于波，陳威昊

(1.延吉市規(guī)劃勘測設計院，吉林 延吉 133000； 2.沈陽市城市測繪有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 引 言

隨著數字技術的計算機信息技術的蓬勃發(fā)展，測繪工作面臨著重要的發(fā)展機遇，隨著測繪技術日新月異的發(fā)展以及社會建設對測繪成果的需求，對測繪工作智能化提出了更高的要求，只有更智能的測繪技術，才能更好地為社會各行各業(yè)提供保障服務[1～3]。

全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的出現(xiàn)和相關計算機技術的融合創(chuàng)新，很好地解決了測繪工作中實時定位的問題[4]。測繪工作中重要的是采集各種地理信息，在不同的發(fā)展階段，人們對地理信息的獲取方式采用了不同的手段，隨著新發(fā)展階段的到來，人們逐漸提高了對測繪工作中地理信息獲取的要求[5]。如文獻[6]內提到的面向三維SAR的測繪技術，該技術在采集地理信息后，構建三維模型，通過加入高程向誤差分量的仿真數據清楚了位置偏移誤差，保證了模型的精確水平，三維SAR系統(tǒng)對測繪工作有很大幫助，但是在目前的應用環(huán)境下，遠距離控制信號時延比較高，地理信息采集的速度也不能保證，測繪系統(tǒng)的通信水平需要進一步提高。文獻[7]提到的基于無人機的測繪系統(tǒng)存在類似的問題，使用無人機技術采集大量三維信息，為測繪工作提供更完整、可靠的地理信息，但是并沒有解決信號時延高的問題，系統(tǒng)的通信能力很難得到保障。本文提出基于GIS模型的區(qū)域地理信息實時測繪系統(tǒng)設計，解決現(xiàn)行測繪系統(tǒng)存在的時延問題。

2 基于GIS模型的區(qū)域地理信息實時測繪系統(tǒng)硬件設計

在系統(tǒng)硬件設計中，主要在原有的硬件結構基礎上對部分功能進行優(yōu)化，測繪系統(tǒng)硬件整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框架圖

考慮到測繪系統(tǒng)設計是為了提高通信水平，在硬件設計中，優(yōu)化硬件部分的通信能力。對于區(qū)域地理信息的獲取，主要依賴系統(tǒng)硬件的探測模塊，探測模塊中包含發(fā)射端和接收端，在此基礎上，在探測模塊增加一個功率放大電路和接收端前置放大電路[8]。接收端前置放大電路使用的運算放大器型號為AD827，該器件最高轉換速率可達 300 V/us，功耗較低[9]。增益調節(jié)電路的設置能夠同時達到保護電路和提高信號質量。

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)離不開軟件與硬件的合作，測繪系統(tǒng)軟件部分處理的都是離散的電信號，對于產生的信號，設計數模轉換電路將數字信號轉換成模擬量，再經過模數轉換電路，將探測到的回波信號轉換成離散的數字信號，傳遞到軟件部分執(zhí)行下一步操作。

在獲得區(qū)域地理信息后，信息的傳輸安全是一個重要問題，信號的傳輸離不開通信技術的支持，現(xiàn)階段無線傳輸技術發(fā)展趨勢良好，相比傳統(tǒng)的有線傳輸模式，無線傳輸更加方便，覆蓋的范圍也更廣泛[10]。在測繪系統(tǒng)硬件設計中，在硬件結構中加入無線傳輸模塊，設計的無線傳輸模塊由WiFi模塊、靜態(tài)隨機存儲器和GPRS模塊組成。在無線傳輸模式的支持下，采用WiFi和GPRS雙網通信的模式支撐系統(tǒng)通信功能的實現(xiàn)，在近距離區(qū)域內，以WiFi模塊作為通信的主要支撐，在遠距離區(qū)域，切換GPRS網絡，實現(xiàn)遠距離通信，通過這種靈活的通信模式保證了測繪系統(tǒng)在任意環(huán)境中就能實現(xiàn)無障礙通信。

3 基于GIS模型的區(qū)域地理信息實時測繪系統(tǒng)軟件設計

3.1 GIS模型的接入方案設計

使用GIS模型作為測繪系統(tǒng)的區(qū)域地理信息繪制平臺，設計測繪系統(tǒng)與GIS模型的接口方案，在測繪系統(tǒng)數據交換功能的支持下，采用AutoCAD提供標準的DXF數據交換文件，將獲取的區(qū)域地理信息通過AutoCAD轉換為DXF數據，導入到GIS模型中，通過圖像繪制算法，繪制出區(qū)域地理模型。

