基于RS和GIS技术的城市违建治理动态监测研究与应用

黄蓉，綦春峰，赵云华

(1.青岛市西海岸基础地理信息中心有限公司，山东 青岛 266033； 2.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266000)

1 引 言

随着城市经济发展和规模扩张，城市违法建设问题逐渐凸显，严重制约城市的正常运行和发展，对城市规划和经济建设造成非常大的负面影响。城市违法建设查控治理工作，直接影响着城市建设和经济发展的战略目标的顺利实现，其主要内容包括违法建设监测、调查及查处等。目前，城市违法建设监测主要依靠全面巡查、重点调查和随机抽查等三种人工巡查方式，在一定程度上可以比较全面地查处城市用地的违法建设行为。为解决人工巡查中人员、经费和时间等局限问题，避免执法监测人员与违法单位的暗箱操作，迫切需要一种客观公正的方法，及时快速有效地打击违法建设用地的行为[1]。本文结合“美丽青岛”三年行动违建治理工作，探讨了RS技术和GIS技术在城市违建动态监测及违建治理工作中发挥的作用，形成了一套城市违建从快速发现到有效执法的动态监测管理模式。

2 技术路线

城市违建动态监测及治理的技术流程，主要包括对监测区多时相、多源遥感数据进行纠正配准融合等预处理，通过影像判读提取变化图斑，利用信息系统对变化图斑进行下发，然后经过外业核查，确定违建信息并建立违建信息数据库，执法部门通过信息系统对违法行为进行全过程留痕执法。技术流程如图1所示。

(1)数据源选取

采用高分辨率遥感影像资料对城市用地情况进行监测。数据源选择应考虑监测范围、监测精度及物候和影像成像条件[2]。物候和成像条件都会给变化信息带来很大的噪声，经过一些图像处理过程可以一定程度上减少这方面的噪声[3]。

图1 技术流程

(2)数据预处理

选择最佳波段组合，对数据进行预处理。动态监测过程中，非常重要的预处理过程是影像配准、大气校正和遥感图像增强处理。经过一系列的处理后，最后获得原始的城市影像底图[4]。

(3)变化图斑提取

对前后两个时期的卫星影像资料进行对比，以监测区为单位提取新增建设用地变化信息，根据规定要求表示变化图斑，建立图斑变化属性，并为外业核查提供信息。

(4)变化图斑推送

通过信息系统，将提取的变化图斑，按照任务责任区域，快速推送到核查人员的手机终端，核查人员接收任务后，对变化图斑进行外业核查。

(5)外业核查

在外业核查时需要确认遥感内业操作时的变化图斑是否为违法建设，通过移动终端填写核查信息，最终形成疑似违建信息数据库，结果提供给执法部门，作为执法的可靠基础资料和执法保障。

(6)违建执法治理

基于GIS开发违建治理信息系统，划分责任网格，明确执法范围，将疑似违建信息数据库，通过平台直接下发到执法人员手机终端，执法人员根据违建的具体位置，通过地理信息辅助，开展外业执法工作。

3 动态检测工作流程

3.1 基于ENVI的动态检测方法介绍

ENVI集成了部分动态检测方法，包括图像直接比较法、分类后比较法、PCA变换、Two-ColorMultiview、MNF变换法、ICA变换法、波谱角检测方法。当然还可以自定义方法。

ENVI5.1中变化检测工具放在ChangeDetection中，包括五个工具：

(1)ChangeDetection/ChangeDetectionDifference：使用图像直接比较法对两时相影像做差值或者比值运算，对差值或者比值结果划分为若干类。整合了一些预处理功能，如数据值归一化和单位的统一。

(2)ChangeDetection/ChangeDetectionStatistics：使用分类后比较法比较两时相影像分类结果，获得变化类型、面积、百分比等变化矩阵信息，同时可得到一个多波段的变化图像，每个波段表示一种土地类型的变化情况。

(3)SPEAR/SPEARChangeDetection：包括很多的变化监测方法和预处理功能。提供了四大类方法，包括Two-ColorMultiview、图像变换(PCA、MNF和ICA变换)、图像波段直接比较法和波谱角检测方法。

(4)ChangeDetection/ImageChangeWorkflow：包括很多的变化监测方法和预处理功能。主要有波段差值、特征差值、波谱角、PCA/MNF/ICA。

(5)ChangeDetection/ThematicChangeWorkflow：使用分类后比较法比较两时相影像分类结果，获得变化类型、面积、百分比等变化矩阵信息，同时可得到一个单波段的变化分类图像和变化矢量结果。

3.2 流程化动态检测工具

ENVI包含两个流程化的动态检测工具，集成了影像配准和变化信息发现过程等，分为直接比较法流程化工具ImageChangeWorkflow和分类后比较法流程化工具ThematicChangeWorkflow。本文主要运用直接比较法流程化工具ImageChangeWorkflow。

