顧 芳，張思聰

（1.新疆維吾爾自治區(qū)測(cè)繪科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

黨的十八大以來(lái)，我國(guó)圍繞生態(tài)文明建設(shè)提出了一系列新理念新戰(zhàn)略，生態(tài)文明理念日益深入人心，保護(hù)水土資源，維護(hù)良好的生態(tài)環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)提供有力支撐。水土保持行業(yè)認(rèn)真貫徹落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)總基調(diào)，積極轉(zhuǎn)變工作思路，充分利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段，提升工作能力和水平，推動(dòng)衛(wèi)星遙感、全球定位等技術(shù)在水土保持行業(yè)推廣應(yīng)用，加快信息資源整合共享，創(chuàng)新管理模式[1-3]。

本文以Android 移動(dòng)平板為載體，分析水土保持工作中土壤侵蝕調(diào)查的業(yè)務(wù)流程，針對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)方式中存在的局限和難點(diǎn)，充分利用衛(wèi)星遙感、全球定位、信息技術(shù)等手段，提出基于移動(dòng)平板硬件設(shè)備的調(diào)查數(shù)據(jù)采集集成化，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和批量化，從而實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)平板的內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)模式。促進(jìn)信息化和水土保持工作深度融合，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)紙質(zhì)作業(yè)到數(shù)字化作業(yè)、從內(nèi)外業(yè)分離到內(nèi)外業(yè)無(wú)縫集成的作業(yè)方式轉(zhuǎn)變，規(guī)范了作業(yè)流程、提升了作業(yè)精度、提高了工作效率，為水土保持工作開展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，推動(dòng)水土保持管理的信息化建設(shè)[4-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

充分利用移動(dòng)GIS、GPS 和RS 技術(shù)，建立一種新的土壤侵蝕外業(yè)數(shù)據(jù)采集模式，實(shí)現(xiàn)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的電子化、信息化，內(nèi)業(yè)成果整理自動(dòng)化、批量化。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包括空間定位、地圖瀏覽、編輯、圖像、姿態(tài)、方位等信息自動(dòng)獲取、輸入輸出以及數(shù)據(jù)處理等一系列功能，提升土壤侵蝕調(diào)查數(shù)據(jù)獲取與處理的能力，為水土資源調(diào)查提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用框架開發(fā)模式，由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范層、數(shù)據(jù)支撐層、基礎(chǔ)框架層、功能應(yīng)用層共同構(gòu)成，除基本功能框架外，各層之間沒有直接耦合，模塊間采用通用接口進(jìn)行連接，確保各模塊相互獨(dú)立、互不影響，保障了系統(tǒng)的高度穩(wěn)定和實(shí)用性，便于維護(hù)和優(yōu)化[7]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范層：系統(tǒng)建設(shè)嚴(yán)格遵循行業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)程等，并根據(jù)建設(shè)內(nèi)容形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源建設(shè)和符號(hào)化表達(dá)規(guī)范要求。

2）數(shù)據(jù)支撐層：作為系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)支持，包含底圖數(shù)據(jù)衛(wèi)星影像、土壤侵蝕調(diào)查數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)、文檔資料等數(shù)據(jù)。

3）基礎(chǔ)框架層：包含高度集成化的應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)和中間件產(chǎn)品，通過(guò).NetFrameWork、ArcGIS、Android API 和ArcGIS For Android 等提供統(tǒng)一的技術(shù)支撐。

4）功能應(yīng)用層：功能應(yīng)用層包括桌面端數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和移動(dòng)端外業(yè)調(diào)查子系統(tǒng)。

1.3 移動(dòng)端系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

移動(dòng)端外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)主要用于核查內(nèi)業(yè)采集的土地利用信息、調(diào)查土壤侵蝕風(fēng)蝕和水蝕影響因子，以及采集照片，并適應(yīng)各類外業(yè)作業(yè)環(huán)境下外業(yè)調(diào)查、樣本信息采集等工作需求。設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)加載以及地圖縮放、平移、量算、圖層控制等基本的地圖操作功能；土地利用信息、土壤侵蝕的影響因子調(diào)查功能；點(diǎn)線面要素的新增、刪除、修改和屬性編輯功能；實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位、軌跡記錄、照片采集等功能，在采集實(shí)地自然景觀照片時(shí)存儲(chǔ)拍攝姿態(tài)和當(dāng)前地理信息位置[9-10]（圖2）。

圖2 移動(dòng)端系統(tǒng)功能

1.4 桌面端系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

桌面端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要用于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，為數(shù)據(jù)處理提供編輯功能，包括外業(yè)調(diào)查工作底圖制作；與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行交互的調(diào)繪數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能；數(shù)據(jù)編輯功能。根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)調(diào)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行空間邏輯關(guān)系處理、屬性與空間實(shí)體關(guān)聯(lián)處理、多媒體數(shù)據(jù)處理等；風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕調(diào)查報(bào)表的輸出；制圖輸出功能（圖3）。

