卫星遥感建筑物动态监测系统方案设计.docx

1、卫星遥感建筑物动态监测系统方案设计卫星遥感建筑物动态监测系统方案设计O 一九年二月第一章 方案综述 2 1.1项目建设背景 21.2现状及发展趋势 31.3系统建设的必要性 31.4系统特色优势 4第二章 系统详细设计 5 2.1系统框架 52.2系统构成 52.3系统数据库建设 82.4系统主要功能 92.5系统工作流程 12第三章 系统应用方向及成效 17第四章 结论 18第五章 相关国家卫星介绍 185.1资源一号 02B 星 185.2资源三号 01 星 195.3资源三号 02 星 195.4天绘一号卫星 205.5高分专项卫星 21第一章 方案综述1.1项目建设背景 近年来，随着城

2、市飞速发展，区位优势凸显，城市化水平不断提高，城市影 响力进一步提升的同时， 违法建设与城市规划矛盾也呈现井喷式增长， 对新的规 划观念、管理方法及工作方式产生诉求。规划监察主要采取城市网格化管理， 常规的手段是人工巡查， 发现规划违法 行为，获取与分析，耗时费力，效率低且不能保障全覆盖，建立违法建设动态监 测系统，基于遥感和地理信息系统技术辅助城乡规划督察具有全面及时准确， 同 时可进行空间定位和定量分析， 做到“监测有手段、 执行有依据、事后有跟踪” ， 达到违法建设“早发现、早制止、早处理”的工作目标 1 。维护了城乡规划的严 肃性、权威性。建立违法建设遥感动态监测系统， 采用不同时期的

3、高分辨率卫星遥感影像进行城市建设变化监测，并且与GIS、GPS、移动技术相集成，利用基础空间数据、总规、历史及最新不同时相的遥感影像数据，通过检测变化、 自动和半自动人工 比对、空间分析等技术实现对城市建设的监控， 第一时间为城乡规划管理部门提 供精确的辅助决策。既可掌握被督察城市规划的总体情况，如规划管理水平、 规 划审批情况、违法建设的类型及规模， 还可以监督风景名胜区、 历史文化街区和 历史文化风貌区、城市绿地、 水源保护区等敏感地区的规划执行情况。 是规划研 究和管理手段从定性转变为定性与定量相结合的综合体现。 是城市规划不可或缺 的重要组成部分和技术支撑。利用卫星遥感技术辅助城乡规划

4、督查， 通过不同时期遥感影像， 辅以违法建设动态监测系统， 定期对城乡规划实施情况进行遥感监测， 是现代科学技术应用 日常工作的典范， 是提高城乡规划管理水平和行政监管效能的有效措施， 本文总 结查违监测的工作流程、分析动态监测系统的实际成效及探讨后期的发展方向。1.2现状及发展趋势随着遥感技术的发展， 特别是近年来高分辨率遥感影像的普及应用， 遥感技 术在城市建筑物规划领域应用越来越广泛。 国内近年以来已有多地自主采用卫星 数据进行城市内建筑物动态监测，并且取得了一定的成果。北京市自 2004 年起 就已经采用国产卫星数据进行北京市违章建筑的普查工作， 并取得了卓有成效的 工作，有利的保障了

5、北京奥运建设工作。其他地区如广州、 长春等地也先后采用 卫星数据进行违章建筑普查， 城中村改造监测等， 为城市发展和建设贡献了巨大 的力量，凸显了其速度快，普查范围广，查准率高等优点，同时也为城市改造、 调查取证、工程建设等节约了大量的成本。1.3系统建设的必要性 基于高分辨率卫星影像监测城市违章建筑项目，集成了高科技 RS、 GIS、 GPS 技术对城市违章建筑、城市发展改建、扩张等进行动态监测，具有发现率 高、发现及时、工作效率高等特点。基于高分辨率多时相遥感卫星影像和 GIS 的变化检测研究目前正经历一个 快速的发展时期， 由于它涉及到影像几何辐射校正、影像特征提取和描述、 知识 表达、

