比分析:通過與規劃數據的比對分析，將有規劃審批手續和無規劃審批手續的進行區別和分類。

行政核查:對圖像對比檢測出的差異圖斑進行初審，將不屬于違法、違章違規情節較輕、非監測重點、法律界限模糊等圖斑進行剔除，對已達到明確監測目標的進行標識。

實地核查:建立PDA接口和GPS接口，針對行政審核明確的監測目標，根據實地監察情況，導入實地核查信息，包括違法建設工程的位置信息及相關屬性信息，并把實地核查結果上報規劃行政主管部門進行復審與處理。

(5)監察成果發布子系統

監察成果發布子系統主要實現監察成果的發布和歸檔。包括用戶權限管理、成果上傳下載、成果圖件管理、資料檔案管理、信息查詢檢索等功能。

4 系統實現

4.1 系統開發

本系統涉及大量的基礎地理信息數據、規劃數據和業務數據，需采用大型的數據庫管理系統進行管理。根據該項目設計要求，系統采用大型關系數據庫+空間數據庫引擎的方式對數據庫內的空間數據進行訪問，基于成熟的大型地理信息軟件平臺并在此基礎上進行二次開發實現空間數據的處理功能。對于非空間數據的查詢和處理可采用B/S模式，由瀏覽器通過Web服務器直接訪問數據庫而實現。

針對本系統的數據要求和業務特點，對于C/S模式下的子系統采用Oracle+ArcSDE+ArcEngine為軟件技術開發方案，利用C#語言進行功能開發。對于B/S模式下的子系統采用MyElipse+Spring+Ibatis SqlMap+JSTL+JSP+Oracle為軟件開發技術方案，利用Java+JavaScript語言進行功能開發。為了保證數據的安全性在硬件上將數據庫和Web服務器分別部署在兩臺服務器上，通過網絡基礎設施實現網絡通信。

4.2 系統運行流程及實現

本系統數據包括基礎地理信息數據、規劃數據、業務數據、違法項目信息數據。其中，基礎地理信息數據通過訪問勘測院基礎地理信息數據庫獲取;規劃數據取通過訪問規劃院規劃數據庫獲取取;項目數據分別由業務處室、各分局實時動態匯交，經過標準化處理導入城市規劃監測數據庫;違法項目信息數據由實地核查獲取并入庫。信息發布按照監管職能分工，無規劃審批手續的項目信息轉發給城市綜合管理執法局，有規劃審批手續的按行政區劃分發各規劃分局以及監察大隊。系統運行流程及實現如圖4所示。

圖4 系統運行流程及實現圖

5 結語

遙感衛星影像技術在土地利用、環境監測、林業調查等領域已經得到廣泛應用，但在城市規劃方面的應用，由于對影像的分辨率要求高、周期短，而且需要大量規劃專題數據的支持，系統性的應用案例并不是很多，本文結合西安市城市規劃違法監察實際，提出了利用遙感影像來進行規劃違法建設項目監察的流程和方法，并綜合運用GIS、MIS和網絡技術，開發建立一個可實現大范圍、可視化、短周期城市違法建設項目動態監測的信息管理系統，可為城市快速發展期違法建設項目的監管提供一種高效科學的技術手段。

該系統的建立僅是對城市違法建設項目監管提供了一種技術手段，要充分發揮其效能，還需要一套行之有效的相關配套規定和制度。另外，該系統目前也主要是解決了如何快速發現違法建設的問題，至于如何進一步實現違法項目的后續糾正、動態跟蹤、長效監察等還需要對該系統進行進一步的完善和升級。

［1］張周平，張春奎等.西安市城市規劃違法監察信息管理系統設計書［R］.2011.

［2］趙書河.多源遙感影像融合技術與應用［M］.南京:南京大學出版社，2008.

［3］漆小英，宴明星.多時相遙感數據在礦山擴展動態監測中的應用［J］.國土資源遙感，2007(3).

［4］楊曉麗.多時相遙感影像的變化檢測［D］.西安:西安電子科技大學，2011.

［5］張周平，張春奎.基于工作流的測繪信息化綜合管理平臺建設與研究［J］.城市勘測，2012(2).