3.2 空間數據庫集成結構設計

在測繪系統(tǒng)與GIS模型連接后，設計GIS與區(qū)域地理信息數據庫的集成結構，考慮到測繪系統(tǒng)以測量、繪制為核心，需要空間分析能力以及圖像數據管理、地理模型操作等功能，采用緊密集成的方式將GIS與地理信息數據庫集成在一起，形成空間數據庫。采用Visual Basic作為集成環(huán)境，通過數據環(huán)境、DAO和Active數據對象技術集成空間數據庫，調度動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)GIS與測繪系統(tǒng)之間的實時數據傳遞和數據表現(xiàn)，其結構形式如圖2所示。

圖2 測繪系統(tǒng)空間數據庫的緊密集成方案

以GIS模型和空間數據庫作為支撐，繪制區(qū)域圖像。

3.3 數據實時處理算法設計

在區(qū)域圖像繪制中，以采集的地理信息作為區(qū)域圖像的提供方，以地圖上點的經緯度作為參考，給定一個控制點集{q0，q1，…，qN}，設置起始控制點為q0，依次連接所有控制點，一直連到qN，將qN與起始控制點q0相連，確定多邊形區(qū)域。

繪制圖像中，已知控制點集合{p0，p1，…，pN}，其中pi(xi，yi)，p2(x2，y2)、p3(x3，y3)，令i=0，依次取點pi(xi，yi)、pi+1(xi+1，yi+1)、pi+2(xi+2，yi+2)、pi+3(xi+3，yi+3)，令pi=p0、pi+1=p1、pi+2=p2、pi+3=p3，如果x0

(1)

(2)

(3)

求解以下方程組：

(4)

計算出m1和m2的值。以上公式中l(wèi)、a、m和v均為計算過程中的臨時中間變量。

3.4 基于三次樣條逼近技術的區(qū)域圖像繪制算法

如果采集的地理信息提供的控制點個數為3n+1，其中n∈N，利用三次樣條曲線從起始控制點依次用平滑曲線連接到終止控制點，再將起始控制點與終止控制點相連，，得到最后一個區(qū)間為[xN，x0]，令x0=x3、x0=x3，計算三次樣條曲線的曲線函數。計算公式如下：

(5)

公式中x∈[x2，x3]。如果控制點數減少了兩個，為3n+2，相應的區(qū)間為[xN-2，xN-1]和[xN-1，xN]。此時，令xN-2=x1、xN-1=x2、xN=x3，利用三次樣條曲線的函數中的曲線函數：

(6)

公式6中x∈[x1，x2]，此時將式(5)與式(6)結合，即可得到最后的區(qū)域圖像的邊界函數。如果用戶提供的控制點個數為3n，多出兩個控制點，依次用曲線連接到倒數第三個控制點。在連接控制點后，相應的區(qū)間為[xN-2，xN-1]、[xN-1，xN]和[xN，x0]。此時，令xN-2=x0、xN-1=x1、xN=x2、x0=x3，同樣利用三次樣條曲線的函數計算，公式如下：

(7)

將式(5)、式(6)和式(7)結合在一起計算，即可繪制出曲線區(qū)域，形成區(qū)域圖像。至此，基于GIS模型的區(qū)域地理信息實時測繪系統(tǒng)設計完成。

4 基于GIS模型的區(qū)域地理信息實時測繪系統(tǒng)實驗研究

4.1 實驗方案設計

區(qū)域地理信息實時測繪系統(tǒng)在設計完成后，需要對系統(tǒng)的實際功能進行研究測試，在研究中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不足，以便及時改進，完善系統(tǒng)功能。考慮系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成，在實驗研究中，也從系統(tǒng)的硬件和軟件兩部分入手設計實驗方案，在硬件測試中，針對地理信息采集的性能，設計地理信息讀取速度實驗，設置順序讀取和隨機讀取兩種信息讀取狀態(tài)，使用第三方軟件監(jiān)控系統(tǒng)運行過程，輸出實驗結果后，依據實驗結果分析系統(tǒng)硬件應用水平；在系統(tǒng)軟件測試部分，以系統(tǒng)通信信號的質量作為實驗目標，設置不同的測量距離，采集系統(tǒng)運行過程中產生的通信信號，計算通信信號的延時時間和處理數據的大小。

為了突出設計的測繪系統(tǒng)的應用水平，實驗以對比實驗為主，在實驗前，引入兩種常規(guī)的測繪系統(tǒng)，分別是三維SAR的測繪系統(tǒng)和基于無人機的測繪系統(tǒng)，以實際地區(qū)地形為例，采集數據信息，模擬實驗數據。數據模擬顯示界面如圖3所示。

圖3 數據模擬顯示界面

在數據模擬完成后，提交信息到實驗數據庫中，為各個測繪系統(tǒng)提供地圖瀏覽功能，以便測繪系統(tǒng)在相同的實驗環(huán)境下采集地理信息。在上述內容準備完成后，研究測繪系統(tǒng)的硬件性能和軟件性能。

