肖現(xiàn)臣，張現(xiàn)軍，于忠海

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101)

1 引 言

近年來，我國社會經(jīng)濟和城市化建設(shè)飛速發(fā)展，城市面貌日新月異，城市基礎(chǔ)設(shè)施加快建設(shè)完善。城市地下管網(wǎng)作為城市建設(shè)的一項重要內(nèi)容，是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”[1]，其中，排水管線的建設(shè)量隨著城市的發(fā)展日益增大，為了更好地對排水管線進行管理，促進智慧管網(wǎng)建設(shè)并進一步助力智慧城市，對現(xiàn)有排水管線進行詳細的普查成為尤其重要的任務(wù)。

多年來，城市地下管線數(shù)據(jù)采集和編輯一直是耗時易錯的工作[2]。排水管線普查，主要是獲取排水管線的空間位置信息、屬性信息及現(xiàn)狀照片信息。在以往城市地下管線的普查工作過程中，任務(wù)分配、班組調(diào)動往往采取項目部會議決定、會后逐級通知的模式，信息化程度低、機動性低，缺乏科學性、靈活性。外業(yè)普查采用紙質(zhì)草圖記錄各管線點的連接關(guān)系、管點及管線的屬性信息，內(nèi)業(yè)根據(jù)這些外業(yè)記錄的信息，逐點繪制管線圖，并手動將這些數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫的方式進行作業(yè)[3]。以往的這種工作模式，不僅存在環(huán)節(jié)多、重復(fù)作業(yè)、質(zhì)檢困難、無法及時匯總工作量、項目進度統(tǒng)計滯后的問題，同時也難以保證數(shù)據(jù)的時效性、正確性和可靠性，影響了地理空間信息分析與決策結(jié)果的正確性和準確性[4]。因此，如何有效整合排水管線普查的各個環(huán)節(jié)，提升任務(wù)分配、班組調(diào)度的科學性、靈活性，提高管線外業(yè)采集效率和準確度，實現(xiàn)項目實時進度監(jiān)控和匯總，是開展排水管線普查需要解決的重要問題。

隨著移動通信、移動GIS、移動定位等技術(shù)的快速發(fā)展，移動端設(shè)備的呈現(xiàn)能力、計算能力、存儲能力不斷提升，利用移動設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集成為移動GIS技術(shù)的一個重要應(yīng)用方向。近些年智能手機和平板設(shè)備得到快速普及并深度改變了人們的生活和工作方式，而且基于手機、平板設(shè)備的應(yīng)用能力和水平不斷提升，加之各類平板、智能手機等大多都自帶GPS、相機以及豐富的傳感設(shè)備支持[5]，因此，無須其他專用設(shè)備，手機和平板便完全有能力勝任排水管線數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。

本文通過對濟南市小區(qū)院落排水設(shè)施普查的任務(wù)進行梳理，設(shè)計了信息化的工作流程，研發(fā)了濟南市小區(qū)院落排水設(shè)施普查項目調(diào)度指揮平臺與移動端采集系統(tǒng)，通過兩者的配合，將普查任務(wù)實施中的各個環(huán)節(jié)進行信息化管理。實現(xiàn)了普查進度監(jiān)控、數(shù)據(jù)在線匯交、工作量實時統(tǒng)計等，為項目組提供科學的輔助決策。基于Android設(shè)備研發(fā)的移動端采集系統(tǒng)實現(xiàn)了管線空間位置信息、屬性信息、現(xiàn)場照片信息的一體化快速采集，減少了內(nèi)業(yè)處理環(huán)節(jié)，提高了采集效率和成果質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

本系統(tǒng)分為項目調(diào)度指揮平臺與移動端采集系統(tǒng)兩個部分，并分別進行了架構(gòu)設(shè)計。

項目調(diào)度指揮平臺，基于B/S模式構(gòu)建，以網(wǎng)站形式向用戶呈現(xiàn)?？傮w架構(gòu)設(shè)計為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層四個層次，各層次包括的對象如圖1所示。

