李 帥 陶維重 任思思

（黑龍江地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0.引言

地理國情監(jiān)測技術(shù)是綜合利用GNSS、RS、GIS等現(xiàn)代測繪技術(shù)和其他相關(guān)科學調(diào)查技術(shù)，結(jié)合歷史檔案和調(diào)查成果數(shù)據(jù)，對地形地貌、地理要素、地表覆蓋等進行常態(tài)化、專業(yè)化監(jiān)測，并對其分布特征、變化規(guī)律、發(fā)展趨勢等進行統(tǒng)計分析，形成反映各類資源、環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟要素的空間分布及其發(fā)展變化規(guī)律的監(jiān)測數(shù)據(jù)、地圖圖形和研究報告等，從地理空間的角度客觀、綜合展示國情國力[2，3]。地理國情監(jiān)測成果是國家政府機構(gòu)制定和實施國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重要依據(jù)，也是開展國土空間“雙評價”、生態(tài)環(huán)境保護、自然資源調(diào)查監(jiān)測、應急保障服務工作的重要數(shù)據(jù)基礎。

外業(yè)調(diào)繪是地理國情監(jiān)測項目的一項基礎性工作。但是，隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展、信息化體系不斷完善，國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和準確性的要求也越來越高，以往的紙質(zhì)調(diào)繪、內(nèi)外業(yè)分工的作業(yè)模式已經(jīng)難以滿足新形勢下各項業(yè)務的需求，亟待向電子調(diào)繪、內(nèi)外業(yè)一體化的方向發(fā)展[4，5]。目前，國內(nèi)一些高等院校、科研單位和相關(guān)公司已經(jīng)對基于移動終端的信息采集技術(shù)進行了大量研究，并在測繪、電力、交通、水利、林業(yè)等行業(yè)得到應用[6-10]。但是這些研究大都致力于外業(yè)信息采集，難以實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化。

本文主要通過深入研究地理國情監(jiān)測外業(yè)核查工作基本作業(yè)流程，緊隨信息化測繪背景下內(nèi)外業(yè)一體化發(fā)展趨勢，基于國產(chǎn)Android平板深度定制開發(fā)，設計了一款基于安卓智能平板設備的內(nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)（以下簡稱內(nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)），為地理國情監(jiān)測項目外業(yè)核查工作提供一套切實可行的技術(shù)方法。

1. 系統(tǒng)框架設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)采用ArcGIS平臺提供的跨平臺解決方案，綜合移動端、桌面端及服務器端開發(fā)技術(shù)，基于ArcGIS Runtime SDK for Android、ArcGIS Server 和ArcGIS Engine進行二次開發(fā)。系統(tǒng)包括移動端外業(yè)調(diào)繪核查系統(tǒng)和桌面端數(shù)據(jù)處理輔助系統(tǒng)兩大模塊。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

內(nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞過程是“服務器—移動終端—服務器”模式。首先，將制作好的地理國情監(jiān)測底圖數(shù)據(jù)存儲在服務器端企業(yè)級地理數(shù)據(jù)庫中，以服務的形式進行發(fā)布。然后，外業(yè)作業(yè)人員通過無線局域網(wǎng)從服務器端緩存矢量底圖數(shù)據(jù)，影像底圖數(shù)據(jù)則直接從服務器端拷貝到移動端，并在野外開展調(diào)繪核查、照片采集和數(shù)據(jù)更新工作。最后，將外業(yè)調(diào)繪成果上傳到服務器中，為下一步內(nèi)業(yè)編輯工作提供依據(jù)。整個數(shù)據(jù)流程（如圖1所示）：

1.3 系統(tǒng)總體框架

內(nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)采用三層體系架構(gòu)，包括用戶表現(xiàn)層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。位于底層的數(shù)據(jù)訪問層主要實現(xiàn)影像和矢量數(shù)據(jù)的讀寫操作；業(yè)務邏輯層是三層體系架構(gòu)的中間層，在數(shù)據(jù)交換中起到了承上啟下的作用[11]；應用層主要實現(xiàn)用戶的界面交互和系統(tǒng)的核心業(yè)務功能[12]?？傮w框架設計（如圖2所示）：

