基于3S技術(shù)的地名外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

趙帥華，趙雙明，胡迎迎，喻國(guó)榮，付兵杰

基于3S技術(shù)的地名外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

趙帥華1，趙雙明1，胡迎迎2，喻國(guó)榮1，付兵杰1

（1.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.湖北省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中心，湖北 武漢 430071）

利用3S技術(shù)開發(fā)了地名外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用方便、靈活、高效，且花費(fèi)較低，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)繪方法的不足；并已在湖北省某地區(qū)地名普查外業(yè)數(shù)據(jù)采集中測(cè)試使用。結(jié)果表明，該系統(tǒng)有助于提高地名外業(yè)調(diào)繪的工作效率，可作為利用3S開發(fā)移動(dòng)應(yīng)用的一個(gè)參考。

3S；地名普查；實(shí)地調(diào)繪；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

地名不僅是識(shí)別不同地域的簡(jiǎn)單符號(hào)，也是重要的地理和社會(huì)公共信息。地名信息不全、不新、不準(zhǔn)確等問(wèn)題日益嚴(yán)重，陳舊落伍的檔案檢索方式早已無(wú)法滿足高科技信息時(shí)代的需要。為提高地名標(biāo)準(zhǔn)化管理和服務(wù)水平，迫切需要進(jìn)行全面的地名普查。地名普查的重要流程之一是地名外業(yè)調(diào)繪，即對(duì)地名實(shí)體進(jìn)行實(shí)地踏勘。調(diào)繪過(guò)程中需要采用現(xiàn)場(chǎng)踏勘的方式進(jìn)行信息對(duì)照、核實(shí)，采集地名信息以及相關(guān)的多媒體信息、空間位置信息，并將采集的地名空間信息標(biāo)注到工作草圖上。傳統(tǒng)的調(diào)繪方式在定位、地名信息錄入、多媒體信息采集等方面存在諸多不便，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。以3S技術(shù)為核心的信息工程技術(shù)的普及為地名信息實(shí)地采集提供了一種新方式。例如，RS提供的大比例尺多源數(shù)據(jù)可以方便地進(jìn)行宏觀決策，GIS可為空間數(shù)據(jù)分析、處理和表達(dá)提供技術(shù)支持[1]，在實(shí)地調(diào)查系統(tǒng)中利用GPS進(jìn)行定位可提高所獲取數(shù)據(jù)的精度[2-3]。

隨著3S技術(shù)的發(fā)展，在很多行業(yè)出現(xiàn)了采用一種或多種3S技術(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)地調(diào)查系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的桌面和Web信息系統(tǒng)不能滿足實(shí)時(shí)、便捷采集數(shù)據(jù)的需求[4-5]，也從側(cè)面促進(jìn)了實(shí)地調(diào)查系統(tǒng)的發(fā)展。智能終端等移動(dòng)技術(shù)的成熟使外業(yè)工作人員可以隨時(shí)隨地獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行決策支持[6]。利用GPS技術(shù)，信息采集系統(tǒng)越來(lái)越多地被應(yīng)用于精細(xì)農(nóng)業(yè)[7]、農(nóng)田土地平整地形測(cè)量[8]、面積實(shí)地測(cè)量等方面；利用GPS和GIS技術(shù)，實(shí)地調(diào)查系統(tǒng)在土地整理[9]、考古數(shù)據(jù)采集[10]和變量灌溉控制[11]等方面都有了很大發(fā)展；3S技術(shù)還被成功應(yīng)用于昆蟲數(shù)據(jù)收集[12-13]、葡萄園管理[14]、農(nóng)作物[15-16]、衛(wèi)生[17]等領(lǐng)域。隨著2014年1月23日國(guó)務(wù)院《關(guān)于開展第二次全國(guó)地名普查的通知》[18]的發(fā)布，之前的一些研究無(wú)法完全符合新的實(shí)地調(diào)繪作業(yè)要求，如張偉[19]等基于移動(dòng)GIS和LBS技術(shù)對(duì)地名快速采集方法進(jìn)行了研究，但并未對(duì)地名實(shí)體的空間信息進(jìn)行編輯處理。此外，上述系統(tǒng)往往以矢量圖層為工作底圖，并不能為調(diào)繪人員提供更為直觀的實(shí)地環(huán)境信息；以遙感影像為底圖可以提供更加清晰、真實(shí)的額外參考，但遙感影像往往尺寸較大，無(wú)法整合到移動(dòng)GIS系統(tǒng)中使用[20]。本文開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)預(yù)處理對(duì)遙感影像進(jìn)行壓縮，再將遙感數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到移動(dòng)設(shè)備中，可以方便利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

