精準土地調(diào)查技術(shù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊設計及實現(xiàn)

王慧青，王 慶

（東南大學 儀器科學與工程學院，南京 210096）

全面、及時、準確地掌握土地信息是編制土地、利用規(guī)劃、嚴格土地管理、實施耕地保護、進行土地用途管制、集約節(jié)約用地，以及參與宏觀調(diào)控的前提[1]。目前，我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化快速發(fā)展，反映在土地利用上，用地類型、權(quán)屬變化巨大?，F(xiàn)行的城鎮(zhèn)與農(nóng)村、現(xiàn)狀與地籍嚴格區(qū)分，精度統(tǒng)一劃定，每年固定時間集中調(diào)查匯總的方式，對于當前地價不斷攀升的現(xiàn)狀以及城鄉(xiāng)一體化的趨勢，已顯現(xiàn)出不盡合理之處。以“科技興地”推動土地管理方式的重大轉(zhuǎn)變，通過構(gòu)建定量求精（精度高）、定性求準（準確度高）的“精準土地”調(diào)查技術(shù)系統(tǒng)，能及時準確地獲取不同地形地貌、不同經(jīng)濟條件的區(qū)域內(nèi)各種土地利用現(xiàn)狀信息，保障區(qū)域土地資源安全，進行土地宏觀調(diào)控。

“精準土地”通過差別化土地管理政策實現(xiàn)精細管理，基礎均為多源數(shù)據(jù)精確獲取和快速動態(tài)更新，即精準土地調(diào)查。為全面支撐“精準土地”體系建設，精準土地調(diào)查要保證數(shù)據(jù)與實地一致，數(shù)據(jù)要涵蓋土地管理的各方面，保證各地土地利用變化數(shù)據(jù)的及時獲取，要及時用最新調(diào)查成果更新原有數(shù)據(jù)。

本文構(gòu)建的精準土地調(diào)查技術(shù)不是指某一單項技術(shù)，而是指由一系列技術(shù)集成起來的完整的技術(shù)體系。將 GPS、全站儀和遙感方法有機結(jié)合起來，通過不同的測量組合方式，形成不同精度的系列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足不同區(qū)域的“精準”調(diào)查要求。將上述調(diào)查手段組合，與移動 GIS、無線通訊等技術(shù)緊密結(jié)合，就可以將野外數(shù)據(jù)采集，獲取精確的地物邊界，調(diào)查準確的地物屬性，調(diào)查數(shù)據(jù)傳輸和共享等一系列野外工作整合成一個相互協(xié)調(diào)、相互支持的標準化的技術(shù)體系。

1 精準土地調(diào)查技術(shù)系統(tǒng)設計

精準土地實地調(diào)查系統(tǒng)由導航定位系統(tǒng)、實地調(diào)查系統(tǒng)、網(wǎng)絡中繼服務系統(tǒng)、室內(nèi)監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。導航定位系統(tǒng)實現(xiàn)GPS車輛導航，快速到達目的地；實地調(diào)查系統(tǒng)實現(xiàn)目標地塊信息的采集、顯示、編輯、存儲、上報；網(wǎng)絡中繼服務系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)查數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸；室內(nèi)監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實時監(jiān)測各客戶端的工作狀態(tài)，接受實地調(diào)查系統(tǒng)上傳的調(diào)查數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理生成各種數(shù)據(jù)及報表。

（1）導航定位系統(tǒng)

該系統(tǒng)由車載GPS接收機主機和天線、衛(wèi)星信號接收專用饋線、導航軟件以及道路導航電子圖、遙感影像數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀圖等基礎數(shù)據(jù)組成。車載GPS用于調(diào)查車行駛過程中的GPS定位，為調(diào)查車提供地理位置坐標；依據(jù)地理坐標、GPS導航軟件及導航電子圖實現(xiàn)道路交通導航，引導調(diào)查到達待調(diào)查區(qū)域，導航圖內(nèi)容、比例尺隨著與目標接近程度而變化；導航電子圖無法使用時，可利用土地利用現(xiàn)狀圖、遙感影像圖導航，引導調(diào)查人員快速到達所需調(diào)查的地塊現(xiàn)場。

