城市查违控违工作智能监管平台的设计与实现

田鹏，彭清山，何伟，张义明，卢丹丹，宋东亚，石淼

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

1 引 言

查违控违工作是城市综合管理中的一项重要内容，是创建文明城市、卫生城市、提升市民幸福指数的重要抓手。长期以来，查违控违工作都面临着巨大的困难和挑战，主要包括：①违建现象分散、排查力量有限。面对全市域疑似违建排查，存在着量大面广的难题，单靠巡查人员进行人工排查强度太大，并且排查周期漫长。②违建隐蔽性强，查辨认定困难。违法建筑物往往混迹于合法建筑物、历史建筑物或者巡查人员难以到达现场的区域，给发现和甄别带来很大的难度。③案件数量庞大，信息更新滞后。查违控违案件的数量庞大，同时涉及市、区、街道三级城市管理职能部门的阶段办理，容易存在信息滞后更新不及时的情况。④违建复发性高，后期监管不力。对于重点监测的违建高发区域或核心保护区域，缺乏长期行之有效的监管手段。

为深入贯彻落实城市综合管理工作的统一部署，深入推进智慧城管和科技查违控违工作，在提升居民生活质量和满意度的同时减少各类违法建设案件投诉量，城市查违控违工作智能监管平台的建设势在必行。

2 科技助力城市查违控违工作

结合“互联网+”时代下的新机遇，当前遥感影像+AI识别技术、倾斜实景三维、视频流全景、BPM流程管理等先进技术日渐成熟且已陆续应用在各大中城市建设管理中。如何改变群众举报和人工巡查等“人眼看”的传统查违发现方式，变被动为主动，利用卫星、无人机、全景采集车等先进设备和BPM流程管理方法，经济、高效、全面地推动查违控违管理工作，实现对违法建设案件从发现、查处、督办、考核、大数据分析、工作绩效评价等方面进行了全方位地监管，是本文研究的目标。

3 平台总体设计

3.1 总体框架

平台采用B/S架构和分层体系，各层之间相对独立，从下往上互相依赖，从数据、基础功能到应用。层中各功能和业务应用以组件的方式进行设计和开发，使层内各功能耦合度达到最小。

从逻辑上来说，系统分为五层：运行环境层、数据库层、接口层、应用系统层、客户端层。如图1所示：

运行环境层：主要为网络链路、网络设备、服务器、存储、安全等基础设施。

数据库层：是由各类查违控违数据的关系数据库构成，包括查违控违工作智能监管平台的各种业务数据与对接共享数据，主要有城市基础地形框架数据、查违控违专题数据、业务数据和物联感知数据等。

接口层：利用组件接口，通过空间数据引擎，负责数据库系统业务逻辑的实现，如空间数据的存取、交换、表现和操作等。

应用系统层：包括查违控违工作智能监管平台的各类功能模块。

客户端层：平台提供PC端(含大屏调度版)和移动App两类访问方式。

图1 总体框架图

3.2 技术路线设计

系统在.Net框架下，采用基于SOA的B/S结构搭建，集成GIS技术、Web Service技术、Ajax技术、Js脚本技术，在Microsoft Visual Studio 2019开发环境下用HTML/JS/C#开发语言开发。GIS平台使用ArcGIS Server 10.5，调用ArcGIS Server API for JavaScript实现系统中地图访问和GIS相关功能；使用频率较高的应用分析功能，系统使用Web Service方式完成。平台以XML作为中间数据交换格式，以实现数据的共享，为信息的接收、处理、发布提供及时、高效的信息和技术服务支撑。数据库平台采用SQL SERVER 2019，系统调用.NET框架下读取SQL SERVER数据库的客户端插件完成数据的读取和写入。

