無人機違法建設綜合管理平臺設計與實現

摘" 要：文章對無人機違法建設綜合管理平臺進行設計與實現，以智能發現、全程處理跟蹤及統計決策為目標，構建無人機數據采集、識別比對、監測預警、決策分析的一體化系統。通過無人機高空自動監測手段，快速獲取城市重點區域的影像資料，借助特征提取及算法識別系統，智能對比不同時段影像數據，實現違法建設信息自動采集、智能識別分析、在線監測預警、統一管控治理。通過一圖展示的方式展現違法建設的總體統計、分布、處置率，形成違法建設云圖，為違法建設防控提供分析支撐，為城市相關主管部門提供安全、高效、集中的城市違法監管工作環境和輔助決策支持服務，為現代化城市發展提供更好的服務。

關鍵詞：違法建設；變化檢測；平臺設計

中圖分類號：TP311" " 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）10-0075-06

Design and Implementation of an UAV Illegal Construction Comprehensive Management Platform

GU Xiaoli， HUANG Rui， XU Yan， WANG Nianhong， ZHU Yong

（Yangzhou Polytechnic College， Yangzhou" 225009， China）

Abstract： It designs and implements an UAV illegal construction comprehensive management platform. Targeting intelligent discovery， full process tracking， and statistical decision-making， an integrated system for UAV data collection， identification and comparison， monitoring and early warning， and decision analysis is constructed. By using UAV high-altitude automatic monitoring methods， we can quickly obtain image data of key urban areas. With the help of feature extraction and algorithm recognition systems， we can intelligently compare image data from different time periods， achieve automatic collection of illegal construction information， intelligent identification and analysis， online monitoring and early warning， and unified management and control. Displaying the overall statistics， distribution， and disposal rate of illegal construction through a single chart， a cloud map of illegal construction is formed， providing analytical support for the prevention and control of illegal construction， providing a safe， efficient， and centralized urban illegal supervision work environment and auxiliary decision-making support services for relevant urban authorities， and providing better services for modern urban development.

Keywords： illegal construction; change detection; platform design

0" 引" 言

建筑物的變化情況是評價城鄉建成環境及建設發展的重要標志[1]，但違章建筑是影響城市發展的一大因素，不僅侵占安全通道和非法占用耕地，影響生態環境，并且破壞了城市規劃，不利于城市健康發展和城鄉規劃執行。違章建筑是目前中國城市發展中一個比較棘手的社會問題，當下以城市管理執法來解決為主要途徑[2]。國家拆除違章建筑意義重大，是優化人居環境、創建文明城市的迫切需要，拆除違章建筑提高了城市形象和城市面貌，強制規范了公民依法辦事行為。無人機智慧巡控平臺是采用無人機航拍技術，通過無人機高空自動監測手段，快速獲取城市重點區域的影像資料，借助研發特征提取及算法識別系統，智能對比不同時段前后影像數據，實現城市違法建設信息自動采集、智能識別分析、在線監測預警、統一管控治理[3]。無人機智慧巡控平臺可適用于違章建筑識別、違法建設用地巡查、河道違填發現、占道經營執法等多領域，對城市各類違法行為進行全方位監控治理，為城市違法管控架起“天空巡控之眼”，同時為政府以及相關部門提供決策信息、基礎性數據，對于提高城市發展質量、提升城市社會建設水平具有十分重要的意義[4]。

1" 變化檢測原理

過去依靠傳統人工開展違法建設執法巡查不僅耗費人力多、巡查周期長，而且巡查范圍、角度等受限，無法第一時間發現、消除違法建設。近10年來，人工智能技術飛速發展[5]。通過變化檢測，在不同時間觀察同一對象或現象來識別其狀態差異[6]。對于變化檢測來說，不發生變化的信息占主流，因此兩期遙感影像中同時含有大量的與實際地物一致的光譜與特征信息，利用計算機充分考慮影像的光譜、形狀、大小、紋理、上下文聯系等信息將遙感影像分割成一個個對象單元（即像素群），并以影像對象為單元進行變化信息的提取，這就是基于影像對象的變化檢測［7，8］。利用無人機遙感影像視域范圍廣、采集速度快、影像分辨率高等特點，對比不同時期相同區域建筑物變化情況，對新增建筑進行精準鎖定，并通過核實規劃竣工資料、采集現場照片等手段，快速排查發現新增疑似違法建設。

