桑玲玲,周 同,謝 彧,章遠(yuǎn)鈺
(1.自然資源部國土整治中心,北京100035;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部工程建設(shè)服務(wù)中心,北京100081)
大規(guī)模推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè),是落實(shí)藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略,保障國家糧食安全的重要支撐。2019年11月,國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)提升國家糧食安全保障能力的意見》(國辦發(fā)〔2019〕50號(hào)),明確提出要構(gòu)建集中統(tǒng)一高效的管理新體制,充分運(yùn)用遙感監(jiān)測(cè)等技術(shù),按照系統(tǒng)一體化、數(shù)據(jù)集成化、信息綜合化、成果可視化的要求,全面承接高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)各階段相關(guān)信息,構(gòu)建農(nóng)田管理大數(shù)據(jù)平臺(tái)[1]。為了加強(qiáng)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目日常監(jiān)測(cè)監(jiān)管,全面實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)有據(jù)可查、全程監(jiān)控,真正做到對(duì)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目的精準(zhǔn)管理、資源共享,有必要充分依托RS、GIS、GNSS、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等技術(shù),構(gòu)建“天、地、網(wǎng)”一體化的農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測(cè)監(jiān)管技術(shù)體系。其中,“地上查”作為農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測(cè)監(jiān)管技術(shù)體系中的重要手段之一,是了解掌握農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目情況的重要方式,也是開展項(xiàng)目監(jiān)測(cè)監(jiān)管工作的重要環(huán)節(jié),貫穿于整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)周期[2-4]。
在農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目日常監(jiān)測(cè)監(jiān)管工作中,常用的方式是通過多源遙感獲取項(xiàng)目區(qū)地類及工程信息,由于遙感影像自動(dòng)解譯準(zhǔn)確率較低,難以滿足項(xiàng)目監(jiān)管實(shí)際要求,外業(yè)調(diào)查和核實(shí)工作必不可少。為更好地滿足對(duì)農(nóng)田建設(shè)過程進(jìn)行監(jiān)督和管理的需要,文章通過對(duì)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目信息采集、處理、管理、應(yīng)用等業(yè)務(wù)進(jìn)行分析,研究集成利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、GIS、智能移動(dòng)終端等多種信息技術(shù),搭建農(nóng)田建設(shè)信息采集系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境;利用地理信息平臺(tái)軟件,建立農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目內(nèi)業(yè)、外業(yè)信息采集和管理系統(tǒng);充分利用天地圖等共享數(shù)據(jù)資源,整合利用農(nóng)田建設(shè)多源數(shù)據(jù),構(gòu)建高效、準(zhǔn)確、便捷的基于地理位置服務(wù)的內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查平臺(tái)。在農(nóng)田建設(shè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)核查過程中,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目位置、工程實(shí)施進(jìn)展情況、后期管護(hù)利用情況等信息的外業(yè)采集以及與內(nèi)業(yè)管理的協(xié)同作業(yè),滿足農(nóng)田建設(shè)外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)管理的需要,實(shí)現(xiàn)GIS與農(nóng)田建設(shè)業(yè)務(wù)的高效、快速、協(xié)同合作,為提升高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)監(jiān)管水平提供技術(shù)支撐。
農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目不同管理階段現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作的目的和側(cè)重點(diǎn)不同。在項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,技術(shù)人員需要實(shí)地調(diào)查了解項(xiàng)目區(qū)自然資源條件、經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況、基礎(chǔ)設(shè)施條件和權(quán)屬情況等;在項(xiàng)目實(shí)施階段,需要對(duì)項(xiàng)目施工進(jìn)展、單項(xiàng)工程量完成情況等開展實(shí)地調(diào)查;在項(xiàng)目竣工驗(yàn)收階段,需要對(duì)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)變更情況、建設(shè)任務(wù)完成情況、工程質(zhì)量狀況、資金撥付使用情況、制度執(zhí)行情況等進(jìn)行全面調(diào)查評(píng)價(jià);在后期管護(hù)利用階段,需要重點(diǎn)對(duì)后期管護(hù)責(zé)任落實(shí)情況、項(xiàng)目建成后耕地利用情況、新建基礎(chǔ)設(shè)施管護(hù)利用情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。從實(shí)地調(diào)查的工作內(nèi)容來看,可以歸納為4項(xiàng)基本任務(wù)[2-3]:(1)地物識(shí)別,對(duì)項(xiàng)目基礎(chǔ)信息做出真實(shí)性判斷;(2)地物量測(cè),對(duì)項(xiàng)目工程建設(shè)面積、道路長度等做出準(zhǔn)確性判斷;(3)信息采集,通過一定的手段獲取地形、土壤等基礎(chǔ)信息;(4)現(xiàn)場(chǎng)記錄,將在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過程中收集到的各類信息分類記錄留存下來。
