城市查違控違工作智能監管平臺的設計與實現

田鵬，彭清山，何偉，張義明，盧丹丹，宋東亞，石淼

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

查違控違工作是城市綜合管理中的一項重要內容，是創建文明城市、衛生城市、提升市民幸福指數的重要抓手。長期以來，查違控違工作都面臨著巨大的困難和挑戰，主要包括：①違建現象分散、排查力量有限。面對全市域疑似違建排查，存在著量大面廣的難題，單靠巡查人員進行人工排查強度太大，并且排查周期漫長。②違建隱蔽性強，查辨認定困難。違法建筑物往往混跡于合法建筑物、歷史建筑物或者巡查人員難以到達現場的區域，給發現和甄別帶來很大的難度。③案件數量龐大，信息更新滯后。查違控違案件的數量龐大，同時涉及市、區、街道三級城市管理職能部門的階段辦理，容易存在信息滯后更新不及時的情況。④違建復發性高，后期監管不力。對于重點監測的違建高發區域或核心保護區域，缺乏長期行之有效的監管手段。

為深入貫徹落實城市綜合管理工作的統一部署，深入推進智慧城管和科技查違控違工作，在提升居民生活質量和滿意度的同時減少各類違法建設案件投訴量，城市查違控違工作智能監管平臺的建設勢在必行。

2 科技助力城市查違控違工作

結合“互聯網+”時代下的新機遇，當前遙感影像+AI識別技術、傾斜實景三維、視頻流全景、BPM流程管理等先進技術日漸成熟且已陸續應用在各大中城市建設管理中。如何改變群眾舉報和人工巡查等“人眼看”的傳統查違發現方式，變被動為主動，利用衛星、無人機、全景采集車等先進設備和BPM流程管理方法，經濟、高效、全面地推動查違控違管理工作，實現對違法建設案件從發現、查處、督辦、考核、大數據分析、工作績效評價等方面進行了全方位地監管，是本文研究的目標。

3 平臺總體設計

3.1 總體框架

平臺采用B/S架構和分層體系，各層之間相對獨立，從下往上互相依賴，從數據、基礎功能到應用。層中各功能和業務應用以組件的方式進行設計和開發，使層內各功能耦合度達到最小。

從邏輯上來說，系統分為五層：運行環境層、數據庫層、接口層、應用系統層、客戶端層。如圖1所示：

運行環境層：主要為網絡鏈路、網絡設備、服務器、存儲、安全等基礎設施。

數據庫層：是由各類查違控違數據的關系數據庫構成，包括查違控違工作智能監管平臺的各種業務數據與對接共享數據，主要有城市基礎地形框架數據、查違控違專題數據、業務數據和物聯感知數據等。

接口層：利用組件接口，通過空間數據引擎，負責數據庫系統業務邏輯的實現，如空間數據的存取、交換、表現和操作等。

應用系統層：包括查違控違工作智能監管平臺的各類功能模塊。

客戶端層：平臺提供PC端(含大屏調度版)和移動App兩類訪問方式。

圖1 總體框架圖

3.2 技術路線設計

系統在.Net框架下，采用基于SOA的B/S結構搭建，集成GIS技術、Web Service技術、Ajax技術、Js腳本技術，在Microsoft Visual Studio 2019開發環境下用HTML/JS/C#開發語言開發。GIS平臺使用ArcGIS Server 10.5，調用ArcGIS Server API for JavaScript實現系統中地圖訪問和GIS相關功能；使用頻率較高的應用分析功能，系統使用Web Service方式完成。平臺以XML作為中間數據交換格式，以實現數據的共享，為信息的接收、處理、發布提供及時、高效的信息和技術服務支撐。數據庫平臺采用SQL SERVER 2019，系統調用.NET框架下讀取SQL SERVER數據庫的客戶端插件完成數據的讀取和寫入。

3.3 數據庫設計

查違控違工作智能監管平臺的數據建庫包括基礎數據、專題數據、業務數據和物聯感知數據四大類，具體如表1所示。

數據總表 表1

3.4 功能設計

查違控違工作智能監管平臺根據業務管理的需求，在以上數據庫的基礎上進行功能設計，整體功能結構包含違建發現模塊、案件查處模塊、績效評價模塊、系統管理等4個模塊，如圖2所示。