6、多源数据和知识库集成分析等众多理论、方法和大量应用细节。 对现有的 先进技术方法进行整合和集成，从而使整个违法建设监测和发展的流程更加高 效，该系统在我国城市违章建筑监测方面的实际应用， 也为该技术在我国城市规 划、退耕还林、占补平衡及土地管理、 历史文物保护等相关领域的推广应用提供了宝贵的借鉴和参考综上所述，基于高分辨率卫星影像监测城市违章建筑物项目具有巨大的社会 和经济效益价值， 同时该系统技术提高了城市监测信息获取的能力和效率。 其数 据和监测数据结果不仅可以满足城市建设发展规划的需要， 而且还可以推动城市 安全建设。所以该项目的建设是十分必要的，具有重大的社会意义。1.4系统特色优势违

7、章建筑自动或半自动快速普查是本系统的一个主要内容。 利用传统方法监 测违章建筑，需要人员巡视，工作量大，并且受地面环境影像，受遮挡，效率低 下，效果不好。本系统的建设相比具有如下优势：1.自动化程度高，监测精确2.可定期重复观测的优势，通过多时相遥感影像的对比，可以及时发现地表 的各种变化。3.以城市用地变化，城市用地扩张提供有利的指导。第二章系统详细设计2.1系统框架根据系统应用需求，系统以现有网络和专业服务器等基础设施为基础， 采用Oracle大型数据库为数据库信息管理系统，通过相应空间数据访问引擎分别对 基础数据、规划审批数据、业务管理数据等进行建库，在数据库建设的基础上， 基于C/S和

8、B/S相结合的开发模式，实现监测数据库管理,影像信息提取，违法建 设变化图斑提取等系统设计与开发，建立了违法建设遥感动态监测系统。2.2系统构成整个系统分为基础分析系统和应用分析系统两个部分， 其中基础分析系统由数据预处理系统，影像分析系统，数据匹配系统，变化检测系统四个部分组成；应用分析系统由违章建筑普查系统， 违章建筑监测系统，重点区域监测系统等组 成。卫星遥感建筑物动态监测系统图2.2-1系统构成2.2.1数据预处理子系统数据预处理子系统实现卫星影像与规划资料的前期处理。为了保证遥感卫星的影像数据在后面的子系统中的综合使用处理， 需要把各 种多时相得影像数据进行读入和格式化， 以便得到同

9、一格式的图像数据方便后面 的图像处理。 为了保证违章查询数据的精度和可靠性， 需要把原始的卫星影像数 据进行基本的图像处理、 几何校正和辐射校正。 基本图像处理模块读入原始卫星 影像，并完成图像格式转换、增强处理等操作， 并将结果输出到该时相的影像数 据库中， 供后续各个模块调用；根据当地城市的地势变化情况和建设情况， 选取 合适的算法进行校正处理，获取高精度的正射影像。通过投影变换， 将遥感图像 纳入到一定的制图坐标系中，同时根据需要对多幅遥感图像进行影像镶嵌处理。为将各种城市规划数据应用于系统中，需要对各种纸质的数据进行数字化， 对已经数字化的数据进行分类管理、存储。2.2.2数据配准子系

10、统数据配准子系统实现对影像与影像， 影像与规划资料，地形图的配准。 只有 经过配准的数据在空间关系上才一致，才能应用于后续的分析。2.2.3影像分析子系统影像分析系统实现监控系统中所需的影像分析功能。 在违章建筑普查， 典型 地物提取中需要诸多的影像分析操作， 如边缘检测，纹理分析， 光谱匹配等才能 正常运转。 在影像分析系统中，针对可能用到的影像分析算法， 实现基于像素的 影像处理如边缘检测、纹理分析，光谱分析、分类；基于对象的影像处理，如分 割，对象特征提取对象分类。 建筑物监管系统主要采用高分辨率遥感影像作为数据源，目前公认的面向对象的影像分析方法更适用于高分辨率遥感影像的分析， 因此面

11、向对象的影像分析技术将是本系统的核心。2.2.4变化检测子系统变化检测子系统是建立在影像分析子系统基础上的高级分析系统， 实现像素 级的变化检测， 对象级的变化检测，分类后图像变化检测等功能， 并且提供完善 的后处理技术。针对高分辨率遥感影像面向对象的变化检测系统将会是本部分的 重点内容。2.2.5违章建筑普查子系统违章建筑普查子系统实现基于遥感影像与规划资料的违章建筑普查。 以影像 分析为基础， 采用 GIS 叠置分析或模式识别知识实现现有违章建筑的排查， 并排 查结果输出，作为执法检查的依据。2.2.6违章建筑变化监测子系统违章建筑变化检测系统， 监测现有违章建筑的整治拆迁工作和违章建筑的