當(dāng)前通常采用的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法主要有傳統(tǒng)調(diào)查方法、輔助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法、內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查方法等。
傳統(tǒng)調(diào)查方法主要是指借助于地形圖、項(xiàng)目現(xiàn)狀圖、項(xiàng)目規(guī)劃圖等各類紙介質(zhì)資料,根據(jù)項(xiàng)目管理各個(gè)階段不同的調(diào)查目標(biāo)需求,利用常規(guī)工具完成目視定位、實(shí)地調(diào)查、測(cè)量、記錄工作[5]。這種傳統(tǒng)工作方式通常存在定位難、測(cè)量難、記錄難、信息采集管理難等缺點(diǎn)[6]。
圖1傳統(tǒng)調(diào)查方法Fig.1 Traditional survey method
輔助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法通常是指在手持GPS 設(shè)備等移動(dòng)終端的輔助下開展實(shí)地調(diào)查工作[6-7],在當(dāng)前農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目實(shí)地調(diào)查中應(yīng)用十分廣泛。其基本原理是:以移動(dòng)終端為載體,利用GPS定位導(dǎo)航和GIS數(shù)字地圖操作功能,通過地理位置的變化實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)實(shí)地和電子圖件的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng),輔助開展野外記錄、測(cè)量、信息采集等各項(xiàng)調(diào)查,便于對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地物的真實(shí)性和相關(guān)信息的準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷、現(xiàn)場(chǎng)記錄或繪制調(diào)查成果(圖2)。
圖2輔助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法Fig.2 Auxiliary field survey method
目前,針對(duì)農(nóng)田建設(shè)傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法存在的諸多問題,現(xiàn)有的輔助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查系統(tǒng)可以將GPS技術(shù)、移動(dòng)GIS技術(shù)集成,整合開發(fā)出支持農(nóng)田建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的低成本、高效率、便攜式的先進(jìn)技術(shù)工具。有利于方便現(xiàn)場(chǎng)量測(cè),現(xiàn)場(chǎng)問題記錄、信息查詢或繪制、拍攝調(diào)查成果,實(shí)現(xiàn)實(shí)地與圖件聯(lián)動(dòng),方便使用的電子手簿功能,實(shí)時(shí)顯示所處位置和行走路線,一定程度上提高了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的質(zhì)量和效率。但這種工作方式存在受設(shè)備性能影響較大、缺少底圖數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳輸、與內(nèi)業(yè)工作銜接不暢等缺點(diǎn),在監(jiān)管應(yīng)用過程中,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、一致性和工作時(shí)效性無法得到保障。
內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查方法主要滿足農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目信息調(diào)查高效、準(zhǔn)確、便捷的要求,基于已有的項(xiàng)目管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、公共數(shù)據(jù)等資源,利用地理信息平臺(tái)軟件,通過集成移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、GIS、智能移動(dòng)終端等多種信息技術(shù)[8],利用4G/5G網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目外業(yè)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)傳輸,以在線交互的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)管理與外業(yè)數(shù)據(jù)采集的一體化協(xié)同作業(yè)(圖3)。在數(shù)據(jù)保持一致性、現(xiàn)勢(shì)性的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)外業(yè)項(xiàng)目定位、實(shí)時(shí)跟蹤管理、準(zhǔn)確掌握項(xiàng)目進(jìn)度等,為農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目日常動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)管提供科學(xué)、高效的現(xiàn)代化手段。
圖3內(nèi)外業(yè)一體化現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法Fig.3 Integration field survey method
綜上所述,傳統(tǒng)調(diào)查方法因存在現(xiàn)場(chǎng)定位、測(cè)量和信息采集記錄等問題,不利于農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管的有效開展。輔助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法雖彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)查工作中定位難和記錄難的問題,但在監(jiān)管應(yīng)用過程中,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、一致性和工作時(shí)效性仍然無法得到保障。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、GIS、智能移動(dòng)終端、云服務(wù)等多種信息化技術(shù)不斷發(fā)展,內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查方法在實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目定位、實(shí)施跟蹤管理、掌握項(xiàng)目進(jìn)度等發(fā)揮出顯著優(yōu)勢(shì),不僅解決了定位難、測(cè)量難、記錄難等問題,同時(shí)保持了內(nèi)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)一致性和現(xiàn)勢(shì)性,提高了土地整治現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作的質(zhì)量和效率。
