基于RS和GIS技術(shù)的城市違建治理動態(tài)監(jiān)測研究與應(yīng)用

黃蓉，綦春峰，趙云華

(1.青島市西海岸基礎(chǔ)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(jīng)濟發(fā)展和規(guī)模擴張，城市違法建設(shè)問題逐漸凸顯，嚴(yán)重制約城市的正常運行和發(fā)展，對城市規(guī)劃和經(jīng)濟建設(shè)造成非常大的負面影響。城市違法建設(shè)查控治理工作，直接影響著城市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)的順利實現(xiàn)，其主要內(nèi)容包括違法建設(shè)監(jiān)測、調(diào)查及查處等。目前，城市違法建設(shè)監(jiān)測主要依靠全面巡查、重點調(diào)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(shè)行為。為解決人工巡查中人員、經(jīng)費和時間等局限問題，避免執(zhí)法監(jiān)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(shè)用地的行為[1]。本文結(jié)合“美麗青島”三年行動違建治理工作，探討了RS技術(shù)和GIS技術(shù)在城市違建動態(tài)監(jiān)測及違建治理工作中發(fā)揮的作用，形成了一套城市違建從快速發(fā)現(xiàn)到有效執(zhí)法的動態(tài)監(jiān)測管理模式。

2 技術(shù)路線

城市違建動態(tài)監(jiān)測及治理的技術(shù)流程，主要包括對監(jiān)測區(qū)多時相、多源遙感數(shù)據(jù)進行糾正配準(zhǔn)融合等預(yù)處理，通過影像判讀提取變化圖斑，利用信息系統(tǒng)對變化圖斑進行下發(fā)，然后經(jīng)過外業(yè)核查，確定違建信息并建立違建信息數(shù)據(jù)庫，執(zhí)法部門通過信息系統(tǒng)對違法行為進行全過程留痕執(zhí)法。技術(shù)流程如圖1所示。

(1)數(shù)據(jù)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(jiān)測。數(shù)據(jù)源選擇應(yīng)考慮監(jiān)測范圍、監(jiān)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(jīng)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(shù)流程

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理

選擇最佳波段組合，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。動態(tài)監(jiān)測過程中，非常重要的預(yù)處理過程是影像配準(zhǔn)、大氣校正和遙感圖像增強處理。經(jīng)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(wèi)星影像資料進行對比，以監(jiān)測區(qū)為單位提取新增建設(shè)用地變化信息，根據(jù)規(guī)定要求表示變化圖斑，建立圖斑變化屬性，并為外業(yè)核查提供信息。

(4)變化圖斑推送

通過信息系統(tǒng)，將提取的變化圖斑，按照任務(wù)責(zé)任區(qū)域，快速推送到核查人員的手機終端，核查人員接收任務(wù)后，對變化圖斑進行外業(yè)核查。

(5)外業(yè)核查

在外業(yè)核查時需要確認(rèn)遙感內(nèi)業(yè)操作時的變化圖斑是否為違法建設(shè)，通過移動終端填寫核查信息，最終形成疑似違建信息數(shù)據(jù)庫，結(jié)果提供給執(zhí)法部門，作為執(zhí)法的可靠基礎(chǔ)資料和執(zhí)法保障。

(6)違建執(zhí)法治理

基于GIS開發(fā)違建治理信息系統(tǒng)，劃分責(zé)任網(wǎng)格，明確執(zhí)法范圍，將疑似違建信息數(shù)據(jù)庫，通過平臺直接下發(fā)到執(zhí)法人員手機終端，執(zhí)法人員根據(jù)違建的具體位置，通過地理信息輔助，開展外業(yè)執(zhí)法工作。

3 動態(tài)檢測工作流程

3.1 基于ENVI的動態(tài)檢測方法介紹

ENVI集成了部分動態(tài)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(dāng)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(jié)果劃分為若干類。整合了一些預(yù)處理功能，如數(shù)據(jù)值歸一化和單位的統(tǒng)一。

(2)ChangeDetection/ChangeDetectionStatistics：使用分類后比較法比較兩時相影像分類結(jié)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(jiān)測方法和預(yù)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(jiān)測方法和預(yù)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(jié)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(jié)果。

3.2 流程化動態(tài)檢測工具

ENVI包含兩個流程化的動態(tài)檢測工具，集成了影像配準(zhǔn)和變化信息發(fā)現(xiàn)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(zhǔn)。

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(shù)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(jié)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(jié)果或格式：以圖像格式輸出變化結(jié)果、以矢量格式輸出變化結(jié)果、變化統(tǒng)計文本文件、輸出差值圖像。

在ArcMap中查看變化監(jiān)測結(jié)果，結(jié)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(qū)域，半透明紅色矢量塊標(biāo)示出了變化區(qū)域。

