基于遙感影像技術(shù)的城市規(guī)劃違法監(jiān)察系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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(guī)劃違法監(jiān)察是城市規(guī)劃管理的主要職能之一，違法監(jiān)察的主要內(nèi)容包括對城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)各類違法建設(shè)工程進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、調(diào)查和查處等過程。目前，城市規(guī)劃違法監(jiān)察主要采取人工巡查的方式來發(fā)現(xiàn)規(guī)劃違法行為，通常分為全面巡查、重點(diǎn)巡查和機(jī)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(fā)現(xiàn)規(guī)劃違法行為。但由于受到人員、經(jīng)費(fèi)等條件的制約，很多違法建設(shè)難以發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象。如何采用一種客觀的方法，及時快速地發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)是城市規(guī)劃建設(shè)管理工作面臨的一個重要課題。

近年來遙感技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為我們解決這個問題提供了技術(shù)和方法。遙感是從遠(yuǎn)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(jìn)行探測，然后經(jīng)信息的傳輸、處理和判讀分析，對地球的資源與環(huán)境進(jìn)行探測與監(jiān)測的綜合性技術(shù)。遙感技術(shù)所具有的宏觀性、實時性及動態(tài)性等特點(diǎn)為地面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(shù)，采用GIS技術(shù)、MIS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，快速獲取與處理城市現(xiàn)狀地理信息，通過多時相遙感影像與總體規(guī)劃、分區(qū)規(guī)劃、詳細(xì)規(guī)劃以及竣工測量數(shù)據(jù)的比對和影像判讀分析，建立一個可實現(xiàn)大范圍、可視化、短周期的城市規(guī)劃違法建設(shè)項目動態(tài)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)。這種監(jiān)測系統(tǒng)具有定量和客觀的特征，能夠有效、快速、動態(tài)地發(fā)現(xiàn)和查處違法建設(shè)項目，能為城市快速發(fā)展期違法建設(shè)項目的監(jiān)管提供一種高效科學(xué)的技術(shù)手段，有效提高城市規(guī)劃管理的效能，有力保障城市總體規(guī)劃的落實和執(zhí)行。

2 違法監(jiān)察業(yè)務(wù)流程

城市規(guī)劃違法監(jiān)察分兩種情況，一是對已報批的建設(shè)工程是否按照規(guī)劃相關(guān)要求進(jìn)行施工建設(shè)進(jìn)行監(jiān)察;二是對未經(jīng)審批違規(guī)私搭亂建的項目進(jìn)行監(jiān)察。不同城市對這兩種情況的監(jiān)管主體和職能劃分有所不同，根據(jù)西安市城市規(guī)劃違法監(jiān)察的業(yè)務(wù)實際，結(jié)合影像技術(shù)違法監(jiān)察的特點(diǎn)，制定以下系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程:影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)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(shè)工程項目;規(guī)劃業(yè)務(wù)審批成果的整理;影像信息與規(guī)劃數(shù)據(jù)的比對;差異圖斑核查，包括行政核查和實地核查;核查結(jié)果發(fā)布。主要業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 城市規(guī)劃監(jiān)察業(yè)務(wù)流程圖

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需求，系統(tǒng)以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和專業(yè)服務(wù)器等基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，采用Oracle或SQL Server大型數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)庫信息管理系統(tǒng)，通過相應(yīng)空間數(shù)據(jù)訪問引擎分別對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)進(jìn)行建庫。在數(shù)據(jù)庫建設(shè)的基礎(chǔ)上，基于B/S和C/S相結(jié)合的開發(fā)模式，采用當(dāng)前成熟的B/S和C/S網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)監(jiān)察數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、影像信息提取、違法建設(shè)工程識別和監(jiān)察成果發(fā)布等子系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，建立城市規(guī)劃違法監(jiān)察系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、影像信息提取、違法建設(shè)工程識別是通過C/S模式提供訪問與服務(wù)，監(jiān)察成果發(fā)布通過B/S模式向監(jiān)管、違法單位和社會公布相關(guān)信息。同時建立系統(tǒng)安全保障與維護(hù)體系，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。其系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

城市規(guī)劃監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括四類數(shù)據(jù)庫:基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和違法工程信息數(shù)據(jù)庫。其中，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫主要存放各種地理空間數(shù)據(jù)、不同時相的影像數(shù)據(jù);規(guī)劃成果數(shù)據(jù)庫主要存儲規(guī)劃成果數(shù)據(jù)，包括城市總體規(guī)劃、分區(qū)規(guī)劃、詳細(xì)規(guī)劃、專題規(guī)劃等;業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫主要存儲報建項目審批圖件、竣工圖件、業(yè)務(wù)文檔以及用戶信息等;違法工程信息庫主要存儲經(jīng)過實地核查并確認(rèn)違法的工程建設(shè)項目信息，包括違法事實描述、監(jiān)管責(zé)任單位、查處意見信息等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖3 城市規(guī)劃監(jiān)察數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

