基于RS和GIS技術的城市違建治理動態監測研究與應用

黃蓉，綦春峰，趙云華

(1.青島市西海岸基礎地理信息中心有限公司，山東 青島 266033； 2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266000)

1 引 言

隨著城市經濟發展和規模擴張，城市違法建設問題逐漸凸顯，嚴重制約城市的正常運行和發展，對城市規劃和經濟建設造成非常大的負面影響。城市違法建設查控治理工作，直接影響著城市建設和經濟發展的戰略目標的順利實現，其主要內容包括違法建設監測、調查及查處等。目前，城市違法建設監測主要依靠全面巡查、重點調查和隨機抽查等三種人工巡查方式，在一定程度上可以比較全面地查處城市用地的違法建設行為。為解決人工巡查中人員、經費和時間等局限問題，避免執法監測人員與違法單位的暗箱操作，迫切需要一種客觀公正的方法，及時快速有效地打擊違法建設用地的行為[1]。本文結合“美麗青島”三年行動違建治理工作，探討了RS技術和GIS技術在城市違建動態監測及違建治理工作中發揮的作用，形成了一套城市違建從快速發現到有效執法的動態監測管理模式。

2 技術路線

城市違建動態監測及治理的技術流程，主要包括對監測區多時相、多源遙感數據進行糾正配準融合等預處理，通過影像判讀提取變化圖斑，利用信息系統對變化圖斑進行下發，然后經過外業核查，確定違建信息并建立違建信息數據庫，執法部門通過信息系統對違法行為進行全過程留痕執法。技術流程如圖1所示。

(1)數據源選取

采用高分辨率遙感影像資料對城市用地情況進行監測。數據源選擇應考慮監測范圍、監測精度及物候和影像成像條件[2]。物候和成像條件都會給變化信息帶來很大的噪聲，經過一些圖像處理過程可以一定程度上減少這方面的噪聲[3]。

圖1 技術流程

(2)數據預處理

選擇最佳波段組合，對數據進行預處理。動態監測過程中，非常重要的預處理過程是影像配準、大氣校正和遙感圖像增強處理。經過一系列的處理后，最后獲得原始的城市影像底圖[4]。

(3)變化圖斑提取

對前后兩個時期的衛星影像資料進行對比，以監測區為單位提取新增建設用地變化信息，根據規定要求表示變化圖斑，建立圖斑變化屬性，并為外業核查提供信息。

(4)變化圖斑推送

通過信息系統，將提取的變化圖斑，按照任務責任區域，快速推送到核查人員的手機終端，核查人員接收任務后，對變化圖斑進行外業核查。

(5)外業核查

在外業核查時需要確認遙感內業操作時的變化圖斑是否為違法建設，通過移動終端填寫核查信息，最終形成疑似違建信息數據庫，結果提供給執法部門，作為執法的可靠基礎資料和執法保障。

(6)違建執法治理

基于GIS開發違建治理信息系統，劃分責任網格，明確執法范圍，將疑似違建信息數據庫，通過平臺直接下發到執法人員手機終端，執法人員根據違建的具體位置，通過地理信息輔助，開展外業執法工作。

3 動態檢測工作流程

3.1 基于ENVI的動態檢測方法介紹

ENVI集成了部分動態檢測方法，包括圖像直接比較法、分類后比較法、PCA變換、Two-ColorMultiview、MNF變換法、ICA變換法、波譜角檢測方法。當然還可以自定義方法。

ENVI5.1中變化檢測工具放在ChangeDetection中，包括五個工具：

(1)ChangeDetection/ChangeDetectionDifference：使用圖像直接比較法對兩時相影像做差值或者比值運算，對差值或者比值結果劃分為若干類。整合了一些預處理功能，如數據值歸一化和單位的統一。

(2)ChangeDetection/ChangeDetectionStatistics：使用分類后比較法比較兩時相影像分類結果，獲得變化類型、面積、百分比等變化矩陣信息，同時可得到一個多波段的變化圖像，每個波段表示一種土地類型的變化情況。

(3)SPEAR/SPEARChangeDetection：包括很多的變化監測方法和預處理功能。提供了四大類方法，包括Two-ColorMultiview、圖像變換(PCA、MNF和ICA變換)、圖像波段直接比較法和波譜角檢測方法。

(4)ChangeDetection/ImageChangeWorkflow：包括很多的變化監測方法和預處理功能。主要有波段差值、特征差值、波譜角、PCA/MNF/ICA。

(5)ChangeDetection/ThematicChangeWorkflow：使用分類后比較法比較兩時相影像分類結果，獲得變化類型、面積、百分比等變化矩陣信息，同時可得到一個單波段的變化分類圖像和變化矢量結果。

3.2 流程化動態檢測工具

ENVI包含兩個流程化的動態檢測工具，集成了影像配準和變化信息發現過程等，分為直接比較法流程化工具ImageChangeWorkflow和分類后比較法流程化工具ThematicChangeWorkflow。本文主要運用直接比較法流程化工具ImageChangeWorkflow。