圖2 變化檢測結(jié)果

4 信息系統(tǒng)建設(shè)方法

基于GIS技術(shù)開發(fā)建設(shè)違建信息綜合管理系統(tǒng)，通過信息系統(tǒng)輔助工作人員對影像動態(tài)監(jiān)測提取的變化圖斑進行有效快速的外業(yè)核查，初步確立疑似違建信息數(shù)據(jù)庫[5]。系統(tǒng)建設(shè)主要包括責(zé)任網(wǎng)格劃分(數(shù)據(jù))、違建外業(yè)核查APP、違建外業(yè)執(zhí)法APP、違建信息綜合管理系統(tǒng)(Web端)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.1 責(zé)任網(wǎng)格劃分

建立違建整治三級網(wǎng)格責(zé)任制，違法建設(shè)治理責(zé)任網(wǎng)格按照“人員到網(wǎng)格、責(zé)任到網(wǎng)格、處置到網(wǎng)格、獎懲到網(wǎng)格、機制到網(wǎng)格”的原則，依托違建信息綜合管理系統(tǒng)，按照地理區(qū)域和管轄范圍劃分管理網(wǎng)格，通過統(tǒng)一的監(jiān)管、督查、調(diào)度中心，對違法建設(shè)進行標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化管理，建立及時發(fā)現(xiàn)、快速處置、限時辦結(jié)的管理體系。通過落實三級責(zé)任網(wǎng)格劃分明確責(zé)任和管轄區(qū)域，在網(wǎng)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(zé)任網(wǎng)格劃分及職責(zé)確定。

圖4 三級責(zé)任網(wǎng)格劃分

4.2 違建信息綜合管理系統(tǒng)

違建信息綜合管理系統(tǒng)，依托大數(shù)據(jù)支撐，打通網(wǎng)格層級間的溝通渠道。通過系統(tǒng)可實現(xiàn)對遙感影像動態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的歷史違建信息進行綜合管理，可實現(xiàn)對違建治理過程全生命周期管理，可實現(xiàn)對執(zhí)法人員日常巡查中發(fā)現(xiàn)的新增違建進行綜合管理[7]。通過責(zé)任網(wǎng)格的劃分，可以實現(xiàn)違建事件自動派遣至相應(yīng)的執(zhí)法人員手機終端，執(zhí)法人員根據(jù)事件詳細信息赴現(xiàn)場執(zhí)法處置，實現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)-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(xiàn)違建治理全過程公開透明，系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面圖

違建自動派遣模型，如圖6所示，根據(jù)違建事件的空間位置(X、Y坐標(biāo))，結(jié)合劃分的精準(zhǔn)責(zé)任網(wǎng)格，依托GIS空間分析技術(shù)，進行責(zé)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(zé)任人手機終端[8]。

圖6 自動派遣模型

4.3 違建外業(yè)核查APP

如圖7所示，違建外業(yè)核查APP主要功能是實現(xiàn)對遙感影像動態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)變化圖斑進行快速的分發(fā)。外業(yè)工作人員根據(jù)責(zé)任范圍接收核查任務(wù)，根據(jù)核查圖斑的空間信息定位準(zhǔn)確的任務(wù)位置，同時通過APP上報核查信息，確定疑似違建信息數(shù)據(jù)庫。

圖7 移動核查終端

(1)核查任務(wù)下發(fā)

通過違建信息綜合管理系統(tǒng)，依托三級責(zé)任網(wǎng)格確定的責(zé)任，將動態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的變化圖斑，按照空間位置，精準(zhǔn)地下發(fā)到外業(yè)核查APP終端。

(2)變化圖斑外業(yè)核查核實

根據(jù)核查職責(zé)，通過外業(yè)核查APP，查看外業(yè)核查任務(wù)，在APP端根據(jù)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(yè)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(wǎng)絡(luò)提交到違建綜合管理系統(tǒng)中。

4.4 違建外業(yè)執(zhí)法APP

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

圖8 移動執(zhí)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(jù)登錄權(quán)限，自動接收違建治理任務(wù)，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(xiàn)場照片。

(2)違建信息處置

違建治理現(xiàn)場，通過手機APP執(zhí)法人員定位位置，現(xiàn)場拍攝違建照片，違建治理完成后，通過APP現(xiàn)場取證拍照，填寫處置的意見，上傳至信息綜合管理系統(tǒng)中。

(3)領(lǐng)導(dǎo)督辦

通過APP領(lǐng)導(dǎo)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(guān)責(zé)任人及分管領(lǐng)導(dǎo)可以及時看到督辦信息，進行及時處置。

5 結(jié) 語

利用高分辨率遙感影像進行城市違建治理動態(tài)監(jiān)測，是目前監(jiān)測違法建設(shè)較好的方法和有效途徑，同時結(jié)合GIS技術(shù)，通過建立違法建設(shè)治理網(wǎng)格責(zé)任制和違建治理信息系統(tǒng)，為違建發(fā)現(xiàn)、治理、后續(xù)的長效監(jiān)管等工作提供有力的技術(shù)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(fā)展必將產(chǎn)生深遠的影響。