4.2 信息傳輸速度實驗結果與分析

在信息傳輸速度實驗中，以實驗數據集中的地理信息作為目標，使用不同的測繪系統(tǒng)讀取地理信息，使用第三方軟件監(jiān)督測繪系統(tǒng)運行過程中，輸出順序讀取狀態(tài)下和隨機讀取狀態(tài)下傳輸讀取速度。實驗結果具體內容如圖4所示。

圖4 不同測繪系統(tǒng)的信息傳輸速度實驗結果

圖中顯示的實線表示順序讀取狀態(tài)下測繪系統(tǒng)硬件信息讀取速度，虛線表示隨機存取速度。對比觀察圖中結果，基于三維SAR的測繪系統(tǒng)在讀取地理信息時，由圖4(a)可知，該方法，順序讀取時速度變化有明顯波動變化，整體處于較低的水平，平均讀取速度為 31.6 MB/s，在隨機讀取狀態(tài)下，多次隨機讀取速度相近，沒有出現(xiàn)比較大的變化，平均讀取速度為 76.8 MB/s，讀取速度較快，由此可知，隨機狀態(tài)下測繪系統(tǒng)地理信息讀取速度有明顯的提升。

由圖4(a)、圖4(b)可知，基于無人機的測繪系統(tǒng)在讀取地理信息時，讀取速度結果與基于三維SAR的測繪系統(tǒng)讀取地理信息方法相似。

在三種測繪系統(tǒng)中，如圖4(c)所示，本文提出的測繪系統(tǒng)地理信息兩種讀取速度均最快，且隨機讀取速度高于順序讀取速度。從隨機存取時間指標和CPU利用率指標實驗結果可知，三組實驗結果中，本文提出的測繪系統(tǒng)地理信息讀取方法，隨機存取時間最短，CPU利用率最低，說明提出的測繪系統(tǒng)在讀取地理信息時，具有節(jié)省資源、速度快的特點。

4.3 通信信號質量實驗結果與分析

通信信號質量實驗場景在室內環(huán)境搭建，模擬區(qū)域地理信息實時測繪的測試距離，為了保證實驗的公平公正，對通信信號特征進行設置，設置采樣率為 2 MHz，每個周期包含 65 536個采樣點，持續(xù)時間為 5 ms，每個周期內包含 10 000個有效數據點，信號的時域特性和頻域特性符合圖5所示的情況。

圖5 通信信號的時域特征和頻域特征

完成實驗環(huán)境的搭建后，開始通信信號質量實驗，搭建的實驗環(huán)境在室內 10 m2范圍內，將測繪系統(tǒng)和目標布置在WiFi信號的覆蓋范圍內，將測繪系統(tǒng)安裝在計算機上，按照設定的周期發(fā)送通信信號，系統(tǒng)的接收端再采集回波信號，在一次實驗完成后，調整測量距離，得到多組實驗結果。通信信號質量實驗結果具體內容如表1所示。

不同測繪系統(tǒng)通信信號質量實驗結果 表1

通過表中數據可知，隨著測試距離的增加，測繪系統(tǒng)的信號延時也在不斷增加，接收數據量在不斷減小，對比三組實驗結果數據可知，提出的基于GIS模型的實時測繪系統(tǒng)信號時延最低，在正常的信號時延變化范圍內，與其相比，另外兩組實驗結果并不理想，時延高，接收的數據量也比較少，說明通信質量受到時延的影響較大，數據的安全性和完整性難以保證。將上述結果與信號傳輸速度實驗結果結合在一起分析可知，設計的基于GIS模型的測繪系統(tǒng)通信信號質量高，信號傳輸速度快，提出的測繪系統(tǒng)優(yōu)于常規(guī)的測繪系統(tǒng)。

5 結 語

本文以區(qū)域地理信息實時測繪系統(tǒng)為研究目標，在相關研究資料和技術的支持下，設計了基于GIS模型的區(qū)域地理信息實時測繪系統(tǒng)，從硬件和軟件兩方面對系統(tǒng)進行的性能上的優(yōu)化，并在系統(tǒng)設計完成后，以常規(guī)的測繪系統(tǒng)為研究對象，從系統(tǒng)軟件和硬件兩方面設計對比實驗，在實驗結束后，通過實驗結果證明了設計的基于GIS模型的測繪系統(tǒng)具有高水平的通信能力，能夠為區(qū)域地理信息實時測繪項目作出貢獻。但是，在系統(tǒng)的設計過程中，受到開發(fā)技術和研究時間的限制，系統(tǒng)的部分功能并沒有得到完整的驗證，在用戶體驗和操作靈敏上還需要進行更進一步的研究與分析，在后續(xù)研究中，將從用戶體驗和用戶操作滿意度兩個方面展開研究與驗證，進一步完善測繪系統(tǒng)的各項功能，為測繪工作提供一定的技術支持。