圖3 桌面端系統(tǒng)功能

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 移動(dòng)設(shè)備集成化作業(yè)

傳統(tǒng)作業(yè)方式下作業(yè)人員需要攜帶手持GPS進(jìn)行定位，數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行地塊采樣拍照，此外還需要通過(guò)描述信息對(duì)調(diào)查點(diǎn)的地理坐標(biāo)和地塊周圍環(huán)境信息進(jìn)行記錄，并將上述信息進(jìn)行屬性信息掛接，操作繁雜。通過(guò)采用移動(dòng)平板設(shè)備，充分調(diào)用平板內(nèi)置的GPS、陀螺儀、電子羅盤、照相機(jī)等硬件，對(duì)平臺(tái)軟件進(jìn)行定制化研發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)軟硬件的集成化作業(yè)。

基于ArcGIS API的GPS定位實(shí)現(xiàn)程序中通過(guò)實(shí)現(xiàn)LocationDisplay 類，管理當(dāng)前位置在地圖中的展示，包括當(dāng)前位置信息、符號(hào)，以及隨地圖操作等進(jìn)行自動(dòng)變化。調(diào)用LocationDisplay.getMapLocation接口即可獲得當(dāng)前地圖位置，將獲取到的位置信息投影定位到地圖坐標(biāo)系，以實(shí)現(xiàn)外業(yè)調(diào)繪人員實(shí)時(shí)位置信息的展示。

基于Android Service 后臺(tái)服務(wù)的GPS 軌跡記錄研發(fā)時(shí)使用BroadcastReceiver 接口接收系統(tǒng)GPS 模塊的廣播信息，在onReceiver 方法中通過(guò)調(diào)用start-ForegroundService，以Android Service 的方式實(shí)現(xiàn)后臺(tái)服務(wù)。

實(shí)時(shí)獲取相機(jī)姿態(tài)的照片采集在研發(fā)中，通過(guò)構(gòu)建繼承至Surface View 視圖的自定義CameraView 類，實(shí)現(xiàn)自定義相機(jī)。在相機(jī)工作時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)聽SensorEventListener 獲取拍照時(shí)的相機(jī)姿態(tài)；同時(shí)，通過(guò)使用LocationDisplay 類監(jiān)聽GPS，獲取當(dāng)前定位點(diǎn)的經(jīng)緯度信息。

系統(tǒng)提供了一套高度集成的外業(yè)調(diào)查方案，有效避免了調(diào)查人員在不同硬件、不同軟件之間頻繁切換，為外業(yè)調(diào)查工作的開展提供了完備的技術(shù)平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)查成本高的難題，實(shí)現(xiàn)了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的電子化、信息化。

2.2 數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化

1）基于模板的數(shù)據(jù)切片。為方便操作，將數(shù)據(jù)切片功能集成到內(nèi)業(yè)端的軟件系統(tǒng)中，通過(guò)建立模板文件，將需要進(jìn)行數(shù)據(jù)切片的圖層、不同圖層的符號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行配置保存，在進(jìn)行數(shù)據(jù)切片時(shí)，軟件會(huì)根據(jù)模板文件自動(dòng)添加切片所需的矢量數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，并自動(dòng)配置符號(hào)，根據(jù)數(shù)據(jù)的投影信息、切片比例尺范圍、切片范圍等參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)切片的批量處理，減少人工干預(yù)，提高切片效率，為底圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供了高效服務(wù)。

2）報(bào)表自動(dòng)化輸出。利用外業(yè)調(diào)繪的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯，通過(guò)自動(dòng)構(gòu)面、調(diào)查單元自動(dòng)編號(hào)、地塊高程值獲取、外業(yè)照片自動(dòng)整理、重疊檢查等功能，在外業(yè)數(shù)據(jù)批量化處理的基礎(chǔ)上提升了自動(dòng)化程度，減少用戶操作頻率，實(shí)現(xiàn)外業(yè)調(diào)查成果表格、制圖數(shù)據(jù)以及成果圖最大程度的自動(dòng)化、批量化，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)業(yè)處理與外業(yè)移動(dòng)調(diào)繪設(shè)備間的互聯(lián)互通、處理流程的集成化、批量化處理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用