結(jié)合城市規(guī)劃違法項目監(jiān)察業(yè)務(wù)體系，城市規(guī)劃違法監(jiān)測信息管理系統(tǒng)包括5個子系統(tǒng):城市規(guī)劃監(jiān)察數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)、影像信息提取子系統(tǒng)、違法建設(shè)工程識別子系統(tǒng)和監(jiān)察成果發(fā)布子系統(tǒng)。

(1)城市監(jiān)察數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)

主要實現(xiàn)對各種城市規(guī)劃與監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理。通過數(shù)據(jù)接口連接到規(guī)劃成果數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對規(guī)程成果數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢、統(tǒng)計、下載等功能;建立基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)地形圖、影像圖的入庫和更新、查詢、瀏覽、統(tǒng)計、編輯、備份等;建立業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的管理和系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)的維護(hù)。該子系統(tǒng)的主要功能模塊有:數(shù)據(jù)入庫;數(shù)據(jù)瀏覽;數(shù)據(jù)查詢;數(shù)據(jù)統(tǒng)計;數(shù)據(jù)編輯;數(shù)據(jù)備份;數(shù)據(jù)分發(fā);數(shù)據(jù)加密;影像打包;圖層和層組管理等。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)主要實現(xiàn)影像和矢量數(shù)據(jù)的預(yù)處理。主要包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、影像重采樣、影像裁剪、影像質(zhì)量優(yōu)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(tǒng)

在本次調(diào)查中，給員工提供英語培訓(xùn)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(xùn)的呼聲很高，希望公司提供培訓(xùn)，航空公司應(yīng)重視該方面的需求。此外，應(yīng)對不同崗位有針對性地開展不同方向的培訓(xùn)。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(xùn)。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(xùn)中被忽略，因此，在開展培訓(xùn)時，需將此類需求納入考慮范圍。

影像信息提取子系統(tǒng)主要實現(xiàn)單時相影像中信息的提取和多時相影像中動態(tài)變化信息的提取，自動目標(biāo)識別模型的構(gòu)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(jiān)督分類、非監(jiān)督分類和面向?qū)ο蟮姆诸?種分類方法。其中，非監(jiān)督分類是在遙感監(jiān)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(jù)兩個時相的遙感圖像或規(guī)劃成果與遙感影像間進(jìn)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(biāo)明重點(diǎn)變化區(qū)域，并輸出分析結(jié)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(jìn)行變化監(jiān)測;結(jié)果放到目標(biāo)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(fā)生變化，相應(yīng)像素的比值近似為1，否則就說明圖像發(fā)生了變化，可以設(shè)定閾值來判定哪些像素或區(qū)域發(fā)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(jiān)測方法進(jìn)行變化監(jiān)測;結(jié)果放到目標(biāo)圖像中。在結(jié)果圖像中，正值或負(fù)值表示變化的區(qū)域，0值表示沒有變化的區(qū)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(zhǔn)精度。對差值圖像進(jìn)行線性拉伸，使全部差值大于0，根據(jù)差值的大小可以表示變化的區(qū)域。與閾值相結(jié)合，可以檢測出主要變化區(qū)域的大小和位置。

③主成分分析法變化檢測

對同一地區(qū)的多光譜遙感影像，分別進(jìn)行主成分變換，然后取其主成分波段進(jìn)行差值變化分析，產(chǎn)生表示變化結(jié)果的單波段目標(biāo)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(jié)果中，輻射和大氣變化的顯著差異主要表現(xiàn)在主成分中，而一些較小的變化則表現(xiàn)在次成分中。

④高精度目標(biāo)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(jìn)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(shè)計和算法與差值/比值變化監(jiān)測基本相同。

⑤變化檢測后處理

利用閾值消除非本質(zhì)變化:在表示目標(biāo)變化的圖像上，有些地方確系目標(biāo)變化區(qū)域，有些地方是由于輻射量的差異等外在非本質(zhì)因素引起的變化?？梢栽谧兓瘓D像上設(shè)置閾值，目視觀察，確定最佳閾值，將可能不屬于目標(biāo)本質(zhì)變化的像元過濾出去。

(4)違法建設(shè)工程識別子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要實現(xiàn)不同時相影像信息的目標(biāo)自動識別，影像信息和規(guī)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(shè)工程信息的登記等功能。

目標(biāo)自動識別:是結(jié)合不同遙感影像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，建立建設(shè)工程的自動識別規(guī)則。針對建設(shè)工程對象的特點(diǎn)，結(jié)合選擇的遙感影像，計算出監(jiān)測目標(biāo)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(shè)工程的自動識別模型。系統(tǒng)對這種模型的參數(shù)可以進(jìn)行修改更新，并可進(jìn)行模型刪除。

影像信息和規(guī)劃成果的對比分析:通過與規(guī)劃數(shù)據(jù)的比對分析，將有規(guī)劃審批手續(xù)和無規(guī)劃審批手續(xù)的進(jìn)行區(qū)別和分類。