ImageChangeWorkflow工具可以检测两个时相影像中增加和减少两种变化信息，适合获取地表绝对变化信息。

第一步是启动ImageChangeWorkflow，选择两个时相的图像，做影像配准。

第二步是变化信息检测，包括图像差值法和图像变换法。其中，图像差值法又提供了三种方法：波段直接比较、特征指数比较和光谱角差异比较。本文以波段直接比较法为主。

第三步是变化信息提取，从变化信息检测结果中提取三种变化信息：增加(蓝色)和减少(红色)变化信息，增加(蓝色)变化信息，减少(红色)变化信息。

第四步是输出变化信息。

输出4种结果或格式：以图像格式输出变化结果、以矢量格式输出变化结果、变化统计文本文件、输出差值图像。

在ArcMap中查看变化监测结果，结合目视判读、GIS辅助分析等多种手段，对变化的图斑进行分析。如图2所示，为两幅影像中提取出的变化区域，半透明红色矢量块标示出了变化区域。

图2 变化检测结果

4 信息系统建设方法

基于GIS技术开发建设违建信息综合管理系统，通过信息系统辅助工作人员对影像动态监测提取的变化图斑进行有效快速的外业核查，初步确立疑似违建信息数据库[5]。系统建设主要包括责任网格划分(数据)、违建外业核查APP、违建外业执法APP、违建信息综合管理系统(Web端)。系统架构如图3所示。

图3 系统架构图

4.1 责任网格划分

建立违建整治三级网格责任制，违法建设治理责任网格按照“人员到网格、责任到网格、处置到网格、奖惩到网格、机制到网格”的原则，依托违建信息综合管理系统，按照地理区域和管辖范围划分管理网格，通过统一的监管、督查、调度中心，对违法建设进行标准化、数字化管理，建立及时发现、快速处置、限时办结的管理体系。通过落实三级责任网格划分明确责任和管辖区域，在网格划分上做到全覆盖、明界限、不留白、无交叉，基本消除以往‘三不管’地带的存在[6]。如图4所示责任网格划分及职责确定。

图4 三级责任网格划分

4.2 违建信息综合管理系统

违建信息综合管理系统，依托大数据支撑，打通网格层级间的沟通渠道。通过系统可实现对遥感影像动态监测发现的历史违建信息进行综合管理，可实现对违建治理过程全生命周期管理，可实现对执法人员日常巡查中发现的新增违建进行综合管理[7]。通过责任网格的划分，可以实现违建事件自动派遣至相应的执法人员手机终端，执法人员根据事件详细信息赴现场执法处置，实现“发现-处置”无缝衔接，大大简化违建治理的工作流程，并且通过全程留痕操作，实现违建治理全过程公开透明，系统界面如图5所示。

图5 系统界面图

违建自动派遣模型，如图6所示，根据违建事件的空间位置(X、Y坐标)，结合划分的精准责任网格，依托GIS空间分析技术，进行责任人的自动快速识别，依托流程化的派遣模型，自动派遣到责任人手机终端[8]。

图6 自动派遣模型

4.3 违建外业核查APP

如图7所示，违建外业核查APP主要功能是实现对遥感影像动态监测发现变化图斑进行快速的分发。外业工作人员根据责任范围接收核查任务，根据核查图斑的空间信息定位准确的任务位置，同时通过APP上报核查信息，确定疑似违建信息数据库。

图7 移动核查终端

(1)核查任务下发

通过违建信息综合管理系统，依托三级责任网格确定的责任，将动态监测发现的变化图斑，按照空间位置，精准地下发到外业核查APP终端。

(2)变化图斑外业核查核实

根据核查职责，通过外业核查APP，查看外业核查任务，在APP端根据图斑的地理位置，快速定位变化图斑，辅助核查人员进行有效的外业核查。

(3)核查信息快速上报

在APP端，核查人员可以针对核查情况，方便快速地填写核查信息，通过网络提交到违建综合管理系统中。

4.4 违建外业执法APP

如图8所示，违建外业执法APP主要面向执法人员使用。通过APP，执法人员可以快速接收违建处置任务；依托GIS技术，可以查看违建信息的具体位置，依托责任网格可以明确街道职责。在违建治理过程中，以历史遥感影像为执法依据，确认是否是新增违建还是历史遗留违建，为违建治理提供技术手段。

图8 移动执法终端

(1)违建信息接收

违建信息平台，自动派遣后，手机端根据登录权限，自动接收违建治理任务，以列表的方式展示所有待处理的违建事件，并可在移动端查看事件的具体信息，位置及现场照片。

(2)违建信息处置

违建治理现场，通过手机APP执法人员定位位置，现场拍摄违建照片，违建治理完成后，通过APP现场取证拍照，填写处置的意见，上传至信息综合管理系统中。

(3)领导督办

通过APP领导可随时查看所有的违建信息，可以查看违建的处置进度，处置过程。对重点违建项目可以随时进行督办，相关责任人及分管领导可以及时看到督办信息，进行及时处置。

5 结 语

利用高分辨率遥感影像进行城市违建治理动态监测，是目前监测违法建设较好的方法和有效途径，同时结合GIS技术，通过建立违法建设治理网格责任制和违建治理信息系统，为违建发现、治理、后续的长效监管等工作提供有力的技术支撑，为违建治理工作提供了新的思路，对城市健康有序地发展必将产生深远的影响。