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

圖2 系統(tǒng)總體框架

2.關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Android系統(tǒng)

Android系統(tǒng)由谷歌公司開發(fā)，是當前廣泛使用的移動端操作系統(tǒng)之一，2019年第二季度，Android系統(tǒng)的市場占有比例高達77.14%，遠遠高于IOS的22.83%。

Android系統(tǒng)采用Linux內(nèi)核，采用四層分層架構(gòu)：從高到低依次為Applications應用程序?qū)?、Application Framework 應用程序框架層、Libraries + Android Runtime系統(tǒng)運行庫層和Linux內(nèi)核層[13]。

2.2 ArcGIS Server

ArcGIS Server是基于網(wǎng)絡的WebGIS服務器，它通過HTTP協(xié)議公開服務，滿足Web服務請求，可以將本地GIS資源發(fā)布成各種設備和應用程序中使用的Web服務，包括Map Service、Raster Service、Feature Service、GeoCode Service、Geometry Service等。

2.3 ArcGIS Runtime SDKs

ArcGIS Runtime SDKs是一整套用于快速構(gòu)建GIS應用程序并部署到不同平臺的應用程序開發(fā)包，涵蓋了主流移動端和桌面端操作系統(tǒng)。支持的主要功能有：離線數(shù)據(jù)、地圖瀏覽、地圖查詢、地圖定位、數(shù)據(jù)展示、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)同步、路徑規(guī)劃、地理編碼、視域分析、視線分析等。

2.4 數(shù)據(jù)離線

根據(jù)應用場景的不同，ArcGIS平臺提供了兩種數(shù)據(jù)離線模式[14]：基于服務的離線模式和基于桌面的模式。前者是指通過連接到基于ArcGIS Server、Portal for ArcGIS或ArcGIS Online的已啟用同步功能的要素服務，將地圖數(shù)據(jù)或矢量數(shù)據(jù)從服務器下載到移動設備，支持離線編輯。后者是指使用ArcGIS for Desktop生成用于離線使用的數(shù)據(jù)，不支持離線編輯。為實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化編輯，本文采用基于服務的離線模式，網(wǎng)絡環(huán)境為局域網(wǎng)。

2.5 ArcGIS版本技術(shù)

測繪數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中，常常需要多用戶同時編輯地理數(shù)據(jù)庫，并且需要有地理數(shù)據(jù)庫的事務來處理視圖，使用這些視圖可以確保用戶與其同事相互合作的編輯以及編輯更新之后的結(jié)果可以實時顯現(xiàn)。ArcGIS推出的版本技術(shù)可以滿足這類需求。ArcGIS版本是ArcSDE軟件在多用戶關(guān)系型數(shù)據(jù)庫基礎上的一種機制，依托于ArcSDE提供的長事務處理工具[15]，可以實現(xiàn)不同用戶在各自獨立的編輯會話中分別對數(shù)據(jù)進行操作，無需對生產(chǎn)版本進行鎖定，因此不會影響到其他用戶的操作。利用ArcGIS版本技術(shù)可實現(xiàn)多人協(xié)同編輯。

2.6 移動端多圖層符號模型

目前一些成熟的商業(yè)GIS桌面軟件都有一套完善的符號體系，但對移動端的支持仍然存在局限，通常只支持簡單的標記、線型和填充符號，無法滿足地形圖圖式規(guī)范要求，嚴重制約了電子化調(diào)繪的推廣應用。國內(nèi)外常見的解決方案是將符號化的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格切片，打包之后在移動端加載顯示：該方案能夠完整保留符號化效果，但是矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了圖片，無法對數(shù)據(jù)進行編輯。多圖層符號模型的基本原理是將多個單一符號圖層疊加，形成新的復合符號。本文基于ArcGIS Runtime支持的多圖層符號模型實現(xiàn)了對復雜符號的支持，自主研發(fā)了符合地理國情監(jiān)測項目圖式規(guī)范的移動端符號庫，實現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)的動態(tài)化符號渲染，解決了移動端矢量數(shù)據(jù)符號化顯示的關(guān)鍵問題。

