摘" 要：文章对无人机违法建设综合管理平台进行设计与实现，以智能发现、全程处理跟踪及统计决策为目标，构建无人机数据采集、识别比对、监测预警、决策分析的一体化系统。通过无人机高空自动监测手段，快速获取城市重点区域的影像资料，借助特征提取及算法识别系统，智能对比不同时段影像数据，实现违法建设信息自动采集、智能识别分析、在线监测预警、统一管控治理。通过一图展示的方式展现违法建设的总体统计、分布、处置率，形成违法建设云图，为违法建设防控提供分析支撑，为城市相关主管部门提供安全、高效、集中的城市违法监管工作环境和辅助决策支持服务，为现代化城市发展提供更好的服务。
关键词：违法建设；变化检测；平台设计
中图分类号：TP311" " 文献标识码：A" 文章编号：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
建筑物的变化情况是评价城乡建成环境及建设发展的重要标志[1]，但违章建筑是影响城市发展的一大因素，不仅侵占安全通道和非法占用耕地，影响生态环境，并且破坏了城市规划，不利于城市健康发展和城乡规划执行。违章建筑是目前中国城市发展中一个比较棘手的社会问题，当下以城市管理执法来解决为主要途径[2]。国家拆除违章建筑意义重大，是优化人居环境、创建文明城市的迫切需要，拆除违章建筑提高了城市形象和城市面貌，强制规范了公民依法办事行为。无人机智慧巡控平台是采用无人机航拍技术，通过无人机高空自动监测手段，快速获取城市重点区域的影像资料，借助研发特征提取及算法识别系统，智能对比不同时段前后影像数据，实现城市违法建设信息自动采集、智能识别分析、在线监测预警、统一管控治理[3]。无人机智慧巡控平台可适用于违章建筑识别、违法建设用地巡查、河道违填发现、占道经营执法等多领域，对城市各类违法行为进行全方位监控治理，为城市违法管控架起“天空巡控之眼”，同时为政府以及相关部门提供决策信息、基础性数据，对于提高城市发展质量、提升城市社会建设水平具有十分重要的意义[4]。
1" 变化检测原理
过去依靠传统人工开展违法建设执法巡查不仅耗费人力多、巡查周期长，而且巡查范围、角度等受限，无法第一时间发现、消除违法建设。近10年来，人工智能技术飞速发展[5]。通过变化检测，在不同时间观察同一对象或现象来识别其状态差异[6]。对于变化检测来说，不发生变化的信息占主流，因此两期遥感影像中同时含有大量的与实际地物一致的光谱与特征信息，利用计算机充分考虑影像的光谱、形状、大小、纹理、上下文联系等信息将遥感影像分割成一个个对象单元（即像素群），并以影像对象为单元进行变化信息的提取，这就是基于影像对象的变化检测［7，8］。利用无人机遥感影像视域范围广、采集速度快、影像分辨率高等特点，对比不同时期相同区域建筑物变化情况，对新增建筑进行精准锁定，并通过核实规划竣工资料、采集现场照片等手段，快速排查发现新增疑似违法建设。
1.1" 变化检测流程
变化检测的流程包括变化检测问题特征的确定、重要因素的分析、影像处理与目标物提取及数据精度评估，具体流程如图1所示。
1.2" 变化误差矩阵
利用变化误差矩阵，定义没有检测误差情况产生的变化像元为Ca，非变化像元为Cb，应用变化检测方法得到变化像元为C0，非变化像元为C1，将检测出的变化像元定义为Cad，检测误差产生的虚警变化像元为Cba，检测误差引起的漏警变化像元为Car [9]。根据变化检测误差矩阵中各项的定义，变化检测的精度评价可以进行定量分析，变化检测及见证数据关系如表1所示。检测概率、虚警率及漏警率的计算方法如式（1）至式（3）。
检测概率：
Pad = Cad / C0" " " " " " " " " " " " " "（1）
虚警率：
Pba = Cba / C0" " " " " " " " " " " " " "（2）
漏警率：
Par = Car / C0" " " " " " " " " " " " " " （3）
总的检测误差：
Pi = Pba / Par
表1" 变化检测及见证数据关系
变化检测数据 见证数据
实际变化像元Ca 实际非变化像元Cb
检测出的变化像元C0 Cad Cba
检测出的非变化像元C1 Car Cbr
1.3" 基于分割对象的变化检测
特征分析与计算。选取DN值、灰度共生矩阵产生的局部平稳测度为对象的初始特征。利用OIF指数进行特征优选。遵循三点原则：