圖2 系統功能結構圖

4 關鍵技術

4.1 “天眼看”——周期性衛片變化檢測鎖定疑似違建區域

隨著衛星遙感技術的發展，遙感圖像的地面分辨率不斷提高，城市建筑物變化檢測作為高分辨率遙感圖像變化檢測的一個主要應用領域，在城市規劃和管理方面發揮了極其重要的作用。傳統的遙感圖像建筑物檢測方法一般是基于圖像差值、圖像比值、主成分分析或分類后比較等方法，這類方法都是基于像元的操作，不僅準確度和精度都難以達到要求，而且算法過于耗時且需要煩瑣的人工干預。近年來，深度學習在自然影像目標檢測、語音識別、人臉識別等領域得到了廣泛應用，并取得了巨大的成功。深度學習(Deep Learning)可以從原始數據中自動學習深度特征，從而適應遙感影像變化檢測的不同情況，避免了傳統方法的許多缺點。

平臺采用Mask R-CNN卷積神經網絡進行高質量的圖像語義分割，提取出建筑物，然后利用兩期遙感衛片的檢測結果進行自動比較分析，從而發現變化的位置，有從無到有和從有到無的變化，還包括建筑“長高”和“變胖”的細微變化，流程如圖3所示。該技術能快速鎖定疑似違法建筑位置，形成疑似案件圖斑上傳至監管平臺，再推送給現場執法人員進行現場核實辦理；也可對辦理中和已辦結的拆違案件進行拆違過程跟蹤和拆違效果認定。該技術可成為查違控違工作的有效依據，確保工作實施的快速化、透明化、客觀化和精準化。

圖3 衛片變化監測算法流程圖

4.2 “線上判”——真三維傾斜攝影模型全方位展示拆違區域

真三維傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發展起來的一項高新技術，憑借其高精真的數據特點，已廣泛應用于智慧城市空間信息服務相關領域。它打破了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜等5個不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。傾斜攝影三維模型為實景模型，地表附著物構筑物等相互關系十分精確，且表面紋理顏色等均與實際情況一致。通過對實景模型的瀏覽，可以方便地了解整個測區范圍情況，對整個地面地物形成直觀印象。傾斜攝影三維模型精度較高，模型分辨率可優于 0.05 m，且可直接基于模型進行包括高度、長度、面積、角度、坡度等量測。

結合查違控違工作的實際需求，真三維傾斜攝影模型很好地彌補了二維地圖在空間表達上的不足，能對疑似違法建筑或拆違工作區域進行全方位的三維表達，辦案人員足不出戶就能在線對違法案件進行確認和核查。此外真三維傾斜攝影模型也作為歷史案件追溯的工具，客觀翔實地反映歷史真實情景和變遷情況，真正做到有跡可循。

圖4 真三維傾斜攝影模型采集示意圖

4.3 “重點查”——全景視頻流快速提取重點道路沿線的違建信息

HiScan-VUX三維激光移動測量車系統是一種國內先進的測繪設備。該系統能在車輛高速移動過程中，快速獲取高精度定位定姿數據、高密度三維點云和高清全景視頻流數據。全景視頻流數據區別于一般電子地圖，它是將全景視頻流數據與空間位置進行配準，不僅具有360°全景瀏覽的特點，而且每幀圖像都具有精確的空間特征。全景視頻流數據的瀏覽不需要特殊的軟硬件支持，家用電腦均可流暢瀏覽，對于網絡推廣沒有任何技術阻礙。全景視頻流還具有3D虛擬現實特性的場景漫游，觀看者可以用鼠標拖動，仿真攝像機搖鏡頭的特技，這種人機的互動給人以進入虛擬環境的感覺。

將全景視頻流技術運用到查違控違工作中，重點探查道路沿線的違法建設情況，不僅排查道路兩側的建筑情況，也將綠化、環衛、城市亮化照明燈等公共設施作為違建認定的輔助要素。該技術的數據獲取方便、成果自動化程度高，跟蹤治理效果明顯，對城市重點主次干道進行周期性的視頻“巡查”，能顯著地提升拆違監督保障工作水平。