3.3 数据库设计

查违控违工作智能监管平台的数据建库包括基础数据、专题数据、业务数据和物联感知数据四大类，具体如表1所示。

数据总表 表1

3.4 功能设计

查违控违工作智能监管平台根据业务管理的需求，在以上数据库的基础上进行功能设计，整体功能结构包含违建发现模块、案件查处模块、绩效评价模块、系统管理等4个模块，如图2所示。

图2 系统功能结构图

4 关键技术

4.1 “天眼看”——周期性卫片变化检测锁定疑似违建区域

随着卫星遥感技术的发展，遥感图像的地面分辨率不断提高，城市建筑物变化检测作为高分辨率遥感图像变化检测的一个主要应用领域，在城市规划和管理方面发挥了极其重要的作用。传统的遥感图像建筑物检测方法一般是基于图像差值、图像比值、主成分分析或分类后比较等方法，这类方法都是基于像元的操作，不仅准确度和精度都难以达到要求，而且算法过于耗时且需要烦琐的人工干预。近年来，深度学习在自然影像目标检测、语音识别、人脸识别等领域得到了广泛应用，并取得了巨大的成功。深度学习(Deep Learning)可以从原始数据中自动学习深度特征，从而适应遥感影像变化检测的不同情况，避免了传统方法的许多缺点。

平台采用Mask R-CNN卷积神经网络进行高质量的图像语义分割，提取出建筑物，然后利用两期遥感卫片的检测结果进行自动比较分析，从而发现变化的位置，有从无到有和从有到无的变化，还包括建筑“长高”和“变胖”的细微变化，流程如图3所示。该技术能快速锁定疑似违法建筑位置，形成疑似案件图斑上传至监管平台，再推送给现场执法人员进行现场核实办理；也可对办理中和已办结的拆违案件进行拆违过程跟踪和拆违效果认定。该技术可成为查违控违工作的有效依据，确保工作实施的快速化、透明化、客观化和精准化。

图3 卫片变化监测算法流程图

4.2 “线上判”——真三维倾斜摄影模型全方位展示拆违区域

真三维倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，凭借其高精真的数据特点，已广泛应用于智慧城市空间信息服务相关领域。它打破了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从1个垂直、4个倾斜等5个不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。倾斜摄影三维模型为实景模型，地表附着物构筑物等相互关系十分精确，且表面纹理颜色等均与实际情况一致。通过对实景模型的浏览，可以方便地了解整个测区范围情况，对整个地面地物形成直观印象。倾斜摄影三维模型精度较高，模型分辨率可优于 0.05 m，且可直接基于模型进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等量测。

结合查违控违工作的实际需求，真三维倾斜摄影模型很好地弥补了二维地图在空间表达上的不足，能对疑似违法建筑或拆违工作区域进行全方位的三维表达，办案人员足不出户就能在线对违法案件进行确认和核查。此外真三维倾斜摄影模型也作为历史案件追溯的工具，客观翔实地反映历史真实情景和变迁情况，真正做到有迹可循。

图4 真三维倾斜摄影模型采集示意图

4.3 “重点查”——全景视频流快速提取重点道路沿线的违建信息

HiScan-VUX三维激光移动测量车系统是一种国内先进的测绘设备。该系统能在车辆高速移动过程中，快速获取高精度定位定姿数据、高密度三维点云和高清全景视频流数据。全景视频流数据区别于一般电子地图，它是将全景视频流数据与空间位置进行配准，不仅具有360°全景浏览的特点，而且每帧图像都具有精确的空间特征。全景视频流数据的浏览不需要特殊的软硬件支持，家用电脑均可流畅浏览，对于网络推广没有任何技术阻碍。全景视频流还具有3D虚拟现实特性的场景漫游，观看者可以用鼠标拖动，仿真摄像机摇镜头的特技，这种人机的互动给人以进入虚拟环境的感觉。

将全景视频流技术运用到查违控违工作中，重点探查道路沿线的违法建设情况，不仅排查道路两侧的建筑情况，也将绿化、环卫、城市亮化照明灯等公共设施作为违建认定的辅助要素。该技术的数据获取方便、成果自动化程度高，跟踪治理效果明显，对城市重点主次干道进行周期性的视频“巡查”，能显著地提升拆违监督保障工作水平。