圖1 項目調(diào)度指揮平臺架構(gòu)圖

移動端采集系統(tǒng)，基于移動GIS、移動定位等技術(shù)構(gòu)建，運行于Android系統(tǒng)的手機、平板設(shè)備之上。系統(tǒng)采用移動端/服務(wù)端的模式建設(shè)，總體架構(gòu)分為支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層四個部分，如圖2所示。

圖2 移動端采集系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 流程設(shè)計

本系統(tǒng)流程涵蓋小區(qū)院落排水設(shè)施普查項目實施的全部環(huán)節(jié)，包括任務(wù)劃分、班組調(diào)度、外業(yè)采集、成果匯交、工作量統(tǒng)計等各個關(guān)鍵結(jié)點。如圖3所示。

圖3 流程設(shè)計圖

在項目實施準備階段，將所有班組信息錄入指揮調(diào)度平臺，進行信息化管理和后續(xù)任務(wù)分配。

項目實施開始時，在指揮調(diào)度平臺進行任務(wù)劃分，為每個班組指定工作片區(qū)、編號規(guī)則。

各個班組依照平臺的調(diào)度，到指定的工作區(qū)進行小區(qū)院落排水管線的普查。班組通過手機、平板等手持設(shè)備安裝移動端采集系統(tǒng)，通過采集系統(tǒng)進行管點、管線屬性信息、現(xiàn)場照片信息、坐標信息(為草圖坐標，真實坐標采集后在內(nèi)業(yè)進行匹配)。采集過程中，會實時上報班組(手持設(shè)備)的位置到指揮平臺，形成活動軌跡。采集完成后，一方面，班組通過采集系統(tǒng)的導(dǎo)出、匯交功能，匯交初步成果；另一方面，將導(dǎo)出成果交由內(nèi)業(yè)進行質(zhì)檢、進一步處理等操作。班組在完成當前片區(qū)任務(wù)并提交成果后，由指揮平臺再次進行任務(wù)調(diào)度。

班組通過采集系統(tǒng)匯交成果后，成果數(shù)據(jù)進入指揮平臺，并通過后臺服務(wù)自動轉(zhuǎn)化成圖、生成專題地圖，在指揮平臺中的地圖視圖中進行可視化展示。數(shù)據(jù)匯交入指揮平臺后，一是可基于匯交數(shù)據(jù)進行工作量、工作時間的統(tǒng)計；二是成圖展示后，便于指揮人員直觀了解已完成普查的小區(qū)空間分布情況；三是基于工作量統(tǒng)計和成果展示情況，便于指揮人員對統(tǒng)計、了解項目的實施進度，并進一步作為任務(wù)分配、班組調(diào)度的決策參考。

2.3 功能設(shè)計

項目調(diào)度指揮平臺和移動端采集系統(tǒng)兩者結(jié)合，功能上互相聯(lián)系，覆蓋小區(qū)院落排水設(shè)施普查的各個環(huán)節(jié)。

項目調(diào)度指揮平臺主要劃分為系統(tǒng)管理、指揮調(diào)度、地圖視圖、項目監(jiān)控、統(tǒng)計分析幾個模塊，各模塊下詳細功能的設(shè)計如圖4所示：

圖4 項目調(diào)度指揮平臺功能模塊結(jié)構(gòu)

移動端采集系統(tǒng)總體上分為工程管理、地圖視圖、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理四大模塊，各模塊功能劃分如圖5所示。系統(tǒng)將采集任務(wù)細分為多個工程(一般以一個小區(qū)作為一個工程)，以工程為單位進行采集、管理，提供了工程創(chuàng)建、導(dǎo)入、刪除等操作。地圖視圖包含基礎(chǔ)的地圖縮放、移動等導(dǎo)航工具，還設(shè)計了矢量與影像底圖切換、輔助地圖顯示、當前位置定位等功能。數(shù)據(jù)采集模塊提供了豐富、實用、便捷的一體化采集工具。數(shù)據(jù)管理模塊包含成果導(dǎo)出、在線匯交功能。

圖5 移動端采集系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 技術(shù)路線

3.1.1 開發(fā)路線

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為一個服務(wù)端、兩個客戶端(即Web端的指揮調(diào)度平臺和移動端的采集系統(tǒng))，采用前后端分離的開發(fā)模式。