1）所选的波段组合表达的信息总量要尽可能大。
2）波段间的相关性要尽可能小。
3）波段组合要使地物之间最容易区分[9]。OIF指数的计算公式为：
应用OIF指数从所有可能波段的组合中分别找到基于光谱和纹理的最佳波段组合，得到的OIF指数为。
2" 平台系统总体设计
2.1" 技术架构设计
无人机智慧巡控平台基于互联网、物联网技术，以发现问题、解决问题、总结问题为核心理念，构建无人机数据采集、识别比对、监测预警、决策分析的一体化系统，为城市相关主管部门提供安全、高效、集中的城市违法监管工作环境和辅助决策支持服务，为现代化城市发展提供更好的服务，系统结构主要包括用户层、视图层、平台层及数据处理层，如图2所示。
2.2" 功能架构设计
无人机智慧巡控平台按照行业统一标准，构建无人机数据采集、识别比对、监测预警、决策分析的一体化体系，系统功能结构图如图3所示。
2.3" 业务流程设计
无人机在日常巡视采集信息的基础上，通过智能识别分析发现违法信息，通过完整的预警机制将预警信息推送给监管人员，通过线上和线下相结合的核查的方式，将处置任务下发给执法人员现场执法，执法人员进行执法活动后形成相关信息反馈至平台，平台通过综合统计和决策分析，为城市相关主管部门提供辅助决策，全面形成城市违法信息智能发现、全程处置跟踪、统计决策的闭环业务流程，业务流程图如图4所示。
3" 平台功能设计及实现
平台功能设计从管理功能和应用功能分别进行设计。管理功能包括系统管理，应用功能包括采集系统、对比系统、监测预警系统及大数据挖掘分析系统。平台功能总体介绍如图5所示。
3.1" 无人机数据采集系统
无人机数据采集系统可为用户提供定制化的数据采集服务，对无人机采集影像信息进行接入和存储。
3.1.1" 航线规划
在进行无人机数据采集时，用户只需要定义任务的区域范围和数据提交的时间要求，系统将自动进行航线规划，如图6所示，无人机将会按照规划路线进行任务采集。
3.1.2" 无人机影像采集
结合地块信息，设定飞行覆盖区域以及分辨率和重叠率，进行无人机自动航飞。全程可无人工遥控，通过地面站实时监测飞行参数和飞行状态，如需修改飞行任务，可实时发送修改命令。
3.1.3" 数据回传
无人机对航飞数据进行实时回传，对获取的影像第一时间进行检查评估，结合姿态角等参数判断是否需要调整无人机或进行复飞。
3.1.4" 影像处理
对外业航拍影像数据进行预处理、数据融合，并通过控制点对数据进行校正，生成带位置与姿态信息的影像和后续处理工程文件。
空三加密主要包括测区数据准备与导入、同名像点匹配、像控点转刺及平差计算。数据处理首先新建工程，导入原始影像、POS数据、相机文件及控制点文件，对影像同名点进行匹配，像控点进行转刺，检查像控点精度是否符合要求。进行空三加密，主要通过坐标系转换的方法，利用内定向及相对定向将影像的框幅坐标系转换到像空间坐标系，并以光束法作为平差模型，完成空三加密过程并按要求判断空三成果精度。空三加密流程图如图7所示。
根据上述空三加密的成果，对DEM进行采集，包括密集点的匹配及DSM的生产，对编辑后的DEM进行质检并生成DOM数据。
3.2" 智能识别比对系统
基于前期无人机航拍底图数据，通过自主研发的特征提取算法可快速实现图斑提取、自动比对和智能识别功能。
3.2.1" 图斑提取
对无人机航拍影像进行预处理，通过自主研发的特征提取算法，采用面向对象的影像分类方法对建筑物进行信息提取，得到建筑的空间位置及结构特征。
3.2.2" 自动比对
对多时相影像数据进行处理并分析，提取出地表覆盖变化情况，进而得到建筑物的变化影像图，得到变化图斑。变化图斑自动识别对比图如图8所示。
3.2.3" 智能识别
智能识别是建立在影像分析基础上的高级识别功能，可智能识别变化图斑的坐标位置信息，并实现变化图斑与坐标信息、采集时间等信息进行自动挂接匹配，并将发现的异常变化信息进行入库追踪。
3.3" 监测预警系统
在获取变化图斑后，基于监测预警处置系统，可实现地图联动预警、预警信息推送、疑似信息核查、事件跟踪、智能生成报告、考核评价、GIS应用等全流程功能。
3.3.1" 地图联动
将对入库的所有疑似违法信息进行全网实时监测，发现新信息后，将所有违建点位可视化展示，基于GIS、弹出窗口等多种方式展示预报警信息，可一目了然看到所有违建点位的分布情况，点击每个点位可查看详细信息。
3.3.2" 预警信息推送