圖5 全景視頻流效果圖

4.4 “實時管”——BPM流程管理平臺全面掌握拆違案件辦理信息

BPM流程管理平臺是國際上一種以規范化的構造端卓越業務流程為中心，以持續提高組織業務績效為目的的系統化方法，能夠快速調整優化工作流程，顯著提升工作效率。

通過在查違控違工作中引入BPM平臺，構建市、區、街道三級部門組織體系，通過流暢的信息化交互模塊進行快速地查違控違任務分發和案件信息實時跟蹤，對案件辦理過程績效進行系統化管理，通過大數據分析，利用形象的圖形圖表及時、鮮明地展示違建信息、違建狀態、處理狀況、行政區及街道分布等信息，同時根據定位信息，把重要的信息推送給所屬區域責任人，力爭把違法建設在萌芽或早期狀態進行有效控制，或及時進行制止，全方位提高案件辦理效率。BPM平臺還可實現查違控違數據分區分時統計，各類型案件熱力圖，查違控違監控視頻瀏覽，多期衛片比對成果分析等操作，通過移動端App可對查違控違現場進行核查取證并上傳現場照片、文字材料等數據，讓查違控違執法更加實時、準確和高效。

5 系統主要功能模塊

5.1 違建發現模塊，研制了科技查違控違技術方法

面對查違控違發現工作中“違建現象分散，排查力量有限”的難題，項目在周期性采集和生產遙感影像、實景三維模型、全景視頻流等監測數據的基礎上，配套研制自動提取建筑物和變化檢測等AI算法，對不同期建筑信息進行變化比對，結合各類規劃審批信息和人工判讀，快速分析和鎖定疑似違法建筑的點位信息，如圖6～圖8所示。

圖6 遙感影像建筑變化檢測結果圖

圖7 實景三維模型建筑變化檢測結果圖

圖8 全景視頻流監測效果圖

5.2 案件查處模塊，構建了查違控違業務數據中心

面對案件查處管理工作中“拆違數據多源，信息融合不暢”的難題，項目建立了完整科學的查控違業務數據中心，包括不同時期的線劃地圖、影像地圖、街景地圖、實景三維地圖、全景視頻流地圖、地名地址等地理空間數據；案件點位、變化監測圖斑等查控違空間專題數據；查控違案件信息、拆違督辦單信息、績效考核信息等查控違業務專題數據。平臺建立了一套完整的數據共建共享體系，可向市、區、街道三級相關職能部門提供標準化接口的空間信息共享服務。

5.3 績效評價模塊，制定了查違控違工作考核制度

面對查違控違考核工作中“查違工作周期長，考核機制不健全”的難題，平臺引入大數據分析模塊，主要對違法建設處數、建筑面積、區域、類型、性質等進行全面的數據分析，同時建立獎扣分和部門排名等績效考核評判機制，客觀評價市、區、街道三級相關職能部門的查違控違工作。該制度保障了拆違工作的穩步推進，為制定查違控違計劃、完善查違控違機制等提供了制度支撐。

6 結 語

本文給出的一套查違控違工作智能監管平臺的建設方案，是基于城市查違控違工作的業務管理需要，實現對查違控違工作的違建發現、案件查處、績效評價三個方面的信息一體化管理。違建發現模塊充分利用衛星遙感、實景三維、人工智能和全景視頻流等新技術，變被動為主動地快速發現疑似違法建筑，是科技查違控違的最新成果。案件查處模塊實現了案件辦理流程精細化、自動化，極大提高了工作效率?？冃Э己四K保證了平臺數據的現勢性，通過考核排名推動相關職能部門的工作，通過制度保障拆違工作穩步推進。

平臺極大提升了城市查違控違工作的“科學性、多樣性、客觀性和便捷性”，在提升居民生活質量和滿意度的同時減少各類違法建設案件投訴量，并為“智慧城市”“文明城市”等建設打下了基礎。