城市查違控違工作智能監(jiān)管平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

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(nèi)容，是創(chuàng)建文明城市、衛(wèi)生城市、提升市民幸福指數(shù)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(zhàn)，主要包括：①違建現(xiàn)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(rèn)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(xiàn)場的區(qū)域，給發(fā)現(xiàn)和甄別帶來很大的難度。③案件數(shù)量龐大，信息更新滯后。查違控違案件的數(shù)量龐大，同時涉及市、區(qū)、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(fù)發(fā)性高，后期監(jiān)管不力。對于重點監(jiān)測的違建高發(fā)區(qū)域或核心保護區(qū)域，缺乏長期行之有效的監(jiān)管手段。

為深入貫徹落實城市綜合管理工作的統(tǒng)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(zhì)量和滿意度的同時減少各類違法建設(shè)案件投訴量，城市查違控違工作智能監(jiān)管平臺的建設(shè)勢在必行。

2 科技助力城市查違控違工作

結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下的新機遇，當(dāng)前遙感影像+AI識別技術(shù)、傾斜實景三維、視頻流全景、BPM流程管理等先進技術(shù)日漸成熟且已陸續(xù)應(yīng)用在各大中城市建設(shè)管理中。如何改變?nèi)罕娕e報和人工巡查等“人眼看”的傳統(tǒng)查違發(fā)現(xiàn)方式，變被動為主動，利用衛(wèi)星、無人機、全景采集車等先進設(shè)備和BPM流程管理方法，經(jīng)濟、高效、全面地推動查違控違管理工作，實現(xiàn)對違法建設(shè)案件從發(fā)現(xiàn)、查處、督辦、考核、大數(shù)據(jù)分析、工作績效評價等方面進行了全方位地監(jiān)管，是本文研究的目標(biāo)。

3 平臺總體設(shè)計

3.1 總體框架

平臺采用B/S架構(gòu)和分層體系，各層之間相對獨立，從下往上互相依賴，從數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)功能到應(yīng)用。層中各功能和業(yè)務(wù)應(yīng)用以組件的方式進行設(shè)計和開發(fā)，使層內(nèi)各功能耦合度達到最小。

從邏輯上來說，系統(tǒng)分為五層：運行環(huán)境層、數(shù)據(jù)庫層、接口層、應(yīng)用系統(tǒng)層、客戶端層。如圖1所示：

運行環(huán)境層：主要為網(wǎng)絡(luò)鏈路、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、存儲、安全等基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)據(jù)庫層：是由各類查違控違數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，包括查違控違工作智能監(jiān)管平臺的各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與對接共享數(shù)據(jù)，主要有城市基礎(chǔ)地形框架數(shù)據(jù)、查違控違專題數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)等。

接口層：利用組件接口，通過空間數(shù)據(jù)引擎，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)，如空間數(shù)據(jù)的存取、交換、表現(xiàn)和操作等。

應(yīng)用系統(tǒng)層：包括查違控違工作智能監(jiān)管平臺的各類功能模塊。

客戶端層：平臺提供PC端(含大屏調(diào)度版)和移動App兩類訪問方式。

圖1 總體框架圖

3.2 技術(shù)路線設(shè)計

系統(tǒng)在.Net框架下，采用基于SOA的B/S結(jié)構(gòu)搭建，集成GIS技術(shù)、Web Service技術(shù)、Ajax技術(shù)、Js腳本技術(shù)，在Microsoft Visual Studio 2019開發(fā)環(huán)境下用HTML/JS/C#開發(fā)語言開發(fā)。GIS平臺使用ArcGIS Server 10.5，調(diào)用ArcGIS Server API for JavaScript實現(xiàn)系統(tǒng)中地圖訪問和GIS相關(guān)功能；使用頻率較高的應(yīng)用分析功能，系統(tǒng)使用Web Service方式完成。平臺以XML作為中間數(shù)據(jù)交換格式，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，為信息的接收、處理、發(fā)布提供及時、高效的信息和技術(shù)服務(wù)支撐。數(shù)據(jù)庫平臺采用SQL SERVER 2019，系統(tǒng)調(diào)用.NET框架下讀取SQL SERVER數(shù)據(jù)庫的客戶端插件完成數(shù)據(jù)的讀取和寫入。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

查違控違工作智能監(jiān)管平臺的數(shù)據(jù)建庫包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)四大類，具體如表1所示。

數(shù)據(jù)總表 表1

3.4 功能設(shè)計

查違控違工作智能監(jiān)管平臺根據(jù)業(yè)務(wù)管理的需求，在以上數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上進行功能設(shè)計，整體功能結(jié)構(gòu)包含違建發(fā)現(xiàn)模塊、案件查處模塊、績效評價模塊、系統(tǒng)管理等4個模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 “天眼看”——周期性衛(wèi)片變化檢測鎖定疑似違建區(qū)域

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)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(yīng)用領(lǐng)域，在城市規(guī)劃和管理方面發(fā)揮了極其重要的作用。傳統(tǒng)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(zhǔn)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(yù)。近年來，深度學(xué)習(xí)在自然影像目標(biāo)檢測、語音識別、人臉識別等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并取得了巨大的成功。深度學(xué)習(xí)(Deep Learning)可以從原始數(shù)據(jù)中自動學(xué)習(xí)深度特征，從而適應(yīng)遙感影像變化檢測的不同情況，避免了傳統(tǒng)方法的許多缺點。

