基于協(xié)同服務的移動實時測圖系統(tǒng)

張海濤，高莎莎，杜國慶，江 暢

(1．南京郵電大學地理與生物信息學院，江蘇南京210003;2．南京師范大學地理信息科學江蘇省重點實驗室，江蘇南京210097;3．江蘇省測繪局，江蘇南京210013)

一、引 言

隨著空間技術、信息技術、“3S”技術(GPS、RS和GIS技術)等現(xiàn)代高新技術的發(fā)展和在測繪領域的滲透與融合，測繪技術體系經歷了傳統(tǒng)的模擬測繪、數(shù)字測繪的變革，進入了信息化測繪時代[1，2]。

空間數(shù)據(jù)采集、制圖作為信息化測繪的重要環(huán)節(jié)，其精確性、實時性是決定整個測繪流程效率的關鍵。傳統(tǒng)的測圖方法：內、外業(yè)分離的測圖模式以及簡單移動測圖的方法均存在效率低、不適合多群體并行作業(yè)的大規(guī)模測圖工程的缺點。為此，本文提出基于無線數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)膬?、外業(yè)一體化的移動測圖模式，并重點研究移動測圖系統(tǒng)中群體協(xié)同服務的方法。實踐證明，基于協(xié)同服務[3]的移動測圖系統(tǒng)可以顯著提高多群體并行作業(yè)的大規(guī)模測圖工程的效率。

二、傳統(tǒng)的移動測圖及存在問題

目前，測圖作為信息化測繪的重要組成環(huán)節(jié)，其組織、管理、調度水平仍顯滯后，典型的作業(yè)方法包括兩種模式。

1．內、外業(yè)分離的測圖模式

測圖作業(yè)嚴格劃分為兩個相對獨立的階段：外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內業(yè)制圖[4]。該模式的主要缺點是割裂了測圖作業(yè)的整體性，外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中不能及時、有效地發(fā)現(xiàn)錯誤(編碼錯誤、測漏、重測以及精度超限等)，待內業(yè)數(shù)據(jù)制圖時才發(fā)現(xiàn)問題，往往無法彌補，通常需要進行再次或多次的返測，引起大量的重復勞動，造成人力、物力資源的浪費。

2．移動測圖模式

內業(yè)制圖功能移植到外業(yè)數(shù)據(jù)采集設備上，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)采集、制圖的一體化。主要有3種實現(xiàn)方法。

1)全站儀+PDA的方法。建立PDA與全站儀的串口通信，在PDA設備上存儲坐標點、編碼等，進行簡單的數(shù)據(jù)質量檢查與成圖。

2)RTK流動站+手簿的方法。手簿為RTK廠商配套專用的智能設備，完成與流動站設備的數(shù)據(jù)集成與簡單成圖。這兩種簡單移動測圖的方法雖對傳統(tǒng)的內、外業(yè)分離的制圖模式所有改進，但是在應用過程中存在較大的局限性：野外作業(yè)的環(huán)境惡劣(戶外顯示文字和圖形的能力有限，工作環(huán)境的濕度、溫度等很容易引起數(shù)據(jù)采集處理設備電子器件的損壞)且移動設備所宿主的移動計算環(huán)境資源有限(CPU運算能力、存儲空間、屏幕大小與分辨率以及電池電量等因素)。因此，簡單的移動測圖模式并不能太大地提高測圖作業(yè)的效率。

3)集成多種導航定位和測圖傳感器的車載移動測圖系統(tǒng)(mobile mapping system，MMS)。MMS是目前最先進的測圖方法，具有獨立成圖(無需借助地圖和傳統(tǒng)測圖方式即可完成道路電子地圖的測制)、測量成果全面(空間坐標、矢量數(shù)據(jù)以及連續(xù)的三維圖形等)，而且能夠有效融合其他來源數(shù)據(jù)(可與航片、衛(wèi)片以及傳統(tǒng)地形圖進行有效融合，從而生成信息更為全面的地理信息)以及高效率(能夠以60 km/h的速度完成外業(yè)測圖工作)等優(yōu)點[5]。