2.7 基于表達式語言的智能化標注技術(shù)

采用基于表達式語言的智能化標注技術(shù)，支持對矢量圖層屬性字段的數(shù)學計算、文本操作和邏輯判斷，實現(xiàn)矢量圖層的智能化文本標注；支持對文本標注的放置位置、放置規(guī)則、字體樣式等進行動態(tài)設置。智能化標注滿足了外業(yè)調(diào)繪對屬性直觀查看的需求，顯著提高了作業(yè)效率。

2.8 遙感影像高效壓縮技術(shù)

地理國情項目采用的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)量巨大，對移動設備的存儲和計算能力提出了較高要求。本文通過研發(fā)基于JPEG壓縮編碼的遙感影像壓縮處理工具，在“視覺保真”的同時，實現(xiàn)了遙感影像數(shù)據(jù)的5～10倍左右高比例壓縮，解決了按縣、市級行政單元劃分測區(qū)時遙感影像底圖數(shù)據(jù)量過大的問題。同時，通過生成影像金字塔和計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)，顯著提高了遙感影像的加載速度。

2.9 野外厘米級高精度定位技術(shù)

通過WIFI或藍牙無線連接的方式，接入便攜式高精度定位設備。通過將高精度定位設備接入省級CORS網(wǎng)絡，基于網(wǎng)絡RTK技術(shù)實現(xiàn)實時或近實時厘米級高精度定位，在外業(yè)調(diào)繪的同時，進行新增地物的補測，壓縮了傳統(tǒng)測繪先調(diào)繪、后補測的作業(yè)工序，有效節(jié)約了成本。

3.系統(tǒng)功能模塊設計

3.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)（如圖3所示）：

3.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊是移動端與服務器端數(shù)據(jù)交換的橋梁，主要通過數(shù)據(jù)離線下載和數(shù)據(jù)在線同步功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。圖層管理功能實現(xiàn)圖層的開關(guān)、透明度設置、標注顯示開關(guān)、縮放至圖層等功能，另外，實現(xiàn)對柵格圖層渲染方式的設置。

3.3 地圖定位模塊

地圖定位模塊包括定位開關(guān)、方向開關(guān)、軌跡開關(guān)、定位設置等功能。地圖定位模塊是內(nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)的一個重要輔助功能，不僅能夠幫助外業(yè)工作人員準確判斷空間位置和方向，還可以實現(xiàn)GPS歷史軌跡回放。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.4 調(diào)繪核查模塊

調(diào)繪核查是地理國情監(jiān)測外業(yè)的一項重要工作，該模塊主要包括原筆跡標繪、樣本照片采集、外業(yè)核查、橡皮擦、路線規(guī)劃、量測等功能。原筆跡標繪實現(xiàn)手寫筆跡的錄入；樣本照片采集功能實現(xiàn)現(xiàn)場照片采集，同時記錄拍照的位置和方位信息；路線規(guī)劃功能可以幫助外業(yè)人員在出測前提前規(guī)劃行走路線，避免不必要的行程；測量工具實現(xiàn)簡單的距離和面積量算。

3.5 數(shù)據(jù)編輯模塊

數(shù)據(jù)編輯模塊包括矢量編輯和屬性編輯。其中，矢量編輯包括點、線、面要素的新增、刪除、節(jié)點編輯等基本操作以及要素的裁切、合并、分割、延伸、打斷、修形等高級編輯操作，屬性編輯主要實現(xiàn)地物屬性信息的錄入和修改。在編輯的過程中，實現(xiàn)回退功能，對節(jié)點捕捉開關(guān)狀態(tài)及捕捉容差進行設置。