服務(wù)端基于Microsoft.NET平臺進行研發(fā)，開發(fā)語言主要是C#語言，以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(WebService)的形式向客戶端即Web端指揮調(diào)度平臺和移動端采集系統(tǒng)提供服務(wù)接口。

Web端指揮調(diào)度平臺，采用HTML5+JavaScript+CSS的語言組合，地圖組件采用ArcGIS API for JavaScript開發(fā)工具包，兼容主流的瀏覽器環(huán)境。

移動端的采集系統(tǒng)，硬件平臺基于Android系統(tǒng)的手機、平板設(shè)備，通過分析，在各大移動操作系統(tǒng)中，Android操作系統(tǒng)具有開源性、功能強大和集成定位等特點，同時搭載Android系統(tǒng)的設(shè)備在數(shù)量上、支持第三方擴展應(yīng)用方面、導(dǎo)航定位方面、經(jīng)濟性方面都占據(jù)較大優(yōu)勢[6]。因此基于Android系統(tǒng)的手機、平板設(shè)備開發(fā)排水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將更有利于發(fā)揮其價值。地圖組件采用ArcGIS Runtime SDK for Android地圖框架。開發(fā)語言主要為Java。

3.1.2 關(guān)鍵組件選型

地理信息平臺軟件選擇ArcGIS系列軟件和開發(fā)組件，因其功能豐富、運行穩(wěn)定。本系統(tǒng)使用了包括ArcMap、ArcGIS Server、ArcGIS API for JavaScript開發(fā)工具包、ArcGIS Runtime SDK for Android開發(fā)包等。

數(shù)據(jù)存儲方面，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server 2008 R2，該數(shù)據(jù)庫能夠很好地與ArcSDE結(jié)合進行空間數(shù)據(jù)的存儲。移動端數(shù)據(jù)存儲采用Android系統(tǒng)原生支持的Sqlite數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是一款輕量級、跨平臺的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，它的核心引擎本身不依賴第三方軟件[7]。

空間數(shù)據(jù)服務(wù)方面，底圖數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)、管點管線數(shù)據(jù)等通過ArcGIS Server發(fā)布為地圖服務(wù)、要素服務(wù)，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

地圖底圖采用天地圖山東、天地圖濟南提供的矢量、影像地圖服務(wù)。天地圖建設(shè)了包含國家、省、市三級節(jié)點，具有數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性和準確性的優(yōu)勢[8]。

3.2 主要功能

3.2.1 移動端采集系統(tǒng)

(1)管點采集

激活管點采集工具后，在地圖視圖相應(yīng)位置點擊，即可繪制管點的草圖位置，隨后在彈出管點屬性、現(xiàn)狀照片采集界面，進行錄入操作即可，管點編號會依據(jù)規(guī)則自動生成，采集的照片自動根據(jù)管點編號進行關(guān)聯(lián)，如圖6所示。

圖6 管點采集

(2)管線采集

在地圖視圖中進行觸摸拖動，從起點管點拖動到終點管點即可，系統(tǒng)會自動捕捉附近的管點，作為管線的起點、終點。隨后在彈出的管線屬性采集界面填寫內(nèi)容即可，如圖7所示。

圖7 管線采集

(3)其他采集工具

除了管點、管線采集工具，系統(tǒng)還開發(fā)了線上加點、點線編輯、點線移動、點線刪除、位置定位、管點查詢等多個實用的工具，用以解決排水管線采集過程中遇到的各種問題。

(4)在線匯交、成果導(dǎo)出

①在線匯交

移動端采集系統(tǒng)提供在線匯交功能，數(shù)據(jù)采集完成后，一鍵匯交至項目調(diào)度指揮平臺，便于及時把控工作進度、進行工作量統(tǒng)計。

②成果導(dǎo)出

以Excel表格形式將采集成果導(dǎo)出，提供給內(nèi)業(yè)進一步處理，或共享給其他外業(yè)采集人員，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