ImageChangeWorkflow工具可以檢測兩個時相影像中增加和減少兩種變化信息，適合獲取地表絕對變化信息。

第一步是啟動ImageChangeWorkflow，選擇兩個時相的圖像，做影像配準。

第二步是變化信息檢測，包括圖像差值法和圖像變換法。其中，圖像差值法又提供了三種方法：波段直接比較、特征指數比較和光譜角差異比較。本文以波段直接比較法為主。

第三步是變化信息提取，從變化信息檢測結果中提取三種變化信息：增加(藍色)和減少(紅色)變化信息，增加(藍色)變化信息，減少(紅色)變化信息。

第四步是輸出變化信息。

輸出4種結果或格式：以圖像格式輸出變化結果、以矢量格式輸出變化結果、變化統計文本文件、輸出差值圖像。

在ArcMap中查看變化監測結果，結合目視判讀、GIS輔助分析等多種手段，對變化的圖斑進行分析。如圖2所示，為兩幅影像中提取出的變化區域，半透明紅色矢量塊標示出了變化區域。

圖2 變化檢測結果

4 信息系統建設方法

基于GIS技術開發建設違建信息綜合管理系統，通過信息系統輔助工作人員對影像動態監測提取的變化圖斑進行有效快速的外業核查，初步確立疑似違建信息數據庫[5]。系統建設主要包括責任網格劃分(數據)、違建外業核查APP、違建外業執法APP、違建信息綜合管理系統(Web端)。系統架構如圖3所示。

圖3 系統架構圖

4.1 責任網格劃分

建立違建整治三級網格責任制，違法建設治理責任網格按照“人員到網格、責任到網格、處置到網格、獎懲到網格、機制到網格”的原則，依托違建信息綜合管理系統，按照地理區域和管轄范圍劃分管理網格，通過統一的監管、督查、調度中心，對違法建設進行標準化、數字化管理，建立及時發現、快速處置、限時辦結的管理體系。通過落實三級責任網格劃分明確責任和管轄區域，在網格劃分上做到全覆蓋、明界限、不留白、無交叉，基本消除以往‘三不管’地帶的存在[6]。如圖4所示責任網格劃分及職責確定。

圖4 三級責任網格劃分

4.2 違建信息綜合管理系統

違建信息綜合管理系統，依托大數據支撐，打通網格層級間的溝通渠道。通過系統可實現對遙感影像動態監測發現的歷史違建信息進行綜合管理，可實現對違建治理過程全生命周期管理，可實現對執法人員日常巡查中發現的新增違建進行綜合管理[7]。通過責任網格的劃分，可以實現違建事件自動派遣至相應的執法人員手機終端，執法人員根據事件詳細信息赴現場執法處置，實現“發現-處置”無縫銜接，大大簡化違建治理的工作流程，并且通過全程留痕操作，實現違建治理全過程公開透明，系統界面如圖5所示。

圖5 系統界面圖

違建自動派遣模型，如圖6所示，根據違建事件的空間位置(X、Y坐標)，結合劃分的精準責任網格，依托GIS空間分析技術，進行責任人的自動快速識別，依托流程化的派遣模型，自動派遣到責任人手機終端[8]。

圖6 自動派遣模型

4.3 違建外業核查APP

如圖7所示，違建外業核查APP主要功能是實現對遙感影像動態監測發現變化圖斑進行快速的分發。外業工作人員根據責任范圍接收核查任務，根據核查圖斑的空間信息定位準確的任務位置，同時通過APP上報核查信息，確定疑似違建信息數據庫。

圖7 移動核查終端

(1)核查任務下發

通過違建信息綜合管理系統，依托三級責任網格確定的責任，將動態監測發現的變化圖斑，按照空間位置，精準地下發到外業核查APP終端。

(2)變化圖斑外業核查核實

根據核查職責，通過外業核查APP，查看外業核查任務，在APP端根據圖斑的地理位置，快速定位變化圖斑，輔助核查人員進行有效的外業核查。

(3)核查信息快速上報

在APP端，核查人員可以針對核查情況，方便快速地填寫核查信息，通過網絡提交到違建綜合管理系統中。

4.4 違建外業執法APP

如圖8所示，違建外業執法APP主要面向執法人員使用。通過APP，執法人員可以快速接收違建處置任務；依托GIS技術，可以查看違建信息的具體位置，依托責任網格可以明確街道職責。在違建治理過程中，以歷史遙感影像為執法依據，確認是否是新增違建還是歷史遺留違建，為違建治理提供技術手段。

圖8 移動執法終端

(1)違建信息接收

違建信息平臺，自動派遣后，手機端根據登錄權限，自動接收違建治理任務，以列表的方式展示所有待處理的違建事件，并可在移動端查看事件的具體信息，位置及現場照片。

(2)違建信息處置

違建治理現場，通過手機APP執法人員定位位置，現場拍攝違建照片，違建治理完成后，通過APP現場取證拍照，填寫處置的意見，上傳至信息綜合管理系統中。

(3)領導督辦

通過APP領導可隨時查看所有的違建信息，可以查看違建的處置進度，處置過程。對重點違建項目可以隨時進行督辦，相關責任人及分管領導可以及時看到督辦信息，進行及時處置。

5 結 語

利用高分辨率遙感影像進行城市違建治理動態監測，是目前監測違法建設較好的方法和有效途徑，同時結合GIS技術，通過建立違法建設治理網格責任制和違建治理信息系統，為違建發現、治理、后續的長效監管等工作提供有力的技術支撐，為違建治理工作提供了新的思路，對城市健康有序地發展必將產生深遠的影響。