農(nóng)田建設(shè)內(nèi)外業(yè)一體化現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查云平臺(tái)是利用GIS、GNSS和RS技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)展?fàn)顟B(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)管。平臺(tái)在地理信息平臺(tái)軟件基礎(chǔ)上完成開發(fā)構(gòu)建,由移動(dòng)端外業(yè)信息采集系統(tǒng)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)2 部分組成,基于市場(chǎng)公有云基礎(chǔ)設(shè)施[9-11],利用天地圖等互聯(lián)網(wǎng)信息資源,構(gòu)建農(nóng)田建設(shè)內(nèi)外業(yè)一體化信息采集系統(tǒng)基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境[12-13],通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng),完成農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、踏勘成果的實(shí)時(shí)傳輸與接收等工作(圖4)。
圖4云平臺(tái)架構(gòu)Fig.4 Cloud platform architecture
2.2.1 搭建系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境
基于阿里云基礎(chǔ)設(shè)施,利用天地圖、谷歌、OpenStreetMap等互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)等信息資源,構(gòu)建農(nóng)田建設(shè)內(nèi)外業(yè)一體化信息采集系統(tǒng)基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境。
2.2.2 構(gòu)建外業(yè)信息采集系統(tǒng)
采用M/S多層的體系結(jié)構(gòu),基于構(gòu)件化的設(shè)計(jì)思想,在需求分析抽象的基礎(chǔ)上,進(jìn)行軟件功能構(gòu)件的設(shè)計(jì)。應(yīng)用天地圖、谷歌、OpenStreetMap 等服務(wù)作為基礎(chǔ)地圖服 務(wù)[10],通過Web Service接口提供數(shù)據(jù)服務(wù),通過手機(jī)端內(nèi)置GPS,對(duì)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行定位,其定位精度可滿足農(nóng)田建設(shè)信息外業(yè)采集的定位要求?;贏rcGIS Server 構(gòu)建外業(yè)信息采集App,支持目前市場(chǎng)上廣泛使用的IOS和Android等多種移動(dòng)端設(shè)備。根據(jù)農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測(cè)監(jiān)管業(yè)務(wù)需求,基于流行的Web Map地圖格式,提供適合移動(dòng)端的地圖操作與瀏覽方式,方便用戶操作。主要功能包括地圖瀏覽、地圖量測(cè)、場(chǎng)景切換和圖層疊加以及信息采集等。
(1)地圖瀏覽:對(duì)地圖進(jìn)行平移、縮放、顯示全圖,支持平板的多點(diǎn)觸控和手勢(shì),進(jìn)行放大、縮小。
(2)地圖量測(cè):在地圖上量測(cè)坐標(biāo)(如經(jīng)緯度)、距離、方向、面積等。
(3)場(chǎng)景切換和圖層疊加:一鍵切換到所需的地圖底圖場(chǎng)景,底圖一般包括影像圖、地形圖、規(guī)劃圖等。
(4)信息采集:記錄農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目施工的進(jìn)度信息、工程量信息和工程中遇到的問題等,同時(shí)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工情況以多媒體(圖片、視頻、音頻)的形式提交。
2.2.3 構(gòu)建內(nèi)業(yè)管理系統(tǒng)
內(nèi)業(yè)管理系統(tǒng)主要采用B/S架構(gòu),采用多層體系結(jié)構(gòu);采用屬性閾值方式保證信息采集標(biāo)準(zhǔn)化;采用ArcGIS Desktop軟件管理空間數(shù)據(jù),發(fā)布服務(wù)和管理服務(wù),以及對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯等;采用Portal for ArcGIS進(jìn)行用戶和群組初始化[14],配置群組、用戶、信息服務(wù)的管理和維護(hù),為外業(yè)信息采集系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐。主要功能包括采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空間數(shù)據(jù)管理、用戶管理和群組管理等。
(1)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備:根據(jù)農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測(cè)監(jiān)管業(yè)務(wù)需求,配置項(xiàng)目基礎(chǔ)信息以及需要采集的信息,如:項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)方案及相關(guān)圖件、項(xiàng)目基礎(chǔ)資料、工程地點(diǎn)、工程類型、建設(shè)內(nèi)容、工程完成量、發(fā)現(xiàn)問題以及現(xiàn)場(chǎng)照片、視頻等附件信息。
(2)空間數(shù)據(jù)管理:根據(jù)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)監(jiān)管工作需要,提前收集相關(guān)的空間數(shù)據(jù),進(jìn)行空間數(shù)據(jù)管理和服務(wù)發(fā)布等。(3)用戶管理:用戶創(chuàng)建、刪除、設(shè)置密碼、分組、權(quán)限控制等。(4)群組管理:工作組創(chuàng)建、刪除、設(shè)置、添加用戶等。