（2）實地調(diào)查系統(tǒng)

實地調(diào)查系統(tǒng)包括GPS、全站儀、皮尺等常規(guī)測量設備，裝載有土地實地調(diào)查軟件的PDA手簿，也稱為客戶端。該系統(tǒng)能實現(xiàn)調(diào)查地塊位置、面積等幾何信息和屬性信息的現(xiàn)場采集、存貯、傳輸。PDA手簿與GPS、全站儀等之間通過藍牙通訊實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的實時采集；GPS接收機可以通過PDA手簿實現(xiàn)與固定基站或網(wǎng)絡差分系統(tǒng)建立連接，獲得高精度定位；所有外業(yè)采集數(shù)據(jù)可以通過PDA手簿中的網(wǎng)絡傳輸模塊實現(xiàn)上傳。

（3）網(wǎng)絡中繼服務系統(tǒng)

網(wǎng)絡中繼服務系統(tǒng)包括GPRS/CDMA撥號器、SIM卡和撥號軟件以及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務器。網(wǎng)絡中繼服務系統(tǒng)是一個數(shù)據(jù)接收和管理系統(tǒng)，在系統(tǒng)中起到信息中樞的作用，使得室內(nèi)監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與實地調(diào)查系統(tǒng)建立網(wǎng)絡通訊連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。中心服務器裝有防火墻，防止病毒入侵和其他非法用戶進入。

（4）室內(nèi)監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

室內(nèi)監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、綜合管理子系統(tǒng)、遠程監(jiān)控子系統(tǒng)和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，實現(xiàn)對遙感影像、土地利用數(shù)據(jù)的綜合管理、分層顯示、土地利用對比分析以及對實地調(diào)查人員進行遠程監(jiān)控，實地調(diào)查信息的實時獲取和即時分析等，生成各種數(shù)據(jù)及統(tǒng)計報表。

2 基于XML的移動GIS工程文件實現(xiàn)

實地調(diào)查系統(tǒng)是以基于PDA手簿的嵌入式GIS軟件支撐平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存貯、傳輸?shù)裙δ?。PDA手簿本身的處理速度、內(nèi)存容量、顯示水平等受到制約，且土地利用數(shù)據(jù)來源多種，格式多樣，用戶需求多樣。為實現(xiàn)移動 GIS與監(jiān)控系統(tǒng)的桌面GIS之間的數(shù)據(jù)傳遞，要求跨平臺的異構(gòu)數(shù)據(jù)間能相互識別，相互轉(zhuǎn)換集成，為此引入工程（即工作空間）技術(shù)[2]。本文在分析移動GIS特性的基礎上，結(jié)合元數(shù)據(jù)國際標準提出一種移動GIS工程管理設計方案，基于XML設計并實現(xiàn)了工程文件，使得各平臺間不需要改變底層數(shù)據(jù)的存儲和管理方式，即可實現(xiàn)分布異構(gòu)數(shù)據(jù)的互操作。該文件的內(nèi)容包括工程數(shù)據(jù)模型和地圖數(shù)據(jù)模型以兩部分。地圖元數(shù)據(jù)模型主要包括圖層名稱、圖層描述信息、圖層可見、圖層可編輯、圖層顯示范圍[四角坐標]、渲染方式等字段。工程元數(shù)據(jù)模型主要包括工程名稱、工程路徑、坐標系投影方式、地圖范圍[四角坐標]、繪圖比例尺、連接GPS設備標識、連接服務器IP/端口號等主要字段。

在提出工程文檔結(jié)構(gòu)設計的基礎上，下一步工作則是如何在保存工程和打開工程過程中具體實現(xiàn)對工程數(shù)據(jù)的管理。其中，新建工程就是在PDA的磁盤上創(chuàng)建一個XML文檔格式的工程文件，文件內(nèi)容包括工程數(shù)據(jù)模型和地圖數(shù)據(jù)模型。保存工程就是在系統(tǒng)做出配置修改，如改變圖層顏色等，希望保存當前系統(tǒng)的所有狀態(tài)所采取的操作，結(jié)果以XML文檔格式存儲；打開工程就是通過調(diào)入XML文檔，直接打開保存前的位置和狀態(tài)，方便快速操作。該過程的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 保存/打開工程的技術(shù)路線Fig.1 The technical line for saving/opening the project