1.1" 變化檢測流程

變化檢測的流程包括變化檢測問題特征的確定、重要因素的分析、影像處理與目標物提取及數據精度評估，具體流程如圖1所示。

1.2" 變化誤差矩陣

利用變化誤差矩陣，定義沒有檢測誤差情況產生的變化像元為Ca，非變化像元為Cb，應用變化檢測方法得到變化像元為C0，非變化像元為C1，將檢測出的變化像元定義為Cad，檢測誤差產生的虛警變化像元為Cba，檢測誤差引起的漏警變化像元為Car [9]。根據變化檢測誤差矩陣中各項的定義，變化檢測的精度評價可以進行定量分析，變化檢測及見證數據關系如表1所示。檢測概率、虛警率及漏警率的計算方法如式（1）至式（3）。

檢測概率：

Pad = Cad / C0" " " " " " " " " " " " " "（1）

虛警率：

Pba = Cba / C0" " " " " " " " " " " " " "（2）

漏警率：

Par = Car / C0" " " " " " " " " " " " " " （3）

總的檢測誤差：

Pi = Pba / Par

表1" 變化檢測及見證數據關系

變化檢測數據 見證數據

實際變化像元Ca 實際非變化像元Cb

檢測出的變化像元C0 Cad Cba

檢測出的非變化像元C1 Car Cbr

1.3" 基于分割對象的變化檢測

特征分析與計算。選取DN值、灰度共生矩陣產生的局部平穩測度為對象的初始特征。利用OIF指數進行特征優選。遵循三點原則：

1）所選的波段組合表達的信息總量要盡可能大。

2）波段間的相關性要盡可能小。

3）波段組合要使地物之間最容易區分[9]。OIF指數的計算公式為：

應用OIF指數從所有可能波段的組合中分別找到基于光譜和紋理的最佳波段組合，得到的OIF指數為。

2" 平臺系統總體設計

2.1" 技術架構設計

無人機智慧巡控平臺基于互聯網、物聯網技術，以發現問題、解決問題、總結問題為核心理念，構建無人機數據采集、識別比對、監測預警、決策分析的一體化系統，為城市相關主管部門提供安全、高效、集中的城市違法監管工作環境和輔助決策支持服務，為現代化城市發展提供更好的服務，系統結構主要包括用戶層、視圖層、平臺層及數據處理層，如圖2所示。

2.2" 功能架構設計

無人機智慧巡控平臺按照行業統一標準，構建無人機數據采集、識別比對、監測預警、決策分析的一體化體系，系統功能結構圖如圖3所示。

2.3" 業務流程設計

無人機在日常巡視采集信息的基礎上，通過智能識別分析發現違法信息，通過完整的預警機制將預警信息推送給監管人員，通過線上和線下相結合的核查的方式，將處置任務下發給執法人員現場執法，執法人員進行執法活動后形成相關信息反饋至平臺，平臺通過綜合統計和決策分析，為城市相關主管部門提供輔助決策，全面形成城市違法信息智能發現、全程處置跟蹤、統計決策的閉環業務流程，業務流程圖如圖4所示。

3" 平臺功能設計及實現

平臺功能設計從管理功能和應用功能分別進行設計。管理功能包括系統管理，應用功能包括采集系統、對比系統、監測預警系統及大數據挖掘分析系統。平臺功能總體介紹如圖5所示。