該文利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、GIS等技術(shù)和手段,搭建農(nóng)田建設(shè)內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查云平臺(tái)(圖5)。在農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目區(qū),通過實(shí)時(shí)調(diào)用農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測(cè)監(jiān)管數(shù)據(jù)服務(wù),按照項(xiàng)目階段、監(jiān)管任務(wù)要求,開展項(xiàng)目區(qū)導(dǎo)航、地物信息查看、田間道路溝渠等工程量現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、評(píng)價(jià)記錄和現(xiàn)場(chǎng)拍照取證,調(diào)查結(jié)果完成后,利用4G/5G 網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目外業(yè)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)傳輸,以在線交互的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)管理與外業(yè)數(shù)據(jù)采集的一體化協(xié)同作業(yè)。
以智能手機(jī)為調(diào)查終端,通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將外業(yè)調(diào)查采集的圖形信息和多媒體數(shù)據(jù)傳回內(nèi)業(yè)信息管理平臺(tái),業(yè)務(wù)人員可以根據(jù)外業(yè)調(diào)查人員傳回的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和核查工作,實(shí)現(xiàn)農(nóng)田建設(shè)內(nèi)外業(yè)一體化現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的無縫銜接。對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)查方法進(jìn)行了改進(jìn),從而解決了工作中的現(xiàn)實(shí)問題。調(diào)查云平臺(tái)主要在廣東省東莞市、河北省保定市2個(gè)地區(qū)進(jìn)行試用,通過逐步完善工作機(jī)制,取得了良好效果。
(1)解決了傳統(tǒng)調(diào)查工作缺少工作底圖的問題。通過天地圖、谷歌、OpenStreetMap等互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù),不僅解決了工作底圖的問題,同時(shí)為項(xiàng)目區(qū)實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
圖5調(diào)查云平臺(tái)Fig.5 Survey cloud platform
(2)解決了外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳輸?shù)膯栴}。利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)等智能終端,為農(nóng)田建設(shè)工作提供基礎(chǔ)設(shè)施保障,使復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作變得簡(jiǎn)單而高效,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)查方法的不足,提升了工作效率。
(3)提供了便捷的成果數(shù)據(jù)展示與分析功能。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲取農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目區(qū)位置、現(xiàn)場(chǎng)照片以及施工情況等信息,結(jié)合內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)核查和數(shù)據(jù)分析工作,為農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目的監(jiān)督、管理提供了新的模式和實(shí)現(xiàn)路徑。
(4)突破了辦公環(huán)境限制。在非固定辦公環(huán)境充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源和現(xiàn)有的信息化成果,通過內(nèi)外業(yè)一體化協(xié)同作業(yè),完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集、匯交,內(nèi)業(yè)綜合管理,跟蹤農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目的進(jìn)展情況,實(shí)現(xiàn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目外業(yè)工作標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、便捷化、高效化,提高外業(yè)管理質(zhì)量和內(nèi)業(yè)分析展示效率。
相比以往調(diào)查手段,該文借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、GIS、智能移動(dòng)終端、云服務(wù)等多種信息技術(shù),大大提高了土地整治現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作的質(zhì)量和效率,不僅實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目野外定位、實(shí)時(shí)跟蹤管理、準(zhǔn)確掌握項(xiàng)目進(jìn)度等,解決了定位難、測(cè)量難、記錄難等問題,而且保持了內(nèi)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)一致性和現(xiàn)勢(shì)性,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)分析和共享。
在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)中,需要通過對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查技術(shù)方法進(jìn)行對(duì)比,合理選擇有效地調(diào)查方法,從而科學(xué)合理地實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田建設(shè)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,確保更準(zhǔn)確地完成農(nóng)田建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作,確?!疤?、地、網(wǎng)”一體化的農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測(cè)監(jiān)管技術(shù)體系得以實(shí)現(xiàn)。隨著信息化技術(shù)日趨成熟,農(nóng)田建設(shè)業(yè)務(wù)結(jié)合“云服務(wù)+移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+地理平臺(tái)+公共地圖資源”方式,緩解了業(yè)務(wù)人員的系統(tǒng)運(yùn)維壓力,集成了豐富的數(shù)據(jù)資源、設(shè)施資源等,突破了辦公環(huán)境的限制,提高了外業(yè)管理質(zhì)量和內(nèi)業(yè)分析展示效率。