3 基于ACE的嵌入式網(wǎng)絡傳輸客戶端設計

客戶端移動GIS網(wǎng)絡傳輸需求來源于以下幾個方面：為了提高GPS定位精度，移動GIS需要接收來自基站的差分改正信息，同時上傳自身定位數(shù)據(jù)；為了對外業(yè)工作的精細管理，移動GIS需要通過網(wǎng)絡中繼服務系統(tǒng)和室內(nèi)監(jiān)控中心進行雙向通訊，一方面需要接收來自中心的任務發(fā)布信息，另一方面需要向中心上傳現(xiàn)場信息。從以上情況看來，移動GIS客戶端網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣，并且往往會和多種網(wǎng)絡終端同時進行通訊[3][4]。

針對土地調(diào)查實際應用中對于移動GIS在網(wǎng)絡通訊等多方面的需求，本文基于ACE的Reactor框架[5][6]，設計與開發(fā)了具有事件驅(qū)動特性的移動GIS網(wǎng)絡傳輸框架，該框架為高效的事件多路分離和分派提供了可擴展的面向?qū)ο髽?gòu)架。

嵌入式GIS網(wǎng)絡傳輸客戶端模型總體的設計步驟如圖2所示。

（1）創(chuàng)建發(fā)起連接事件的服務器 Connector，以處理所連接到達的事件；

（2）創(chuàng)建建立服務事件的服務器Svc_handler，以處理所連接到達后I/O句柄上的讀寫事件或特殊信號事件；

（3）在反應器上登記，當有相應的事件到達時，通知對應的事件服務器，同時傳遞它想要的用以處理該事件的事件服務器指針給反應器；

（4）反應器構(gòu)架將自動地在內(nèi)部維護一些表，將不同的事件類型與事件服務器關聯(lián)起來，在用戶已經(jīng)登記的某個事件發(fā)生時，反應器發(fā)出對服務器中相應的方法回調(diào)?；贗/O句柄的事件由handle_input、handle_output、handle_exceptions 方法分派；

由于客戶端要向監(jiān)控中心上傳圖斑信息和GGA語句，并從服務中心獲取RTCM信息[7]，所以在程序中需要事先約定與監(jiān)控服務中心的傳輸數(shù)據(jù)類型標識來區(qū)分這幾種不同類型數(shù)據(jù)的傳輸。客戶端與監(jiān)控服務中心間數(shù)據(jù)流程如圖3、圖4所示。

4 網(wǎng)絡中繼數(shù)據(jù)傳輸模式設計

室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)和中繼服務器建立面向連接的專用 Socket連接，中繼服務器將外業(yè)定位數(shù)據(jù)和外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)封裝在數(shù)據(jù)包中，通過Socket連接發(fā)送到對方。室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)進行封裝和解析。

室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)和網(wǎng)絡中繼數(shù)據(jù)系統(tǒng)的通信協(xié)議過程為：

（1）建立連接后，室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)登錄中繼服務器，將標識告知中心服務器。

（2）中繼服務器在接收到登錄信息后，建立室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)和相應的Socket連接對方關系。若成功，則發(fā)送成功信息，否則發(fā)送失敗的信息。

（3）室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)在接收到上一部的就緒應答后，向中繼服務器發(fā)送下載數(shù)據(jù)請求。如果接收失敗信息，則釋放連接資源，數(shù)據(jù)傳遞結(jié)束并返回錯誤信息。

（4）室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)在接收到中繼服務器的成功應答后，繼續(xù)下載數(shù)據(jù)包，并等待中繼服務器應答。如果在一定時間期限內(nèi)始終沒有接收到中繼服務器應答，結(jié)束傳遞過程，并退出登錄，重新建立連接。