12、出 现过程。 以现有违章建筑数据为基础， 结合多时相遥感影像实现现有违章建筑拆 除进度的监控， 及时了解整治情况。同时， 根据多时相遥感影像及时发现违章建 筑的修建、扩建等，将其消灭在萌芽状态。所有监测结果输出，并提供作为执法 监察参考数据。2.2.7重点区域监测子系统重点区域监测子系统实现城市重点区域的提取， 变化趋势的分析等。 城市建 设和改造涉及到城镇村， 城乡结合部的拆迁改造， 根据政府规划和多时相卫星遥 感影像，实现重点区域的提取，以及变化分析，用以监管这些地区建设的进度。相关监测结果输出，作为城市规划的参考。2.3系统数据库建设将所采集或收集到的各类数据、文本、图片等数据，按照基础

13、数据库、城乡 建设用地现状专题数据库、建设变化专题数据库、专题应用数据库进行分类， 并 根据各类数据库的不同特点进行组织和管理，满足海量数据存储、关联、分析、 挖掘和可视化的要求。1）基础数据库主要包括：高分遥感数据、数字化后的规划数据、 地形图数据和辅助的 DEM、DLG 和 GPS 数据。2）城乡建设用地现状专题数据库主要包括：提取的多期的城乡建设用地现状矢量图。3）城乡建设变化专题数据库主要包括：提取的多期的城乡建设变化图斑矢量图。4）专题应用数据库对提取的结果数据库中的数据进行业务化应用， 主要包括： 变化图斑属性和 根据属性生成的监测报告组成的强制性内容监测成果、 还包括根据用地现状

14、计算 出的城市发展趋势监测专题信息，进行数据管理的方式主要有：（1）建立规范化的数据共享与交换管理机制，保证共享与交换。（2）以数据安全为重点，统一规划，建立信息安全认证体系、运行环境的 安全保障系统和功能完备的容灾备份系统， 确保数据中心的物理安全、 网络安全、 系统安全和数据安全。2.4系统主要功能241多期影像数据对比图2.4-1多期影像对比分析图同屏加载不同时期影像，对不同期影像进行比对，同时根据管理需求新建图 件、删除图件、导人图件、导出图件、管理图层、设置投影、管理图件属性，随 时调阅各种图形信息、影像信息、属性信息、文档信息等。2.4.2变化图斑提取可直接编辑变化图斑，可添加删除

15、变化图斑、属性修改等操作。如下表为2009年-2013年某区新增、改扩建和减少的变化图斑分析图。表2.4-2新增建筑物变化图斑分析新增建筑 2009年 2013年表2.4-3改扩建建筑物变化图斑表2.4-4减少建筑物变化图斑减少建筑物I 2009年2013 年2.5系统工作流程实践中，由于违法建设查处复杂性，需领导重视并统一协调， 各部门齐心协力配合，城市国土、监察、规划、城管部门联合发布了关于建立制止和查处违 法用地违法建设工作联动机制的通知。建立了制止和查处违法用地违法建设联席会议制度，保障工作顺利进行，违法建设查处成效明显。主要工作流程如下:配准、几何校正（正射校正）、融合、匀光、镶嵌图

16、2.5-1卫星遥感建筑物动态监测工作流程2.5.1数据处理数据处理主要包括对高分遥感数据的几何校正（包括正射校正）、 全色和多 光谱数据间的配准、 融合和镶嵌， 同时还包括遥感数据和规划数据等其它数据之 间的配准。 几何校正，采集控制点信息，利用多项式纠正的模型对遥感数据进行 几何纠正， 纠正误差需满足一定的几何精度。 融合是将多光谱和全色波段融合为 真彩色影像，影像数据匀光、镶嵌及统一成图。配准：影像配准是将同一区域里一幅影像 （基准影像）对另一幅影像的校准， 以使两幅影像中的同名像元配准，配准误差一般小于 0.5 个像元。融合：将同一目标或场景的用不同传感器获得的， 或用同种传感器以不同成