3.2.2 調(diào)度指揮平臺

(1)普查成果展示

外業(yè)班組通過移動端采集系統(tǒng)匯交的普查成果，經(jīng)后臺工具服務(wù)實時轉(zhuǎn)化成地理空間數(shù)據(jù)格式，并在指揮平臺進行展示，如圖9所示。

圖9 普查成果展示

(2)專題地圖分析

基于普查成果，生成專題地圖進行分析，如雨污混接專題圖、井蓋丟失專題圖、井蓋破損專題圖。

(3)工作量統(tǒng)計

基于普查成果，可按小區(qū)、按行政區(qū)劃、按班組對已普查管點數(shù)量、管線長度等進行統(tǒng)計，可用于日常工作進展匯報和總結(jié)，也可用于對班組工作效率進行評估。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 普查成果自動成圖技術(shù)

為便于移動端進行數(shù)據(jù)采集，初始普查成果采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行存儲。為將關(guān)系型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為GIS格式，利用ArcGIS Model Builder制作了專門的地理處理工具，如圖10、圖11所示，在普查成果匯交到指揮平臺后，自動將管點、管線轉(zhuǎn)化成GIS數(shù)據(jù)存儲到地理空間數(shù)據(jù)庫，并發(fā)布為地圖服務(wù)、要素服務(wù)。

圖10 管點成圖工具

圖11 管線成圖工具

4.2 移動GIS技術(shù)

移動端采集系統(tǒng)采用移動GIS技術(shù)，通過ArcGIS Runtime SDK for Android組件，為用戶在移動端提供可視化地圖，能夠?qū)崟r定位、進行輔助地圖展示，基于該組件可定制豐富實用的草圖繪制工具，方便外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

4.3 數(shù)據(jù)加密技術(shù)

實現(xiàn)了專用數(shù)據(jù)加密、解密算法，應(yīng)用于采集成果的導(dǎo)出、匯交，保障了在網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)安全。

4.4 移動端地圖緩存技術(shù)

系統(tǒng)基于移動端設(shè)備研發(fā)了按區(qū)片緩存瓦片地圖數(shù)據(jù)的功能，可在連接網(wǎng)絡(luò)的情況下，將矢量底圖、影像底圖、輔助地圖等以切片形式發(fā)布的地圖服務(wù)數(shù)據(jù)按區(qū)片緩存到移動端設(shè)備，供采集系統(tǒng)調(diào)用顯示。該功能賦予了移動端采集系統(tǒng)離線運行能力，擴展了系統(tǒng)適用場景，使得在無網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)信號不佳的工作區(qū)同樣可以使用移動端采集系統(tǒng)。

5 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)在濟南市小區(qū)院落排水設(shè)施普查項目中進行了應(yīng)用，項目涉及范圍約 800 km2，共投入300多個外業(yè)班組，任務(wù)緊、班組多，傳統(tǒng)作業(yè)模式難以有效地進行組織調(diào)度、進度監(jiān)控。本系統(tǒng)的應(yīng)用解決了項目實施中的諸多難題，經(jīng)項目部和班組反饋，系統(tǒng)在任務(wù)分配、班組調(diào)度與監(jiān)控、數(shù)據(jù)匯交、工作量統(tǒng)計等各個方面表現(xiàn)均很出色，移動端采集系統(tǒng)在手機、平板設(shè)備中運行穩(wěn)定、操作便捷，提高了外業(yè)班組在野外采集效率。

6 結(jié) 論

本文針對排水管線普查項目傳統(tǒng)作業(yè)模式的弊端，提出了一種覆蓋項目實施各個階段的全流程信息化解決方案，開發(fā)了項目調(diào)度指揮平臺和移動端采集系統(tǒng)，設(shè)計了一種新的項目實施流程，并成功應(yīng)用于濟南市小區(qū)院落排水設(shè)施普查項目，有效促進了任務(wù)分配、班組調(diào)度的科學化合理化，提升了工作效率，方便了對小區(qū)院落排水設(shè)施普查項目的進度掌控和工作量統(tǒng)計，大大節(jié)約了時間成本、人力成本，取得了良好的經(jīng)濟效益。