（5） 室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)可以在發(fā)送過程中，隨時向中繼服務器發(fā)送停止傳遞請求，中繼服務器作出相應處理釋放占用的資源；

（6） 在成功登錄后，室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)和中繼服務器都可以隨時向?qū)Ψ桨l(fā)送信息，告知對方自家將退出數(shù)據(jù)傳遞過程，接受方作出相應處理釋放占用的資源。

圖2 客戶端網(wǎng)絡傳輸時序圖Fig.2 The timing diagram of client network transmission

圖3 圖斑的發(fā)送流程圖Fig.3 The flow chart of feature sending

圖4 差分信息的收發(fā)流程圖Fig.4 The flow chart of sending and receiving of difference information

5 室內(nèi)監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)及應用

室內(nèi)監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是一個綜合土地利用調(diào)查業(yè)務的信息處理系統(tǒng)。在系統(tǒng)開發(fā)中，采用了組件對象技術(shù)[8]，使用SuperMapObjects 512 GIS組件。SuperMap Objects 基于Microsoft的COM組件技術(shù)標準，以ActiveX控件的方式提供了數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、空間數(shù)據(jù)存儲與管理到空間分析、地圖排版輸出等包括各個環(huán)節(jié)的六個組件，這些組件可根據(jù)不同的功能需求自由組合，具有很強的伸縮性。

室內(nèi)監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分為以下三層：

（1）表示層：系統(tǒng)的上層應用和界面顯示，包括底圖顯示、外業(yè)數(shù)據(jù)實時導入、繪圖操作、屬性編輯、基站設置、PDA 定位、車輛定位等。

（2）業(yè)務處理層：該層是系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)了土地調(diào)查過程中各項業(yè)務的數(shù)據(jù)流程，包括空間數(shù)據(jù)處理、屬性數(shù)據(jù)處理、實時監(jiān)控分析、通訊服務和數(shù)據(jù)訪問控制等。

（3）數(shù)據(jù)通信層：該層主要有兩大模塊，分別是網(wǎng)絡通訊模塊和數(shù)據(jù)庫連接，用于實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的讀寫操作以及調(diào)查數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸。圖5顯示了基于GPRS網(wǎng)絡的外業(yè)采集數(shù)據(jù)實時發(fā)送至室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的效果圖。

東南大學自主研發(fā)的精準土地調(diào)查技術(shù)系統(tǒng)在天津市國土管理的日常業(yè)務中得到較好應用。利用該系統(tǒng)，完成某區(qū)1：2000比例尺的房產(chǎn)專題圖的質(zhì)量檢查與修補測；在天津市城鄉(xiāng)結(jié)合部、公路干線兩側(cè)、村莊周圍及基本農(nóng)田保護區(qū)等以及巡查區(qū)開展日常土地巡查執(zhí)法工作，有效地掌握了實際用地情況，對違法違規(guī)用地行為形成了極大的威懾；進行某開發(fā)區(qū)年度新增建設用地的土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查，降低外業(yè)數(shù)據(jù)采集勞動強度，提高數(shù)據(jù)采集工作效率，實現(xiàn)了“二調(diào)”工作中土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的檢查與更新，確保了數(shù)據(jù)的可靠性、質(zhì)量和精度。

圖5 實時顯示外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)效果圖Fig.5 The real-time display effect figure of field surveying data

6 結(jié)束語

土地資源的宏觀調(diào)控、嚴格管理、科學規(guī)劃、合理利用以及執(zhí)法監(jiān)察等國土資源管理重點業(yè)務均需要準確、翔實的土地基礎數(shù)據(jù)支持。本文提出的集成3S（GPS/GIS/RS）、PDA、無線通訊等技術(shù)的精準土地調(diào)查技術(shù)系統(tǒng)，為土地調(diào)查野外數(shù)據(jù)采集提供了全新的作業(yè)模式。在網(wǎng)絡傳輸框架設計與實現(xiàn)時，下一步應該重點研究如何將3G網(wǎng)絡與移動GIS無線傳輸?shù)男枨筮M行緊密結(jié)合，提高移動GIS在多媒體信息共享、地圖實時共享等方面的性能。

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