3.6 桌面端輔助模塊

桌面端輔助模塊主要完成數(shù)據(jù)前期預處理、數(shù)據(jù)導出和后處理。數(shù)據(jù)前期預處理實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，將SHP、MDB、GDB數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為移動端支持的.geodatabase數(shù)據(jù)格式；實現(xiàn)影像底圖數(shù)據(jù)的預處理，對TIFF或ERDAS IMAGINE格式的柵格數(shù)據(jù)進行高保真壓縮，并計算金字塔和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)后處理實現(xiàn)樣本照片處理和解譯樣本庫制作等功能，主要包括樣本照片的經(jīng)緯度、方位角等EXIF信息的寫入，遙感影像解譯樣本小圖片的自動裁剪，解譯樣本數(shù)據(jù)庫的制作等功能。

4.系統(tǒng)主要創(chuàng)新點

（1）基于ArcGIS Engine開發(fā)了桌面端輔助程序，幫助工作人員完成數(shù)據(jù)前期處理及調(diào)繪底圖制作，完成調(diào)繪后，又輔助工作人員進行調(diào)繪成果的導出、整理和檢查，減少內(nèi)外業(yè)之間工序銜接的工作量。

（2）結(jié)合ArcGIS Server技術(shù)，將空間數(shù)據(jù)以要素服務的形式發(fā)布，通過要素服務可以將數(shù)據(jù)從服務器離線緩存到移動端，并且在外業(yè)調(diào)繪工作完成后，可以直接將外業(yè)修改內(nèi)容同步回傳給服務器，無需額外的格式轉(zhuǎn)換工作。同時，利用ArcGIS版本技術(shù)，還支持多人同時離線編輯的工作模式，允許同一小組內(nèi)的多個移動終端與同一臺服務器交互，并對同一要素的不同部分進行修改，以及并發(fā)進行數(shù)據(jù)離線緩存和在線同步回傳。

（3）利用移動終端的硬件集成優(yōu)勢，實現(xiàn)了定位和調(diào)繪核查功能。目前，主流的Android平板設備都普遍配置了各類傳感器，本系統(tǒng)利用Android開放的相關(guān)接口調(diào)用GPS、陀螺儀、相機、電容筆等傳感器設備，實現(xiàn)了實時定位定向、樣本點照片信息采集、原筆跡標繪等常用功能，實現(xiàn)無紙化調(diào)繪，提高外業(yè)人員工作效率。

（4）利用ArcGIS Runtime SDK原生對.geodatabase格式離線矢量空間數(shù)據(jù)庫的支持，實現(xiàn)了離線數(shù)據(jù)存儲和編輯功能。通過ArcGIS Runtime SDK提供的空間數(shù)據(jù)操作引擎和自定義算法，實現(xiàn)簡單的要素增、刪、查、改功能和較為復雜的幾何拓撲操作，方便外業(yè)人員在現(xiàn)場進行簡單的形狀編輯和屬性錄入，真正實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化編輯。

5.結(jié)束語

本文主要研究了地理國情監(jiān)測內(nèi)外業(yè)一體化工作流程，詳細介紹了內(nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)的設計思路、關(guān)鍵技術(shù)和主要創(chuàng)新點。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個省市的地理國情監(jiān)測項目中得到應用，得到了一線作業(yè)人員的廣泛好評，后續(xù)將在以下幾個方面對系統(tǒng)功能進一步完善：（1）實現(xiàn)對不同分辨率、不同Android版本的平板設備自動化適配；（2）增加常用的移動端數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查功能；（3）結(jié)合高德地圖、百度地圖的離線導航包，實現(xiàn)移動端離線導航功能。

內(nèi)外業(yè)一體化是測繪行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，本文設計的移動端地理國情監(jiān)測內(nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)實現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)工作流程之間的無縫銜接、降低了勞動強度、提高了工作效率、節(jié)約了社會成本，對促進傳統(tǒng)測繪技術(shù)革新和模式轉(zhuǎn)變具有重要意義，有著廣泛的應用前景。