图5 全景视频流效果图

4.4 “实时管”——BPM流程管理平台全面掌握拆违案件办理信息

BPM流程管理平台是国际上一种以规范化的构造端卓越业务流程为中心，以持续提高组织业务绩效为目的的系统化方法，能够快速调整优化工作流程，显著提升工作效率。

通过在查违控违工作中引入BPM平台，构建市、区、街道三级部门组织体系，通过流畅的信息化交互模块进行快速地查违控违任务分发和案件信息实时跟踪，对案件办理过程绩效进行系统化管理，通过大数据分析，利用形象的图形图表及时、鲜明地展示违建信息、违建状态、处理状况、行政区及街道分布等信息，同时根据定位信息，把重要的信息推送给所属区域责任人，力争把违法建设在萌芽或早期状态进行有效控制，或及时进行制止，全方位提高案件办理效率。BPM平台还可实现查违控违数据分区分时统计，各类型案件热力图，查违控违监控视频浏览，多期卫片比对成果分析等操作，通过移动端App可对查违控违现场进行核查取证并上传现场照片、文字材料等数据，让查违控违执法更加实时、准确和高效。

5 系统主要功能模块

5.1 违建发现模块，研制了科技查违控违技术方法

面对查违控违发现工作中“违建现象分散，排查力量有限”的难题，项目在周期性采集和生产遥感影像、实景三维模型、全景视频流等监测数据的基础上，配套研制自动提取建筑物和变化检测等AI算法，对不同期建筑信息进行变化比对，结合各类规划审批信息和人工判读，快速分析和锁定疑似违法建筑的点位信息，如图6～图8所示。

图6 遥感影像建筑变化检测结果图

图7 实景三维模型建筑变化检测结果图

图8 全景视频流监测效果图

5.2 案件查处模块，构建了查违控违业务数据中心

面对案件查处管理工作中“拆违数据多源，信息融合不畅”的难题，项目建立了完整科学的查控违业务数据中心，包括不同时期的线划地图、影像地图、街景地图、实景三维地图、全景视频流地图、地名地址等地理空间数据；案件点位、变化监测图斑等查控违空间专题数据；查控违案件信息、拆违督办单信息、绩效考核信息等查控违业务专题数据。平台建立了一套完整的数据共建共享体系，可向市、区、街道三级相关职能部门提供标准化接口的空间信息共享服务。

5.3 绩效评价模块，制定了查违控违工作考核制度

面对查违控违考核工作中“查违工作周期长，考核机制不健全”的难题，平台引入大数据分析模块，主要对违法建设处数、建筑面积、区域、类型、性质等进行全面的数据分析，同时建立奖扣分和部门排名等绩效考核评判机制，客观评价市、区、街道三级相关职能部门的查违控违工作。该制度保障了拆违工作的稳步推进，为制定查违控违计划、完善查违控违机制等提供了制度支撑。

6 结 语

本文给出的一套查违控违工作智能监管平台的建设方案，是基于城市查违控违工作的业务管理需要，实现对查违控违工作的违建发现、案件查处、绩效评价三个方面的信息一体化管理。违建发现模块充分利用卫星遥感、实景三维、人工智能和全景视频流等新技术，变被动为主动地快速发现疑似违法建筑，是科技查违控违的最新成果。案件查处模块实现了案件办理流程精细化、自动化，极大提高了工作效率。绩效考核模块保证了平台数据的现势性，通过考核排名推动相关职能部门的工作，通过制度保障拆违工作稳步推进。

平台极大提升了城市查违控违工作的“科学性、多样性、客观性和便捷性”，在提升居民生活质量和满意度的同时减少各类违法建设案件投诉量，并为“智慧城市”“文明城市”等建设打下了基础。