12城市精准治理中的多源数据融合技术研究与应用.pdf

项目简介（限1000字） 首都“四个中心”功能定位，是牵动党中央和全国人民的大事，习近平总书记对 北京城市规划建设提出“疏解北京非首都功能是北京城市规划建设的牛鼻子，要凸显 北京历史文化的整体价值，强化首都风范、古都风韵、时代风貌的城市特色”的要求 。为此北京市采取了“疏解整治促提升”行动，实现腾笼换鸟、功能提升和资源更优 配置。然而，随着城市化进程不断深入，违法用地违法建设（简称“两违”）历史遗 留量大，新增案件屡禁不止，发现、定位、核验、拆除、监管难度巨大。本成果通过 综合运用先进遥感、移动道路测量、人工智能深度学习、无线通讯、众源数据清洗挖 掘、时空数据分析等新技术，研究“两违”全周期、全流程监管机制、技术流程和多 源数据相结合的发现、核查、监测关键技术，为拆违实施提供了智能化技术手段，为 政府决策提供了重要依据。 项目提出了“星天地”一体化多源空间数据与众源数据相结合的“两违”发现、 核查、监测技术，解决了“两违”的快速识别、精准定位的难题；研制了“两违”大 数据分析管理平台，实现了“两违”发现、查处、督办、监控、考核自动化和精细化 ；提出了基于种子算法的多源异构数据空间索引网格技术，研制了“两违”内外业协 同核查平台，解决了外业核查数据的快速查询、图形编辑、自动计算等难题，实现了 “两违”核查的高效检索、精准定位与协同作业；建立了自动识别、基层上报、公众 参与的“两违”发现、核查和监管机制，形成了“两违”发现、拆前核实、拆后核验 、后续监管一体化技术流程，首次实现省级治理“两违”全流程信息化、精细化管理 。 项目建立的“两违”发现、核查和监管机制与技术流程具有操作性强、实施简单 、易于推广的优势；研发的系列软硬件平台，具有智能化程度高、实用性强、系统集 成灵活等特点，在疏解整治应用及推广中具有极为明显的技术优势。研究成果发表高 水平研究论文112篇，出版专著8部，授权发明专利18项，软件著作权55项。项目经济 社会效益显著，先后在北京16个区330多街道、乡镇应用示范，协助“两违”拆除35 万处、总占地面积5亿余平米，总建设面积3亿余平米，节约城市管理成本及创造管理 效益数亿元以上。项目支持了北京电视台“特别关注”栏目的每日播报，被人民网、 新华网、北京日报和北京青年报等主要媒体予以报道；部分成果应用于北京地理国情 普查与监测、北京核心区控规和各区分区规划、城市体检、2022北京冬奥会场馆建设 与保障工程。 三、科 技 创 新 科技创新（限5000字） 1、立项背景 习近平总书记两次视察北京并发表重要讲话，明确北京全国政治中心、文化中心 、国际交往中心、科技创新中心的战略定位，针对《北京城市总体规划》，对北京城 市规划建设提出“疏解北京非首都功能是北京城市规划建设的牛鼻子”的要求。市委 多次召开全会，在坚持首都城市战略定位、有序疏解非首都功能，把首都生态文明建 设放在了十分突出的位置，保护环境、转变发展方式成为城市建设和管理的重要内容 之一。 按照市委市政府关于落实北京城市总体规划的要求，以及疏解非首都核心功能专 项行动工作进度安排，城市中违法用地违法建设（以下简称“两违”）的治理需要达 到信息化、精准化、智能化，这存在着几个亟待解决的问题：发现来源不全面、不及 时、缺少全过程监督，难以统筹规划、公众参与体现少等。 项目组针对现状问题，研究了国内外“两违”治理现有的技术方案。由于国家发 展方式和历史原因，国内主要以卫片和定期上报机制进行国土督察，没有形成多手段 互补全面发现和监管。国外比较典型的有英国的采用闭路电视监控系统对城市管理中 的问题进行监控，美国主要依靠群众举报的方式发现违法建设，以人工普查、传统采 集技术为主，技术性单一且不适合我国国情。 因此，需要发展一种适合我国国情、特大城市的高精准监测与核查的方法和技术 ，通过前期研究的积累，我们发现结合多种现代测绘技术，为监测与核查“两违”提 供了一种极佳的手段，于是我们在分析现状和问题的基础上，开展了本项目的研究， 重点涉及以下技术：⑴ 多源异构数据的时空数据模型；⑵ 移动测图、RS、GPS、GIS 手段结合应用；⑶ “两违”智能识别与业务管理平台建设等方面，最终形成基于多 源数据监测手段的“两违”管理技术体系。 