3.1" 無人機數據采集系統

無人機數據采集系統可為用戶提供定制化的數據采集服務，對無人機采集影像信息進行接入和存儲。

3.1.1" 航線規劃

在進行無人機數據采集時，用戶只需要定義任務的區域范圍和數據提交的時間要求，系統將自動進行航線規劃，如圖6所示，無人機將會按照規劃路線進行任務采集。

3.1.2" 無人機影像采集

結合地塊信息，設定飛行覆蓋區域以及分辨率和重疊率，進行無人機自動航飛。全程可無人工遙控，通過地面站實時監測飛行參數和飛行狀態，如需修改飛行任務，可實時發送修改命令。

3.1.3" 數據回傳

無人機對航飛數據進行實時回傳，對獲取的影像第一時間進行檢查評估，結合姿態角等參數判斷是否需要調整無人機或進行復飛。

3.1.4" 影像處理

對外業航拍影像數據進行預處理、數據融合，并通過控制點對數據進行校正，生成帶位置與姿態信息的影像和后續處理工程文件。

空三加密主要包括測區數據準備與導入、同名像點匹配、像控點轉刺及平差計算。數據處理首先新建工程，導入原始影像、POS數據、相機文件及控制點文件，對影像同名點進行匹配，像控點進行轉刺，檢查像控點精度是否符合要求。進行空三加密，主要通過坐標系轉換的方法，利用內定向及相對定向將影像的框幅坐標系轉換到像空間坐標系，并以光束法作為平差模型，完成空三加密過程并按要求判斷空三成果精度。空三加密流程圖如圖7所示。

根據上述空三加密的成果，對DEM進行采集，包括密集點的匹配及DSM的生產，對編輯后的DEM進行質檢并生成DOM數據。

3.2" 智能識別比對系統

基于前期無人機航拍底圖數據，通過自主研發的特征提取算法可快速實現圖斑提取、自動比對和智能識別功能。

3.2.1" 圖斑提取

對無人機航拍影像進行預處理，通過自主研發的特征提取算法，采用面向對象的影像分類方法對建筑物進行信息提取，得到建筑的空間位置及結構特征。

3.2.2" 自動比對

對多時相影像數據進行處理并分析，提取出地表覆蓋變化情況，進而得到建筑物的變化影像圖，得到變化圖斑。變化圖斑自動識別對比圖如圖8所示。

3.2.3" 智能識別

智能識別是建立在影像分析基礎上的高級識別功能，可智能識別變化圖斑的坐標位置信息，并實現變化圖斑與坐標信息、采集時間等信息進行自動掛接匹配，并將發現的異常變化信息進行入庫追蹤。

3.3" 監測預警系統

在獲取變化圖斑后，基于監測預警處置系統，可實現地圖聯動預警、預警信息推送、疑似信息核查、事件跟蹤、智能生成報告、考核評價、GIS應用等全流程功能。

3.3.1" 地圖聯動

將對入庫的所有疑似違法信息進行全網實時監測，發現新信息后，將所有違建點位可視化展示，基于GIS、彈出窗口等多種方式展示預報警信息，可一目了然看到所有違建點位的分布情況，點擊每個點位可查看詳細信息。

3.3.2" 預警信息推送

將預警信息以多種終端方式智能推送相關人員，方便監管人員快速接受違法信息。

3.3.3" 信息核查

系統提供疑似信息核查功能，核查功能包括線上核查和線下現場核查。線上核查主要借助系統提供的時空分析功能、圖斑對比、卷簾查看等多模式進行核查。線下現場核查主要將疑似違法信息發送現場執法人員，涵蓋違法類別、地理位置、所屬轄區、取證時間等信息，執法人員獲取信息后進行現場核查。如果核查通過，則該疑似信息將通過上報功能發送給處置人員進行處置；如何核查不通過，該疑似違法信息的狀態可修改為作廢狀態。

3.3.4" 案卷跟蹤

案卷跟蹤主要是為用戶提供已發現信息、上報信息、結案信息、作廢信息的查詢、跟蹤功能。對于已經記錄或上報的違法項目，用戶可以通過篩選或列表查看定位到某條具體違建信息，點擊可以查看該條信息的基本情況。