平臺采用Mask R-CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行高質(zhì)量的圖像語義分割，提取出建筑物，然后利用兩期遙感衛(wèi)片的檢測結(jié)果進行自動比較分析，從而發(fā)現(xiàn)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(xì)微變化，流程如圖3所示。該技術(shù)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(jiān)管平臺，再推送給現(xiàn)場執(zhí)法人員進行現(xiàn)場核實辦理；也可對辦理中和已辦結(jié)的拆違案件進行拆違過程跟蹤和拆違效果認(rèn)定。該技術(shù)可成為查違控違工作的有效依據(jù)，確保工作實施的快速化、透明化、客觀化和精準(zhǔn)化。

圖3 衛(wèi)片變化監(jiān)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(qū)域

真三維傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，憑借其高精真的數(shù)據(jù)特點，已廣泛應(yīng)用于智慧城市空間信息服務(wù)相關(guān)領(lǐng)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(zhǔn)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(gòu)筑物等相互關(guān)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(qū)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(yōu)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(jié)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(qū)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(rèn)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(tǒng)是一種國內(nèi)先進的測繪設(shè)備。該系統(tǒng)能在車輛高速移動過程中，快速獲取高精度定位定姿數(shù)據(jù)、高密度三維點云和高清全景視頻流數(shù)據(jù)。全景視頻流數(shù)據(jù)區(qū)別于一般電子地圖，它是將全景視頻流數(shù)據(jù)與空間位置進行配準(zhǔn)，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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)推廣沒有任何技術(shù)阻礙。全景視頻流還具有3D虛擬現(xiàn)實特性的場景漫游，觀看者可以用鼠標(biāo)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(huán)境的感覺。

將全景視頻流技術(shù)運用到查違控違工作中，重點探查道路沿線的違法建設(shè)情況，不僅排查道路兩側(cè)的建筑情況，也將綠化、環(huán)衛(wèi)、城市亮化照明燈等公共設(shè)施作為違建認(rèn)定的輔助要素。該技術(shù)的數(shù)據(jù)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(jiān)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(guī)范化的構(gòu)造端卓越業(yè)務(wù)流程為中心，以持續(xù)提高組織業(yè)務(wù)績效為目的的系統(tǒng)化方法，能夠快速調(diào)整優(yōu)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(gòu)建市、區(qū)、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(wù)分發(fā)和案件信息實時跟蹤，對案件辦理過程績效進行系統(tǒng)化管理，通過大數(shù)據(jù)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(tài)、處理狀況、行政區(qū)及街道分布等信息，同時根據(jù)定位信息，把重要的信息推送給所屬區(qū)域責(zé)任人，力爭把違法建設(shè)在萌芽或早期狀態(tài)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(xiàn)查違控違數(shù)據(jù)分區(qū)分時統(tǒng)計，各類型案件熱力圖，查違控違監(jiān)控視頻瀏覽，多期衛(wèi)片比對成果分析等操作，通過移動端App可對查違控違現(xiàn)場進行核查取證并上傳現(xiàn)場照片、文字材料等數(shù)據(jù)，讓查違控違執(zhí)法更加實時、準(zhǔn)確和高效。

5 系統(tǒng)主要功能模塊

5.1 違建發(fā)現(xiàn)模塊，研制了科技查違控違技術(shù)方法

面對查違控違發(fā)現(xiàn)工作中“違建現(xiàn)象分散，排查力量有限”的難題，項目在周期性采集和生產(chǎn)遙感影像、實景三維模型、全景視頻流等監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)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(jié)合各類規(guī)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(jié)果圖

圖7 實景三維模型建筑變化檢測結(jié)果圖

圖8 全景視頻流監(jiān)測效果圖

5.2 案件查處模塊，構(gòu)建了查違控違業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心

面對案件查處管理工作中“拆違數(shù)據(jù)多源，信息融合不暢”的難題，項目建立了完整科學(xué)的查控違業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；案件點位、變化監(jiān)測圖斑等查控違空間專題數(shù)據(jù)；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(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)。平臺建立了一套完整的數(shù)據(jù)共建共享體系，可向市、區(qū)、街道三級相關(guān)職能部門提供標(biāo)準(zhǔn)化接口的空間信息共享服務(wù)。

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(shù)據(jù)分析模塊，主要對違法建設(shè)處數(shù)、建筑面積、區(qū)域、類型、性質(zhì)等進行全面的數(shù)據(jù)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(qū)、街道三級相關(guān)職能部門的查違控違工作。該制度保障了拆違工作的穩(wěn)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(jié) 語

本文給出的一套查違控違工作智能監(jiān)管平臺的建設(shè)方案，是基于城市查違控違工作的業(yè)務(wù)管理需要，實現(xiàn)對查違控違工作的違建發(fā)現(xiàn)、案件查處、績效評價三個方面的信息一體化管理。違建發(fā)現(xiàn)模塊充分利用衛(wèi)星遙感、實景三維、人工智能和全景視頻流等新技術(shù)，變被動為主動地快速發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了案件辦理流程精細(xì)化、自動化，極大提高了工作效率?？冃Э己四K保證了平臺數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，通過考核排名推動相關(guān)職能部門的工作，通過制度保障拆違工作穩(wěn)步推進。

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