1）效率對(duì)比。傳統(tǒng)野外調(diào)查工作主要包括實(shí)地到野外調(diào)查單元勾繪調(diào)查圖，填寫水蝕、風(fēng)蝕野外調(diào)查表，拍攝景觀照片，室內(nèi)清繪調(diào)查成果草圖，將填寫的野外調(diào)查表錄入計(jì)算機(jī)中，將拍攝的景觀照片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)等內(nèi)容，而本系統(tǒng)采用GIS、GPS、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)方法，為復(fù)雜繁瑣的野外調(diào)查、內(nèi)業(yè)處理工作提供了方便、高效的解決方案，處理同一個(gè)調(diào)查單元數(shù)據(jù)所用的時(shí)間由66 min左右壓縮到15 min左右，用時(shí)僅為傳統(tǒng)方式的1∕4，工作效率提升了77%，與傳統(tǒng)的調(diào)查方式相比可解決難以快速推出成果的技術(shù)缺陷，集成化的作業(yè)方式極大的提高了生產(chǎn)作業(yè)的效率和能力，降低了生產(chǎn)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，具體工作效率情況如表1所示。

表1 工作效率情況

2）應(yīng)用情況。經(jīng)過(guò)為期10 d的外業(yè)調(diào)查，對(duì)塔里木河流域風(fēng)蝕和水蝕野外調(diào)查單元的地表粗糙度、地表覆蓋、生物措施等情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。完成了51個(gè)風(fēng)蝕調(diào)查單元，296個(gè)點(diǎn)位，采集到534張風(fēng)蝕照片；45個(gè)水蝕調(diào)查單元，215個(gè)點(diǎn)位，333張水蝕照片。以下為經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)處理后形成的調(diào)查成果，如圖4a為經(jīng)過(guò)處理后的地塊編號(hào)及地塊屬性信息；圖4b為根據(jù)外業(yè)拍攝地塊照片，自動(dòng)整理的景觀信息情況；圖4c為根據(jù)外業(yè)調(diào)繪形成的調(diào)查表信息。

圖4 調(diào)查成果

根據(jù)內(nèi)業(yè)系統(tǒng)批量自動(dòng)化處理，生產(chǎn)了符合水土保持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的成果，矢量圖斑、調(diào)查采集的圖像信息、調(diào)查表格等內(nèi)容齊全，且數(shù)據(jù)按照地塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)，便于管理和使用，與傳統(tǒng)的作業(yè)方式相比更利于作業(yè)資料的歸檔、保存和存儲(chǔ)。

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，本軟件能夠滿足野外作業(yè)環(huán)境下水土流失監(jiān)測(cè)信息調(diào)查、樣本采集時(shí)精確、高效、易操作的工作的要求，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)，為管理工作提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、內(nèi)容全面的成果數(shù)據(jù)，能夠滿足水土保持工作需要。

3.2 實(shí)現(xiàn)效果

集成數(shù)據(jù)切片及配圖模板，為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理提供了便捷的底圖數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了底圖數(shù)據(jù)的批量處理。其生產(chǎn)模式如圖3所示。

1）外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)為用戶提供了簡(jiǎn)單、易操作的良好用戶體驗(yàn)，外業(yè)調(diào)查人員可根據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求完成外業(yè)調(diào)查，提升了外業(yè)調(diào)查工作的效率和質(zhì)量。

2）內(nèi)業(yè)處理系統(tǒng)聚焦水土保持業(yè)務(wù)主體，重點(diǎn)突出與外業(yè)調(diào)繪設(shè)備的交互與聯(lián)動(dòng)，制作出的風(fēng)蝕和水蝕調(diào)查成果符合水土保持行業(yè)成果規(guī)范要求，可直接服務(wù)于水土保持評(píng)價(jià)模型構(gòu)建。

3）科學(xué)規(guī)范了水土流失外業(yè)調(diào)查“由內(nèi)業(yè)到外業(yè)再到內(nèi)業(yè)”的作業(yè)流程與一體化生產(chǎn)作業(yè)模式，輔助提高水土保持模型構(gòu)建與評(píng)價(jià)研究的精度。

圖5 內(nèi)外業(yè)一體化生產(chǎn)模式

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“內(nèi)業(yè)采集-外業(yè)調(diào)查-內(nèi)業(yè)整理”的智能化流水線作業(yè)，打破了水利行業(yè)傳統(tǒng)紙質(zhì)調(diào)繪方式的水土流失外業(yè)調(diào)查模式。集成了測(cè)繪行業(yè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理技術(shù)，并將該技術(shù)利用于水利行業(yè)，建立了基于移動(dòng)平板的水土流失外業(yè)調(diào)查數(shù)字化作業(yè)模式，通過(guò)研發(fā)與之配套的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，全面提升水土流失變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取與處理一體化技術(shù)能力，實(shí)現(xiàn)了水土流失內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程化、自動(dòng)化、智能化，提高水土流失外業(yè)信息調(diào)查采集和核查的效率與準(zhǔn)確性，發(fā)揮了信息技術(shù)在水土保持行業(yè)中的優(yōu)勢(shì)作用。