将预警信息以多种终端方式智能推送相关人员，方便监管人员快速接受违法信息。
3.3.3" 信息核查
系统提供疑似信息核查功能，核查功能包括线上核查和线下现场核查。线上核查主要借助系统提供的时空分析功能、图斑对比、卷帘查看等多模式进行核查。线下现场核查主要将疑似违法信息发送现场执法人员，涵盖违法类别、地理位置、所属辖区、取证时间等信息，执法人员获取信息后进行现场核查。如果核查通过，则该疑似信息将通过上报功能发送给处置人员进行处置；如何核查不通过，该疑似违法信息的状态可修改为作废状态。
3.3.4" 案卷跟踪
案卷跟踪主要是为用户提供已发现信息、上报信息、结案信息、作废信息的查询、跟踪功能。对于已经记录或上报的违法项目，用户可以通过筛选或列表查看定位到某条具体违建信息，点击可以查看该条信息的基本情况。
如果该疑似违法信息有了新的进展，用户可以将其进展情况进行新增上报，比如添加违法建筑拆后或利用的照片、用途等，还可以在备注栏添加相关情况的具体说明。
3.3.5" 生成报告
系统可以批量导出Excel格式的带图文信息的违法项目，导出时可以进行时间选择，也可以选择是否附带相关违法信息照片等。智能生成的违法信息处置报告主要包括违法项目的总体统计情况，以及具体违法项目名称、违法地点、所属行政区划、违法类型、取证时间、处置事件等信息项。
3.4" 大数据挖掘分析系统
遥感大数据的自动分析主要包含数据的表达、检索和理解等方面[10]。针对前期发现的违法信息以及案件处置全流程信息的记录，通过一图展示的方式将整体违法查处点的分布情况、密度情况、违法处置状态进展情况进行展示，并结合综合统计分析、决策分析功能对执法信息进行深层次挖掘分析，为执法人员提供辅助决策支撑[11，12]。
3.4.1" 一图展示
基于GIS地图展示违法查处点的分布情况、密度情况、违法处置状态进展情况，并可基于图文一体化展示年度案件处置数、月度案件完成结案数、完成率等统计数据，方便领导一目了然看到整体执法处置的整体状况。违法建设综合管理平台如图9所示。
3.4.2" 综合统计
通过基于违法信息存储和信息查询，针对违法处置项目，系统可以按照不同时间段、不同区划、不同违法案件类型等统计维度，实现以图形化或表格化的方式进行展示。
3.4.3" 决策分析
通过对违法信息的收集、统计分类和查询分析，实现对违法信息数据的深层次挖掘、深层次的分析，为执法人员提供决策支持服务。具体如下：
1）违法案卷分析。系统支持违法案卷的发生时间、地点、类别，分析违法案件多发地段、多发时段等数据，辅助分析发生原因。
2）高发热点分析。疑似违法高发热点分析是通过对一定时期内违法案件的空间分布进行渲染分析，如图10所示，从而判断违法案件的高发区域，针对这一区域进行有针对性的执法力量安排。
3）发展趋势分析。对违法案件进行地理空间分析和海量数据挖掘，提取内在时空分布、经济、社会规律，提供时空分布规律信息和知识，结合模式识别技术，实现对违法趋势的预测，提供最优决策支持。
4" 结" 论
采用无人机违法巡控平台可对建设用地进实时行动态监测，结合无人机智慧巡控平台具速度快、覆盖范围广、效率高、灵活性、周期短的特点的优势，可及时获取全域违法用地的高分辨率影像图，并快速进行影像变化检测发现违法用地的面积以及位置，可为重点区域土地执法监察提供良好的数据源，让违法用地疑似点一目了然，方便执法人员查看高清遥感图片和导航定位，前往问题地点进行确认和处理，极大地减小了查违工作量，提高了违法用地执法质量和效率。
1）利用智能识别比对算法，可实现图斑的自动提取和自动比对，可实现对各类影像数据进行非人工干涉的自动化预处理和建筑物图斑的自动化提取，并利用空间分析进行矢量数据间要素变化的检测，智能获取变化图斑，全面提高识别率和准确度。
2）借助海量数据存储分析技术，可实现影像数据自动入库，在进行自动化影像处理的同时，并快速高效建立影像金字塔，实现影像的有序存储和高效查询。
3）在进行建筑物提取以及建筑物变化比对后产生的矢量数据成果同样进行自动化入库管理，并将这些数据发布支持快速浏览（WMS）、在线查询和编辑（WFS）的服务，实现数据的各系统、各部门共享。
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作者简介：顾晓莉（1986—），女，汉族，江苏徐州人，讲师，硕士研究生，研究方向：遥感图像信息提取及技术应用。