17、 像方式， 或在不同成像时间获得的不同影像， 融合为一幅影像， 在保持多光谱影 像辐射信息的同时提高了影像的空间分辨率的遥感影像处理方法。匀光镶嵌：经匀光匀色，影像层次丰富，影像色调均匀、反差适中，彩色色 调柔和鲜艳，相同地物的色彩基调一致并将不同景影像镶嵌为一幅作业区完整影 像。2.5.2动态监测即疑似变化图斑提取， 采用结合规划图的信息分类法的自动提取方法和基于 目视解译的人工提取方法相结合的方法， 自动变化监测使用了多属性差值扩散变 化监测算法， 人工提取变化监测信息则主要依赖目视解译。 经过变化监测处理后 得到疑似变化图斑，建立变化图斑专题信息库。在违法建设动态监测处理系统中，细化处理

18、流程，严格规范过程，明确人员 分工，对各处理阶段制定质量检验标准。主要体现在以下方面：1、多用户并发机制，系统将最现势、最准确的数据同时提供的多个用户， 自动维护相互间逻辑关系， 保证了监测成果数据的完整性和一致性， 保证多个用 户同时工作，提高数据处理效率。2、任务管理监控，大区域违法建设监测任务可分割为各个子任务，并为各 子任务配置所需的数据资源（监测任务所需的遥感图像和矢量数据）， 结合当前 的人员和设备工作情况， 将子任务划分给若干操作员， 进行多个子任务并行处理， 同时对各操作员用户进行权限控制，监督各个操作员的任务执行情况。3、数据集中管理，将各类监测数据资源（包括遥感图像和各种资

19、源监测矢 量数据）纳入数据库，集中存储、统一管理，建立能够容纳海量数据的空间数据 中心，为任务处理提供基础数据。2.5.3行政核查2.5.3.1核查流程在实践中， 通过违法建设遥感动态监测系统，提取违法建设疑似图斑，成果 下发地方规划部门先行核查，将明显不属于违法违章、违规情节较轻、 非监测重 点、法律界限模糊等差异变化进行剔除， 并根据需要对比较难定性的进行实地勘 查，部稽查办从中再抽取一部分变化图斑下达给部派规划督察员进行现场复核检 查，并写出专题复核检查报告。 以达到明确监测目标， 提高监测工作质量的目的。2.5.3.2实地调查执法人员（督察员、城管等）利用外业专用的 GPS 导航辅助核

20、查系统，将 遥感图像和变化图斑导入系统中，采用 GPS 导航，指引执法人员前往待核查图 斑位置， 进行实地核查。 该系统一方面提供路线导航， 另一方面参考影像底图和 变化图斑，提供核查图斑周边情况，利用 GPS 导航辅助核查系统大大提高核查 效率。2.5.3.3调查内容根据各地区关于建立制止和查处违法用地违法建设工作联动机制的通知 。 各部门协同核查。 复核图斑的重点是否违反城市总体规划的强制性内容， 包括城 市发展方向、 用地规模、禁建区保护及城市绿线、 蓝线、红线、紫线等保护内容。 是否违反规划行政许可， 一方面，已批建的建设工程未按相关规定是否在有效期 内开始施工建设， 另一方面是否存在

21、在未经审批地区违规私搭乱建等。 从中发现 已编制的城乡规划、 已审批的建设项目在具体实施过程中还存在哪些值得改进完 善的问题， 找出日常规划管理工作的疏漏之处， 不断提升全市城乡规划管理的科 学水平。2.5.3.4核查结果 同时，需要对变化图斑的属性进行确认。变化图斑的属性包括：变化前后的 用地类型、涉及城市规划强制性内容、 审批情况、处理方式和处理状态 5 种属性。 根据处理方式的不同， 对变化图斑开展不同层次的核查工作， 根据监测的基本情 况、反馈的核查结果和实地核查情况， 经过汇总整理与分析， 形成每期城市规划 监测报告。2.5.4结果公示根据核查结果，依法行政，对于典型的违法建设案件，