但MMS方式存在的最大缺點是：采用獨立作業(yè)模式，不能充分利用分布式網(wǎng)絡資源進行并行處理，因此MMS空間數(shù)據(jù)處理、分析運算能力有限，不適合多群體并行作業(yè)的大規(guī)模測圖工程。另外，MMS費用太高、設備復雜、采集數(shù)據(jù)精度低，且作業(yè)區(qū)域受限(對于野外環(huán)境比較惡劣，車輛無法到達的區(qū)域則不能進行作業(yè))，因此只適合于城市景觀、市政公用設施數(shù)據(jù)的測圖工程。

三、基于協(xié)同服務的移動實時測圖

1．系統(tǒng)架構

移動數(shù)據(jù)通信技術的發(fā)展，為空間數(shù)據(jù)的大批量、實時、高效地無線傳輸?shù)於嘶A。本文提出基于移動數(shù)據(jù)通信技術，構建一種具有移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與后臺制圖系統(tǒng)實時、協(xié)同交互信息功能的移動測圖模式。該模式可以同時發(fā)揮移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的快速獲取空間信息以及內業(yè)制圖系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)分析與制圖功能的優(yōu)勢，大大提高移動測圖作業(yè)的效率。系統(tǒng)架構如圖1所示。系統(tǒng)基于C/S模式的分層架構設計，包括移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和內業(yè)制圖系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)功能框架

移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：登錄管理、任務管理、RTK數(shù)據(jù)、草圖數(shù)據(jù)、視圖操作;內業(yè)制圖系統(tǒng)包括：作業(yè)管理、數(shù)據(jù)管理、制圖管理以及站點管理。實時數(shù)據(jù)傳輸(中間件)是連接兩個子系統(tǒng)的核心功能模塊，其采用Stub/proxy的設計模式。宿主于移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的Stub負責測量數(shù)據(jù)的實時發(fā)送、內業(yè)制圖系統(tǒng)分析處理結果的實時接收，而宿主于內業(yè)制圖系統(tǒng)的proxy則完成測量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、識別，以及內業(yè)制圖系統(tǒng)協(xié)同處理結果的實時發(fā)送等功能。

2．多群體作業(yè)的協(xié)同服務

在大規(guī)模的測圖工程中[6]，通常需要大量的移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并行、協(xié)同工作。設計一種多個移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間以及移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與內業(yè)制圖系統(tǒng)之間信息交互的協(xié)同服務模型是有效解決移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間作業(yè)沖突、動態(tài)調度作業(yè)，提高整體測圖工程效率的關鍵。

(1)作業(yè)單元

移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集的基本作業(yè)單元(job)仍采用圖幅(MapNO)管理的方式。首先，根據(jù)數(shù)據(jù)采集區(qū)域的空間范圍、生成系列符合國家標準的圖幅。然后，依據(jù)作業(yè)環(huán)境、移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量等因素，將指定的圖幅集分配給某一作業(yè)單元，同時為作業(yè)單元內指定要采集的數(shù)據(jù)類型(layer)。最后，將特定的作業(yè)單元分配給某一移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(station)。作業(yè)單元的基本構成要素之間的關系，如圖2所示。

圖2 作業(yè)單元構成的E-R圖

(2)移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與內業(yè)制圖系統(tǒng)的協(xié)同交互

移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與內業(yè)制圖系統(tǒng)之間的信息協(xié)同交互通過移動Web服務實現(xiàn)。協(xié)同交互的基本操作包括：作業(yè)任務生成與分配、作業(yè)任務調用、作業(yè)實施、作業(yè)數(shù)據(jù)提交、作業(yè)數(shù)據(jù)檢查處理以及數(shù)據(jù)制圖等。

具體的操作流程包括：

1)內業(yè)制圖系統(tǒng)調入作業(yè)區(qū)域背景圖，依據(jù)移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量與空間位置分布生成符合國家標準的MapNo，并將其分配給具體的job，然后將job分配給station。系統(tǒng)功能界面如圖3(a)所示。

2)登錄移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過作業(yè)調入模塊，加載為其分配的job。系統(tǒng)功能界面如圖3(b)所示。

3)移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用接入JSCORS網(wǎng)絡的RTK模式，在其job范圍內進行快速的高精度數(shù)據(jù)采集[7]，并編輯其屬性信息。對于不能使用測量設備作業(yè)，且對定位精度要求不高的空間數(shù)據(jù)，可以使用草圖繪制功能進行編輯。系統(tǒng)功能界面如圖3(c)所示。