如果該疑似違法信息有了新的進展，用戶可以將其進展情況進行新增上報，比如添加違法建筑拆后或利用的照片、用途等，還可以在備注欄添加相關情況的具體說明。

3.3.5" 生成報告

系統可以批量導出Excel格式的帶圖文信息的違法項目，導出時可以進行時間選擇，也可以選擇是否附帶相關違法信息照片等。智能生成的違法信息處置報告主要包括違法項目的總體統計情況，以及具體違法項目名稱、違法地點、所屬行政區劃、違法類型、取證時間、處置事件等信息項。

3.4" 大數據挖掘分析系統

遙感大數據的自動分析主要包含數據的表達、檢索和理解等方面[10]。針對前期發現的違法信息以及案件處置全流程信息的記錄，通過一圖展示的方式將整體違法查處點的分布情況、密度情況、違法處置狀態進展情況進行展示，并結合綜合統計分析、決策分析功能對執法信息進行深層次挖掘分析，為執法人員提供輔助決策支撐[11，12]。

3.4.1" 一圖展示

基于GIS地圖展示違法查處點的分布情況、密度情況、違法處置狀態進展情況，并可基于圖文一體化展示年度案件處置數、月度案件完成結案數、完成率等統計數據，方便領導一目了然看到整體執法處置的整體狀況。違法建設綜合管理平臺如圖9所示。

3.4.2" 綜合統計

通過基于違法信息存儲和信息查詢，針對違法處置項目，系統可以按照不同時間段、不同區劃、不同違法案件類型等統計維度，實現以圖形化或表格化的方式進行展示。

3.4.3" 決策分析

通過對違法信息的收集、統計分類和查詢分析，實現對違法信息數據的深層次挖掘、深層次的分析，為執法人員提供決策支持服務。具體如下：

1）違法案卷分析。系統支持違法案卷的發生時間、地點、類別，分析違法案件多發地段、多發時段等數據，輔助分析發生原因。

2）高發熱點分析。疑似違法高發熱點分析是通過對一定時期內違法案件的空間分布進行渲染分析，如圖10所示，從而判斷違法案件的高發區域，針對這一區域進行有針對性的執法力量安排。

3）發展趨勢分析。對違法案件進行地理空間分析和海量數據挖掘，提取內在時空分布、經濟、社會規律，提供時空分布規律信息和知識，結合模式識別技術，實現對違法趨勢的預測，提供最優決策支持。

4" 結" 論

采用無人機違法巡控平臺可對建設用地進實時行動態監測，結合無人機智慧巡控平臺具速度快、覆蓋范圍廣、效率高、靈活性、周期短的特點的優勢，可及時獲取全域違法用地的高分辨率影像圖，并快速進行影像變化檢測發現違法用地的面積以及位置，可為重點區域土地執法監察提供良好的數據源，讓違法用地疑似點一目了然，方便執法人員查看高清遙感圖片和導航定位，前往問題地點進行確認和處理，極大地減小了查違工作量，提高了違法用地執法質量和效率。

1）利用智能識別比對算法，可實現圖斑的自動提取和自動比對，可實現對各類影像數據進行非人工干涉的自動化預處理和建筑物圖斑的自動化提取，并利用空間分析進行矢量數據間要素變化的檢測，智能獲取變化圖斑，全面提高識別率和準確度。

2）借助海量數據存儲分析技術，可實現影像數據自動入庫，在進行自動化影像處理的同時，并快速高效建立影像金字塔，實現影像的有序存儲和高效查詢。

3）在進行建筑物提取以及建筑物變化比對后產生的矢量數據成果同樣進行自動化入庫管理，并將這些數據發布支持快速瀏覽（WMS）、在線查詢和編輯（WFS）的服務，實現數據的各系統、各部門共享。

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作者簡介：顧曉莉（1986—），女，漢族，江蘇徐州人，講師，碩士研究生，研究方向：遙感圖像信息提取及技術應用。