22、该拆除的必须拆除， 该问责的问责，责任问责及查办后，进行结果公示。1、实施重大案件挂牌督办，各级主管部门对侵害群众利益、性质恶劣、影响极坏的案件进行挂牌督办，务必一查到底，严肃惩戒，加强集体研判，做到事 实清楚、定性准确、处理恰当、程序合法。2、实施督查通报，各级主管部门要适时采取内部通报、新闻发布、公开曝 光等加大对重大典型违法案件的曝光力度，发挥查办案件惩戒功能，治本功能、 警示威慑功能，做到查处一片，教育一片。3、实施案件移送，对需要由土地、建设、房管或者综合执法部门作出行政 处罚的案件，各城市规划主管部门也要及时移送。4、外业核查后，行政问责和违建执法后，整理结果，通过违法建设遥感动态

23、监测系统出专题图和统计表，进行社会公示。第三章 系统应用方向及成效城市违法建设动态监测系统主要有两个应用方向：1、城市规划督察实现违法建设卫星监测业务的日常化运行，利用历史和最新的遥感影像数 据，结合空间基础数据、总规数据，通过检测变化、空间分析等技术实现对城市 建设的监控，可实现大范围、可视化、短周期城市违法建设项目动态监测系统， 为城市快速发展期违法建设项目的监管提供一种高效科学的技术手段。2、城市发展监测城市发展监测主要利用多时相的城市土地利用现状矢量图，根据城市建成区 面积、城市发展方向和城市空间演替三个指标对城市发展情况进行监测， 将城市 发展监测结果和以往各期的城市规划监测结果汇总

24、整理， 进行相关分析得到年度 监测报告。第四章 结论高分辨遥感卫星在城乡规划管理领域应用是一项实用、 高效、具有良好前景 的工作。 不仅可以提高工作效率， 更重要的是可以提高决策的科学性、 准确性和 时效性。 随着我国高分辨遥感卫星和后续星的发展，高分辨遥感卫星的性能、 种 类和数量将得到大幅度的改进和提高， 建立城市违法建设遥感动态监测系统不仅 可以提高监测的准确度和时效性， 而且有利于拓展遥感技术在违法用地查处、 城 市布局、城市的调整和改造、历史物化保护、城市交通、防洪救灾和生态保护等 方面的广泛应用。第五章 相关国家卫星介绍5.1资源一号 02B 星中巴“资源一号 ”卫星系统由中国空间

25、技术研究院与巴西空间研究院联合研 制，被誉为高科技领域 “南南合作的典范 ”。本次成功发射的第三颗 “资源一号 ”卫 星重 1452 公斤，设计寿命两年， 是一颗三轴稳定、 全球覆盖的地球资源卫星 （实 际上中巴资源卫星都是按计划 4 年发射一颗，寿命都有 4 年）。该星装有多光谱 CCD 相机、高分辨率相机、宽视场成像仪、空间环境监测 系统和数据收集传输系统等有效载荷， 可向中国、 巴西和世界其他具有接收能力 的国家和地区实时发送可见光、 多光谱遥感图像信息， 可广泛应用于农作物估产、 环境保护与监测、城市规划和国土资源勘测等领域。中巴第一、第二颗“资源一号”卫星已先后于 1999 年10月

26、和2003 年10月 成功发射，第一颗卫星工作寿命已到期，第二颗卫星正在超期 “服役 ”。此次第三颗“资源一号 ”卫星发射成功，对确保该卫星系统长期连续稳定运行、增强中国国 土资源勘查能力、促进航天领域国际合作、 推动中国国民经济又好又快发展， 均 具有重要意义。5.2资源三号 01 星资源三号 01 星是我国首颗民用高分辨率光学传输型立体测图卫星，集测绘 和资源调查功能于一体。卫星采用三线阵测绘方式，由具有一定交会角的前视、 正视和后视相机通过对同一地面点不同视角的观测， 形成立体影像， 同时配以精 确的内外方位元素参数，准确获取影像的三维地面坐标，用以生产 1 :5万测绘产品，以及开展1

27、：2.5万及更大比例尺地形图的修测与更新。卫星通过多光谱 数据的获取，并配以正视高分辨率数据， 可用于地物要素判读、 国土资源调查和 监测以及其他相关应用。2012 年 1 月 9 日 11 时 17 分，资源三号 01 星在太原卫星发射中心成功发 射；7月30 日，卫星完成在轨交付。在轨测试结果表明，资源三号 01 星测绘 的总体精度指标优于法国SPOT 5、日本ALOS等国外同类产品。卫星在稀少控 制点的条件下，影像平面精度优于 3m，高程精度优于2m，全面超过了 1 : 5 万立体测图卫星设计指标， 并可用于 1：2.5万测图及部分 1：1 万地理要素的更 新。在无控制点的条件下，影像平