4)移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成作業(yè)后，進行簡單成圖與數(shù)據(jù)質量檢查，然后將完成的job任務提交到內業(yè)制圖系統(tǒng)。系統(tǒng)功能界面如圖3(d)所示。

5)內業(yè)制圖系統(tǒng)接收移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提交的作業(yè)數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析與質量檢查。如果不能滿足要求，將錯誤與修改要求即刻發(fā)送回移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)修正錯誤或重新作業(yè)，否則內業(yè)制圖系統(tǒng)即利用數(shù)據(jù)處理功能模塊進行數(shù)據(jù)制圖預處理，最后進行數(shù)據(jù)入庫、制圖、打印輸出，功能界面如圖3(e)、3(f)所示。移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與內業(yè)制圖系統(tǒng)的協(xié)同交互的基本流程如圖4所示。

圖3 移動實時測圖系統(tǒng)功能界面

圖4 移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與內業(yè)制圖系統(tǒng)協(xié)同交互

(3)移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的協(xié)同交互

移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的協(xié)同交互采用中心數(shù)據(jù)庫的交互模式，即移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的信息交互需通過內業(yè)制圖系統(tǒng)的任務管理模塊進行轉接。采用協(xié)同交互模式的主要原因是：移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的空間作業(yè)范圍通常比較大，基于P2P的短距離無線數(shù)據(jù)交互無法滿足需求。移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的協(xié)同交互的流程如圖5所示。具體操作步驟包括：

1)移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在作業(yè)的過程中，由于環(huán)境、人為等因素的變化，往往需要對既定的作業(yè)進度進行動態(tài)調整。移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依據(jù)其作業(yè)進度情況，提出任務調度請求。

2)內業(yè)制圖系統(tǒng)接收任務調度請求，作業(yè)管理模塊通過對整個測圖工程的所有作業(yè)任務的監(jiān)控(系統(tǒng)功能界面如圖3(d)所示)，依據(jù)作業(yè)范圍的空間分布、作業(yè)進度控制等因素，生成優(yōu)化調度模型(系統(tǒng)功能界面如圖3(e)所示)，并依據(jù)調度模型算法的生成預案，調度移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理調度任務。

四、結束語

隨著智慧地球、物聯(lián)網(wǎng)等概念的提出，對地理空間信息的需求更為迫切，海量、高精度的地理空間信息的快速獲取以及實時專題地圖制作成為當前測繪技術發(fā)展的新挑戰(zhàn)，針對傳統(tǒng)的內、外分離作業(yè)模式以及簡單移動測圖模式的數(shù)據(jù)測圖系統(tǒng)存在的效率低、應用范圍有限等缺點，本文提出了一種基于協(xié)同服務的移動實時測圖模式，并給出了基于模式的系統(tǒng)架構設計方法以及移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與內業(yè)制圖系統(tǒng)的協(xié)同交互的基本流程。本文設計的移動實時測圖系統(tǒng)，已經在接入JSCORS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集業(yè)務中成功應用。實踐證明，在應用于移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)群體并行、協(xié)同工作的測圖工程中，該系統(tǒng)具有較高的效率。

圖5 移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的協(xié)同交互

[1]李德仁，苗前軍，邵振峰．信息化測繪體系的定位與框架[J]．武漢大學學報：信息科學版，2007，32(3)：189-192．

[2]寧津生，楊凱．從數(shù)字化測繪到信息化測繪的測繪學科新進展[J]．測繪科學，2007，32(2)：5-11．

[3]楊勝文，史美林．協(xié)同服務：從群體到面向服務的協(xié)同系統(tǒng)[J]．通信學報，2006(11)：148-153．

[4]楊曉明，王軍德，時東玉．數(shù)字測圖(內外業(yè)一體化)[J]．北京：測繪出版社，2001．

[5]梁誠．面向GIS的車載空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究[D]．南京：南京師范大學，2007．

[6]付洪波，李偉，于喜旺．淺談西部測圖工程野外測繪工作如何進行有效管理[J]．測繪與空間地理信息，2008，31(4)：215-217．

[7]宋玉兵，丁玉平，沈飛．JSCORS的建設與最新進展[J]．測繪通報．2009(2)：73-74．