基于GIS与遥感的违章建筑管理系统设计与实现

发布时间：2020-05-09所属分类：管理论文浏览：1次

摘 要： 摘要:针对城市管理中违章建筑的监测管理难题，本文设计研发了基于GIS与遥感影像的违建智能分析系统。通过不同时期城市定点区域遥感数据的对比分析，同时结合GIS的城市地理空间分析计算与综合处理能力，实现了违章建筑的持续变化监测和查询，可为城市管理部门

　　摘要:针对城市管理中违章建筑的监测管理难题，本文设计研发了基于GIS与遥感影像的违建智能分析系统。通过不同时期城市定点区域遥感数据的对比分析，同时结合GIS的城市地理空间分析计算与综合处理能力，实现了违章建筑的持续变化监测和查询，可为城市管理部门提供决策支撑。

　　关键词:城市管理;违章监测;GIS分析

　　0引言

　　随着国家城镇化进程的加快，城市作为政治、经济和文化的中心，在国民经济和社会发展中发挥着重要的作用[1]。在城市规模不断扩张的过程中，土地管理漏洞逐渐凸显，各式各样的违法、违章设施层出不穷，违法抢建、违法插建的行为屡禁不止。违章建筑最大的特征是它的存在或始建过程的违法、违规和违章，界定标准主要包括3个方面的内容:规模、时间以及地域上的范围界定[2]。违章建筑侵占公共资源，损害了公民利益，制约着城市经济发展和社会进步，是阻碍城市发展的桎梏。常规手段主要依靠市民举报和人工巡查发现，确认过程还要与城市规划部门进行沟通，往来的信息发聩机制致使拆违工作暴露种种问题，严重影响违章建筑的发现与处置效率，能够及早发现违规、违法建筑，并对其开展有效的拆除监控对城市管理部门具有重要意义。近年来，GIS与遥感技术获得了快速的发展并广泛应用于各个领域，以GIS工具为基础，高分遥感影像作为系统底图，再集成城市地理空间信息数据成为众多城市开展地理信息数据库建设的相似模式[3]。多源的基础数据积累也为城市管理中违章建筑监测与处置提供了有效的数据基础支撑。

　　本文从城市管理角度出发，研究了GIS技术与高分遥感数据结合在违章建筑监测和管理中的流程与系统功能设计，并结合实际应用开发违规、违法建筑监测和管理系统，力图为城市违章建筑分析管理提供解决方案。

　　1系统总体架构设计

　　系统采用面向服务的SOA架构技术，基于GIS与MIS技术实现违法、违规建筑物分析管理系统的建设。以分层设计理念，从逻辑结构角度将系统总体分为4层，即支撑层、数据层、服务层、应用层，实现不同层次之间的相互独立与连接，保证系统具有高效的可用性、稳定性与扩展性[4]。总体架构如图1所示。

　　1)支撑层。通过对存储、计算、网络及安全等硬件设施的虚拟化部署，构建可实现统一管理、按需分配的硬件资源池和网络资源池，可通过虚拟化资源配置分配相应资源，通过“云终端”按需获取动态资源及虚拟计算资源。

　　2)数据层。通过城市基础地理信息数据、规划审批数据、已有违章建筑案件数据、卫星遥感数据等多源异构数据的接入、整合分析，建立索引目录，并与违章建筑案件文本资料进行关联，为应用服务提供数据支撑。

　　3)服务层。主要包括为系统提供业务流转、数据交换、表单索引、GIS服务于目录服务的平台服务引擎，以及提供业务服务的公共组件和数据管理相关组件。由数据共享与交换技术为上层应用提供二维GIS空间信息展示、影像分析、数据处理等功能。

　　4)应用层。为城市违建管理提供具体行业应用。包括违建信息的直观展示、基础数据管理、拆违进度跟踪与结合时空分布、经济与发展规律的辅助决策服务及常规巡查相结合的违章建筑识别分析服务。

　　2违建分析流程与关键技术

　　本文将遥感影像与城市地理空间信息结合，辅以规划数据、审批数据对城市违章建筑进行精细化监测和管理。

　　2.1违建分析流程

　　违章建筑的分析流程以不同时期的多时相高分遥感影像为输入，经过原始影像数据的拼接、矫正等处理方式进行精细加工处理，根据影像数据源的处理精细程度，选择合适的方法对同一个地区相邻两个不同时期的影像进行配准，分析变化区域并在影像图上进行变化图斑的标记，再结合城市地理空间信息和GIS的空间分析能力，建立疑似违章建筑的案件数据，交由城市管理执法人员进行现场核实，对最终核实为违章建筑的案件进行立案处置，对核实不通过的疑似违建案件进行结案处理。分析流程如图2所示。图2违章建筑分析工作流程Fig.2Illegalbuildinganalysisworkflow

　　2.2违建分析关键技术

　　同一区域不同时间段的遥感影像通常被称为多时相影像，多时相影像会因影像获取过程中的光源反射、云层变化和传输误差等因素引起较大误差，所以在变化检测之前要对原始影像数据进行辐射校正、几何校正及配准等预处理，而遥感影像的配准精度会影响到最终的分析结果精度。