行政核查:對圖像對比檢測出的差異圖斑進(jìn)行初審，將不屬于違法、違章違規(guī)情節(jié)較輕、非監(jiān)測重點(diǎn)、法律界限模糊等圖斑進(jìn)行剔除，對已達(dá)到明確監(jiān)測目標(biāo)的進(jìn)行標(biāo)識。

實地核查:建立PDA接口和GPS接口，針對行政審核明確的監(jiān)測目標(biāo)，根據(jù)實地監(jiān)察情況，導(dǎo)入實地核查信息，包括違法建設(shè)工程的位置信息及相關(guān)屬性信息，并把實地核查結(jié)果上報規(guī)劃行政主管部門進(jìn)行復(fù)審與處理。

(5)監(jiān)察成果發(fā)布子系統(tǒng)

監(jiān)察成果發(fā)布子系統(tǒng)主要實現(xiàn)監(jiān)察成果的發(fā)布和歸檔。包括用戶權(quán)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(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)涉及大量的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，需采用大型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。根據(jù)該項目設(shè)計要求，系統(tǒng)采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫+空間數(shù)據(jù)庫引擎的方式對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，基于成熟的大型地理信息軟件平臺并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的處理功能。對于非空間數(shù)據(jù)的查詢和處理可采用B/S模式，由瀏覽器通過Web服務(wù)器直接訪問數(shù)據(jù)庫而實現(xiàn)。

針對本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對于C/S模式下的子系統(tǒng)采用Oracle+ArcSDE+ArcEngine為軟件技術(shù)開發(fā)方案，利用C#語言進(jìn)行功能開發(fā)。對于B/S模式下的子系統(tǒng)采用MyElipse+Spring+Ibatis SqlMap+JSTL+JSP+Oracle為軟件開發(fā)技術(shù)方案，利用Java+JavaScript語言進(jìn)行功能開發(fā)。為了保證數(shù)據(jù)的安全性在硬件上將數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器分別部署在兩臺服務(wù)器上，通過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程及實現(xiàn)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、違法項目信息數(shù)據(jù)。其中，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)通過訪問勘測院基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫獲取;規(guī)劃數(shù)據(jù)取通過訪問規(guī)劃院規(guī)劃數(shù)據(jù)庫獲取取;項目數(shù)據(jù)分別由業(yè)務(wù)處室、各分局實時動態(tài)匯交，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理導(dǎo)入城市規(guī)劃監(jiān)測數(shù)據(jù)庫;違法項目信息數(shù)據(jù)由實地核查獲取并入庫。信息發(fā)布按照監(jiān)管職能分工，無規(guī)劃審批手續(xù)的項目信息轉(zhuǎn)發(fā)給城市綜合管理執(zhí)法局，有規(guī)劃審批手續(xù)的按行政區(qū)劃分發(fā)各規(guī)劃分局以及監(jiān)察大隊。系統(tǒng)運(yùn)行流程及實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行流程及實現(xiàn)圖

5 結(jié)語

遙感衛(wèi)星影像技術(shù)在土地利用、環(huán)境監(jiān)測、林業(yè)調(diào)查等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在城市規(guī)劃方面的應(yīng)用，由于對影像的分辨率要求高、周期短，而且需要大量規(guī)劃專題數(shù)據(jù)的支持，系統(tǒng)性的應(yīng)用案例并不是很多，本文結(jié)合西安市城市規(guī)劃違法監(jiān)察實際，提出了利用遙感影像來進(jìn)行規(guī)劃違法建設(shè)項目監(jiān)察的流程和方法，并綜合運(yùn)用GIS、MIS和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)建立一個可實現(xiàn)大范圍、可視化、短周期城市違法建設(shè)項目動態(tài)監(jiān)測的信息管理系統(tǒng)，可為城市快速發(fā)展期違法建設(shè)項目的監(jiān)管提供一種高效科學(xué)的技術(shù)手段。

該系統(tǒng)的建立僅是對城市違法建設(shè)項目監(jiān)管提供了一種技術(shù)手段，要充分發(fā)揮其效能，還需要一套行之有效的相關(guān)配套規(guī)定和制度。另外，該系統(tǒng)目前也主要是解決了如何快速發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)的問題，至于如何進(jìn)一步實現(xiàn)違法項目的后續(xù)糾正、動態(tài)跟蹤、長效監(jiān)察等還需要對該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的完善和升級。

［1］張周平，張春奎等.西安市城市規(guī)劃違法監(jiān)察信息管理系統(tǒng)設(shè)計書［R］.2011.

［2］趙書河.多源遙感影像融合技術(shù)與應(yīng)用［M］.南京:南京大學(xué)出版社，2008.

［3］漆小英，宴明星.多時相遙感數(shù)據(jù)在礦山擴(kuò)展動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)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(xué)，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(shè)與研究［J］.城市勘測，2012(2).