28、面精度优于10m，高程精度优于5m ;卫星影 像的直接定位精度从 1000 多米提高到 10m 以内。多光谱卫星影像配准精度达 到 0.15 个像元，总体影像质量优于国外同类卫星。5.3资源三号 02 星资源三号 02 星是资源三号 01 星的后续星，是由科研星向业务星的转化， 通过资源三号 01 星前期研究的技术积累和关键技术的突破，有效保障了资源三号 02 星的业务化。 2016 年 5 月 30 日 11 时 17 分，我国高分辨率立体测图卫 星资源三号 02 星在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射并进入预 定轨道。资源三号 02 星是一颗高分辨率立体测图业务卫星，在资源三号

29、01 星 的基础之上进行优化， 搭载三线阵测绘相机和多光谱相机等有效载荷， 前后视相 机分辨率由 3.5 米提高到优于 2.5 米，并搭载了一套试验性激光测高载荷，该星 较 01 星拥有更优异影像融合能力、更高图像高程测量精度。资源三号 02 星投 入使用后，将与资源三号 01 星组网运行，可使同一地点的重访周期由 5 天缩短 至 3 天之内，大幅提高我国 1:5 万立体测图信息源的获取能力。资源三号 02 星的成功发射，促进了我国测绘装备建设的新突破，大幅度提 高了我国独立获取地理空间信息的能力， 极大地推动地理信息产业发展和航天遥 感技术应用， 对于增强我国基础测绘保障服务能力， 实现高端

30、测绘地理信息装备 跨越式发展具有重要意义。 双星组网运行， 必将为“一带一路” 、生态文明建设、 “走出去”等国家重大战略实施，以及基础测绘、地理国情监测、“天地图”平 台建设、海岛礁测绘、应急测绘和经济社会发展各领域提供更有力的保障服务， 对于开展全球测图， 促进全球地理信息资源能力建设， 推动我国由测绘地理信息 大国向测绘地理信息强国迈进具有重要意义。资源三号 02 星是国家民用空间基础设施中长期发展规划确定发射的首颗业 务卫星。后续国家测绘地理信息局将陆续启动资源三号 03/04 星、高分七号 02 星等多颗卫星的立项工作， 我国将逐步构建系列比例尺光学测绘卫星星座， 为高 精度测绘遥感

31、提供长期、稳定、连续的自主卫星数据源。5.4天绘一号卫星天绘一号是中国第一代传输型立体测绘卫星， 主要用于科学研究、 国土资源 普查、地图测绘等领域的科学试验任务。天绘一号由航天东方红卫星有限公司研制，采用了 CAST 2000 卫星平台， 一体化集成了三线阵CCD相机、2米高分辨率全色相机和多光谱相机等 3类5 个相机载荷， 是当时中国有效载荷比最高的高分辨率遥感卫星。 天绘一号实现了 中国测绘卫星从返回式胶片型到 CCD 传输型的跨越式发展，在中国首次实现了 影像数据经过地面系统处理，无地面控制点条件下，与美国 SRTM 相对精度 12m/6m （平面/高程1 o）同等的技术水平。天绘一号

32、还形成了中国第一个完全自主产权和国产化的集数据接收、 运控管 理、产品生产和应用服务为一体的地面应用系统。天绘一号 01 星、 02 星、 03 星分别于 2010 年 8 月 24 日和 2012 年 5 月 6 日 2015 年 10 月 26 日发射成功并组网运行。5.5高分专项卫星5.5.1高分一号卫星高分一号卫星由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院航天东方 红卫星有限公司负责抓总研制。 作为我国高分辨率对地观测系统的首发星， 高分 一号卫星肩负着我国民用高分辨率遥感数据实现国产化的使命， 主要用户为国土 资源部、农业部和环境保护部。 该星的设计寿命为 5-8 年，突破了高至间分辨率、 多光谱与宽覆盖相结合的光学遥感等关键技术， 在分辨率和幅宽的综