　　2.2.1遥感影像的精确配准

　　通过对不同时间段、不同环境条件下的同一区域场景的两幅以上影像数据进行匹配和对应，即为影像的配准过程[5]。原始遥感影像会因获取条件的不同，每景影像会存在角度、尺度、范围的偏转和位移，如果不对这些误差进行消除，会进一步将这些误差引入分析结果，导致检测过程不能完整执行。因此，需要将不同时间段影像中的同一坐标位置表示的地理位置进行绝对对应，通常使用基于特征点或特征线的方法，建立参考影像的控制点，由控制点信息将两幅及以上影像数据进行几何配准，确保不同影像的重叠范围内具有严格的几何对应关系。

　　2.2.2多时相遥感影像的变化分析

　　多时相遥感影像的差异分析主要通过地表物体的光谱特征差异和空间结构差异变化分析来识别违章建筑物，对大部分地表物体，光谱的差异特征是用于判断是否发生变化的主要依据。基于光谱差异特征的原理实现对地表建筑物体变化监测，是目前最广泛应用的方法。

　　遥感影像经过几何精确配准后，影像之间能够形成在一定误差范围内的配准，但为了进一步消除几何配准带来的误差，系统采用基于最小二乘法的像素级偏差校正，通过对影像窗口内对应的同一幅范围像素的灰度数据，运用最小二乘法迭代运算出影像中地物像素相关系数的最大值，得出两幅影像的最佳匹配点，并依据相关系数判断影像间像素级的变化情况，进一步消除几何配准引入的误差，并提升差异分析结果的精确度;在经过像素级的校正后，对像素级变化范围进行提取，以此为基础根据对范围内的特征物进行分析提取，确定范围内地物的变化特征;最后由大量数据积累形成的特征滤波算法对特殊天气或者特殊光照条件下形成的错误分析图斑进行清除，最终形成精确的变化目标图像。

　　2.2.3基于GIS的地理空间分析

　　由影像处理分析形成的矢量变化图斑数据，结合区域审批数据、规划数据、已立案的违建图斑数据、地形图等数据，借助GIS的多源数据分析能力和空间分析能力，对提取的变化图斑进行进一步的对比、判断、剔除处理，最终形成疑似违章建筑图斑，对应基础地理信息，提取疑似违章建筑图斑的经纬度坐标，通过与地形图相结合，生成带有城市位置信息的疑似违章案件。

　　3系统的设计与实现

　　系统主要为城市违章建筑监测与管理提供应用服务，同时也可通过结合GIS，实现城市空间角度的区域变化监测分析。系统可作为当前智慧城市建设中智慧城管的行业系统，提升城市管理执法部门对封闭小区与高层建筑物顶层违章建筑的监测管理能力，提高执法效率。

　　3.1系统设计

　　按照影像数据处理和拆违业务流程，将系统分为遥感影像数据管理、影像分析与变化检测、违建信息管理与查询、辅助违建处理等4个模块，并在每个模块下细分具体功能项。

　　1)遥感影像数据管理。此模块主要完成城市区域高分影像数据、规划信息数据、审批信息数据与区域空间地理信息数据的获取和地上建筑物识别、管理，并通过多幅原始遥感影像的格式转换、图像增强、配准与校准镶嵌处理，最终按照行政区划进行分区域裁剪，形成系统能够快速分析的区域影像数据，对数据建立索引目录，并提供所有数据的添加、修改、删除等基础功能。

　　2)影像分析与变化检测。该模块通过对更新的区域影像数据进行自动识别，以更新区域上一个时间段的影像为基础影像，叠加更新影像数据开展自动变化分析检测，分析形成变化图斑数据，再通过规划数据、审批数据、违建案件数据的叠加，筛选出该时间段内新增的疑似违章建筑图斑。

　　3)违建信息管理与查询。对分析出的疑似违章建筑图斑数据，结合GIS空间地理信息数据，形成附带位置信息的疑似违章建筑案件，发送至巡检人员进行现场确认，最终根据巡检人员反馈的确认结果进行案件的立案，对立案的违章建筑案件会通过系统接口发送至执法部门，待拆违结束以后反馈最终处置结果，形成对违章建筑案件的全周期管理。该模块还提供案件的智能搜索与分类统计功能，实现实时过程的不同角度统计查看。

　　4)辅助违建处理。通过现场反馈确认的违章建筑案件，结合GIS的空间分析能力，实现对违章建筑修筑、扩建及变化形态进行空间分析展示，并可对反复出现的违建行为进行动态监管，提供辅助预判分析。

　　3.2系统实现

　　系统在主流GIS软件ArcGISEngine和ArcGISServer平台基础上开发，单节点支持百量级用户并发访问与操作，通过GIS数据库与Oracle11g数据库的结合使用，充分保证系统数据的海量存储、高效访问与安全稳定。

　　4结束语

　　本文通过多时相遥感数据与GIS的技术结合，设计并实现了对城市区域违章建筑监测与管理的信息系统。该系统针对当前城市越来越多的建筑物顶层违法、违规建筑与封闭小区的私搭乱建设施具有更优的管理效果，丰富城市管理相关部门的智能查违手段，提升管理部门工作效率，同时也是智慧城管以及智慧城市建设的重要组成部分。

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