基于2项国家自然科学基金、3项北京市自然科学基金项目，结合北京市多项重大 专项工程，历时11年研究和应用实践，我们形成了一套“星天地”发现识别智能一体 化方法和多源异构大数据管理技术体系，研究成果应用于北京市“两违”精准化、智 能化管理，从根本上改变“两违”的管理理念和管理模式，提升服务水平，推进首都 功能、人居环境、城市品质、发展水平不断提升，进而提升我国在城市管理领域的国 际竞争力。 2、科技含量 2.1总体思路 项目依据“面向问题、技术攻关、系统研发、应用推广”的总体思路开展研究。 理论方面：探索一套全新而高效的“两违”精准管理的多源异构时空数据模型体系； 技术方面：开展多种监测技术、GIS手段结合在城市管理中应用；业务应用方面：将 理论和技术成果在政府相关管理部门应用推广。 2.2技术方案与创新成果 2.2.1“星天地”发现、智能识别一体化技术 项目针对“两违”行为的地点随机、形式隐蔽多样、容易复发等特点，基于卫星 影像、RFID基站、GPS/IMU、GNSS、全景相机等“两违”发现手段研发可拆装信息采 集、定位、识别一体化技术，并在数据采集、数据处理及信息提取方面做了诸多技术 改进，实现多手段快速、全面获取各类数据，且各技术手段互为补充。涉及关键技术 具体包括： （1）可移动升降式采集装备研制 该装备安装与拆卸方便快捷且适用性强，不需要对车辆载体进行任何改装，为全 景采集系统提供稳定、高精度的拍摄位置信息。（发明专利：ZL 2014 1 0148300.4 ，北京市自然科学基金：KZ201210016016） （2）RFID与多测绘手段集成 RFID与可量测实景、GPS/IMU、GNSS信息等集成，支持信息采集、对象定位及影 像测量。（发明专利：ZL 2010 1 0569691.9，北京市自然科学基金：KZ20121001601 6） （3）车载全景测量与定位技术 研发车载移动测量系统，搭载了高精度激光扫描仪、GPS/IMU定位定姿系统和全 景相机，得到绝对坐标系下的三维激光扫描点云数据和连续的街道实景数据，快速发 现变化街景，定位监测原有街景发现“两违”的处理情况，可在几个月内实现对一个 城市的街景数据全覆盖。（发明专利：ZL 2012 1 0233018.7，实用新型专利授权：Z L 20102 0638051.4，国家自然科学基金：41101444） （4）智能识别技术 结合GIS、RS、AI等技术，将卫星影像、全方面实景影像资料信息、图像识别相 结合，利用神经网络模型自动检测变化，人工查漏补缺，并将已有成果作为样本训练 神经网络模型，不断优化模型参数，实现卫星影像自动对比发现变化，快速识别地块 与建筑变化，实现“两违”图斑的“早发现、早上报、早处理”，属全国首例。（发 明专利：ZL 2014 1 0567664.6，软件著作权：D1264084） 2.2.2多源异构时空大数据库管理技术 针对海量多源异构的时空大数据，研发了具有适应性、可伸缩的多源数据一体化 管理模型，搭建了多源时空异构大数据库，提高了时空组织调度效率，实现了海量数 据的快速汇总、更新、查询及应用。涉及关键技术具体包括： （1）多源异构时空数据管理框架模型 该模型基于空间、属性、时间维度的统一描述与组织，实现了超大规模异构管理 数据统一、灵活、层次化的交换、组织和管理。（国家自然科学基金：41771412） （2） 顾及快速浏览与精确测量的影像瓦片混合组织模型 该模型以混合金字塔组织为基础，利用抽稀指数实现了影像的快速浏览，利用底 层加密保障了影像测量的精度。（发明专利： ZL 2014 1 0104038.3） （3）基于道路编码的紧凑型街景影像快速检索方法 针对街景影像数据按离散文件组织弊端，设计了一种道路编码辅助的街景影像紧 凑存储结构与检索方法。（发明专利：ZL 2014 1 0102126.5） （4）3D-GRID街景影像管理模型 该模型依据影像采集参数间的多重关联设计并优化，满足了海量街景影像调度和 管理中的一致性、实时响应、性能优化等需求。 2.2.3城市“两违”精准治理与大数据分析技术 针对“两违”管理的需求，构建北京市“两违”信息管理平台，借助大数据技术 ，针对 “两违”历史数据中隐含及关联性信息开展时空挖掘，实现了“两违”管理 的定量分析、态势预测及辅助决策。涉及关键技术具体包括： （1）“两违”监测、管理技术 根据 “两违”管理的需求，构建了北京市严厉打击违法用地违法建设信息平台 ，实现省级治理“两违”全流程信息化，以提高“两违”发现、识别、动态监测、预 测预警、决策分析和科学应对的能力。 （2）基于大数据的城市违建态势分析与关联性分析 利用数据挖掘技术和BI工具，建立“两违”运行综合指数模型，对“两违”历史 存量数据进行了充分的数据挖掘，分析其区位分布及隐含的关联性信息，实现了“两 违”管理的定量分析、态势预测、可视化交互及辅助决策。（北京市自然科学基金： KZ201210016016） 2.2.4内外业协同快速、精准现场核查技术 针对“两违”拆前拆后快速、动态精准监管的主要难题，结合移动端技术、多源 异构数据融合、种子算法和拆前拆后现场双核查等多手段，实现“两违”内外业协同 快速精准核查、动态精准监管。涉及关键技术具体包括： （1）快速精准现场核查移动端 通过种子算法构建自定义索引网格，根据构建索引网格的划分范围和要素的坐标 值，确定要素所在格网，解决传统GIS平台提供的空间查询效率较低并且极易内存溢 出的问题，实现对“两违”相关GIS数据、规划国土数据、卫星数据、街景数据、百 度举报信息和图片数据等百万条以上多源数据快速空间查询、统计、分析和编辑，满 足了基于移动端“两违”现场核实的高效检索、自动计算、精准定位与协同作业的要 求，极大提高了现场核查效率。 （2）拆前拆后双核验机制 利用卫片、街景、视频、基层上报、群众举报等多渠道“两违”线索，结合移动 技术与GIS技术，实现与执法人员现场进行违法线索拆前情况核验，包括线索位置、 建筑规模、用地性质和现场照片及视频等认定和记录工作，并对拆后消除违法状态的 线索与执法人员进行现场拆后核验，形成了一套《北京市治理违法建设专项台账工作 规程》（审批稿），保证了全市打击“两违”工作精准性，做实做准，实现了“拆既 有、控新生”的目标。 2.3实施效果 本项目历时11年，经过北京市测绘设计研究院、北京建筑大学等单位的通力合作 ，自主创新了城市“两违”精细化管理技术体系，研究成果有效地解决了测绘、GIS 技术、智能识别、监测监管手段在“两违”管理中相结合的难题，具有较高的科技价 值及工程应用价值。研究成果在30余项工程、20多家单位、500多单位用户进行了应 用和推广。项目成果被北京市主要领导肯定，并多次批示，支持了北京电视台“特别 关注”栏目的每日播报，被人民网、新华网、北京日报等主要媒体予以报道。实施效 果表明，本项目提升了“两违”管理的精细化、智能化水平，创造了良好的经济效益 及社会效益。 3、创新点： 本项目独创性的在城市“两违”的治理中，应用AI技术、3S技术、移动测图技术 、大数据分析技术，研究了“星天地”发现、智能识别一体化技术、多源异构时空大 数据库管理技术、城市“两违”精准治理与大数据分析技术、内外业协同快速精准现 场核查技术，形成了一套“星天地”发现识别智能一体化方法和多源异构大数据管理 技术体系。项目研究成果应用于“两违”精准化、智能化管理，并在城市相关管理单 位进行了技术应用和推广，从根本上提高了“两违”管理理念和管理模式，促进了城 市管理向精细化、智能化管理的转变。 其创新具体体现为： （1）提出了“星天地”多源空间数据与众源数据相结合的“两违”发现、核查 、监测技术，研发了大数据分析管理平台，解决了“两违”的快速识别、精准定位的 难题，实现了“两违”发现、查处、督办、监控、考核自动化和精细化，为政府决策 提供了重要支撑。 （2）面向移动端的“两违”核查多源数据融合，提出了基于种子算法的多源异 构数据空间索引网格技术，研发了内外业协同核查平台，解决了外业核查数据的快速 查询、自动计算、图形编辑等难题，实现了“两违”核查的高效检索、精准定位与协 同作业，极大的提高了现场核查效率。 （3）建立了自动识别、基层上报、公众参与的“两违”发现、核查和监管机制 ，形成了“两违发现、拆前核实、拆后核实、后续监管”一体化技术流程，首次实现 省级治理“两违”全流程信息化、精细化和留痕化管理，保证了治违工作的科学性和 客观性。 4、保密方面： 本项目详细的科学技术方法中没有涉及需要保密的内容。 5、国际比较： 与国内外同类研究、同类技术相比，本项目具有以下特点： （1）测绘、GIS手段与智能识别技术如何在“两违”管理中有效结合，一直是国 内外城市管理技术研究领域的瓶颈。本项目将GNSS、RFID、GIS、实景相结合实现“ 两违”位置定位，将移动测图技术应用到现场精准核验；最终形成“两违”发现监测 技术体系。研究在城市中精准化、智能化“两违”管理应用方面取得了一系列创新性 成果，具有良好的应用前景。 （2）本项目中以构建“两违”发现手段为基础，提取出各类发现手段中所蕴涵的 有用信息以完善“两违”管理中的信息实时采集、智能识别、预警预报、辅助决策等 方法，为“两违”日常管理工作提供依据。 （3）本项目中基于时间、空间、属性维度的时空大数据组织方式，融合了传统时 空数据组织管理优点的基础上，以多源异构的思想为基础建立了全新的多源异构海量 数据技术模型，支持超大规模多源异构数据的一体化管理，符合分布式系统、云计算 的发展趋势，具有较强的实用性和扩展性。 四、推广应用情况 1、推广、应用情况及社会评价（限 2000字） 本研究自2008年开始成立了以科研单位、生产单位结合的项目团队，构成了教授 牵头、博士与工程师为骨干的研究队伍。课题组成员经过多年的努力，在基于智能感 知、新型测绘技术等方面取得了一系列研究成果；同时，课题组与北京市政府、北京 市相关业务部门、市属16区等多家产、学、研、用单位进行合作和技术推广，在实现 经济效益的同时也取得了良好的社会效益。 （1）推广情况 1）北京市昌平区制止和查处违法建设违法用地信息平台 根据昌平区的区位特征、两违现状，利用本课题的成果构建了昌平区制止和查处 违法建设违法用地信息平台，达到了“早发现、早制止、早查处”效果。利用本课题 的空间大数据管理平台，构建了市政管委城市网格、实有办社会网格、查违网格的“ 三网融合”，实现实有人口与流动人口统一的精细化、网格化管理的网格化管理一张 图；利用本课题的两违监察的关键技术和业务流程，通过“镇街巡查、职能部门巡视 、卫星查违结合”的方法实现了对违法建设的“三级防控”与“三级监督”，助力实 现昌平区“新生违法建设零增长”，助力昌平区实现北京“天更蓝、地更绿、水更净 ”的终极目标。 2）丰台区违法用地违法建设清查与建库应用 本课题的研究成果应用于丰台区“严厉打击违法用地违法建设专项行动”中，为 加强土地和城乡规划管理，有效排查全区范围内的违法建设，提高了制止和查处违法 用地违法建设工作的科学化、信息化管理水平，开展违法用地违法建设清查项目，支 持实现了“底数清、情况明”的政府管理目标。 基于本课题的研究成果，丰台区建立了违法建设全区一张图、一镇街一张图、一 村一张图档案，实现了全区不同时间节点建筑总量及违法建设总量的掌控；通过实地 调查摸排，掌握全区违法建设的数量、位置、权属及建设时间等属性资料，为执法部 门构建了执法证据；实现对全区违法建设数据的全流程处理，各相关部门可通过平台 查看、处理、流转台账数据，通过系统对历年的违法建设新增、拆除、拆后管理各类 数据进行统合分析，为各级决策提供准确、权威的数据支撑，实现了对资源的统一管 理与服务。 3）北京市重点城区（东城、西城、通州副中心）的建筑房屋普查 本课题成果支持了北京市疏解非首都功能、城市副中心建设等重大任务。 为了满足北京市疏解非首都功能、城市副中心建设等重大任务对房屋管理工作提 出的更高要求，迫切需要进行东城、西城和通州区的房屋核查与精细化管理工作及全 面摸清和监测疑似违法建设情况。基于本课题的多源异构数据管理关键技术、时空关 联与检索技术，实现了东西城及通州区的房屋数据、违建数据的空间化采集、处理、 可视化，建立了房屋综合管理信息系统，实现了房屋全生命周期动态管理，提升北京 市重点区域房屋动态变化跟踪能力，为全域运行监控、灾害防治、应急指挥、决策分 析、房屋资源的有效利用、区域发展等方面提供全面、有力的决策支撑和智能支持。 特别是为北京市重点区域疏解非首都功能及精准城市治理提供了有效的数据支撑。 （2）应用情况 本课题成果直接应用于北京市严厉打击违法用地违法专项行动和信息化平台建设 ，已经在市指挥部办公室相关的20多个委办局，全市16个区牵头单位，全市330多个 街乡镇进行了广泛应用，成为北京市拆违控违的中枢系统。 自正式上线以来，精准发现和核查了两违信息50余万条，平台运行平稳，应用情 况较为良好。各有关部门通过本平台实现了对全市违法建设违法用地信息的互通、共 享；实现了对全市查处违法用地违法建设工作办理经过及进度的实时监控和动态管理 ，实时通过平台反馈至16个区政府和330多个街乡镇,并为市规自委、市发改委、市园 林局、市农委等部门提供拆违成果，定期向市领导报送治理违法用地违法建设成果报 告,为城市减量发展和留白增绿 选址提供支撑。截止到2019年12月，各属地单位已经 通过该平台上报违法建设信息50万余条，销账已拆除的违法建设共35万处、总建设面 积为3亿平方米，总占地面积5亿平方米。