地名外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是為地名外業(yè)調(diào)繪提供一個(gè)集成的外業(yè)調(diào)繪工具，可以安裝在任何基于Android操作系統(tǒng)（版本4.0或以上）的平板電腦或智能手機(jī)上。系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)層、中間層以及應(yīng)用層，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.1 系統(tǒng)層

該層為系統(tǒng)提供底層操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)。相比于iOS、Windows Phone和Symbian等平臺(tái)，Android平臺(tái)具有平臺(tái)開放、硬件支持廣泛、性價(jià)比高、開發(fā)方便、多媒體接口豐富等優(yōu)勢(shì)，且Android移動(dòng)終端設(shè)備大多都集多媒體、定位及無(wú)線傳輸功能于一體[21]，因此系統(tǒng)選用基于Android操作系統(tǒng)的平板電腦作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，并選用廣泛使用的開源工具Eclipse 4.4作為開發(fā)工具。

1.1.2 數(shù)據(jù)層

該層負(fù)責(zé)管理和儲(chǔ)存不同種類的數(shù)據(jù)，包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)等。對(duì)于地名普查的一 次外業(yè)調(diào)繪，需要有預(yù)先準(zhǔn)備的遙感數(shù)據(jù)和其他矢量地圖，并經(jīng)預(yù)處理后存放在SD擴(kuò)展卡中；調(diào)繪過(guò)程中采集到的圖片、音視頻數(shù)據(jù)也存放到SD擴(kuò)展卡中，生成的屬性數(shù)據(jù)直接保存到矢量數(shù)據(jù)中。

1.1.3 中間層

該層用以連接數(shù)據(jù)層與應(yīng)用層，包括Android數(shù)據(jù)接口、定位接口、多媒體接口以及移動(dòng)端GIS開發(fā)工具集等。利用它們可以屏蔽應(yīng)用組件和操作系統(tǒng)之間的交互細(xì)節(jié)，專注于功能模塊的實(shí)現(xiàn)，提高開發(fā)效率。

1.1.4 應(yīng)用層

該層建立在中間層之上，是系統(tǒng)功能應(yīng)用的具體展示，包括地圖瀏覽、地名調(diào)繪、定位導(dǎo)航、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、多媒體采集等功能。當(dāng)要執(zhí)行數(shù)據(jù)查詢、編輯以及分析等功能時(shí)，由應(yīng)用層提供用戶交互界面支持具體操作。

1.2 功能設(shè)計(jì)

UML中的用例圖可以有效捕獲操作流向以及大部分系統(tǒng)功能需求[22]。地名外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的用例圖包括6個(gè)模型：①地圖瀏覽，包括地圖漫游、放大縮小、顯示隱藏；②定位導(dǎo)航，用戶可以定位當(dāng)前位置，并能借助高清底圖導(dǎo)航到目標(biāo)位置；③任務(wù)管理，用戶可增加、修改、刪除任務(wù)，便于更加靈活高效地開展工作；④地名調(diào)繪，用戶能利用GIS技術(shù)新增和編輯地名實(shí)體要素（如點(diǎn)要素代表房屋建筑物等地名實(shí)體，線要素代表道路、河流等地名實(shí)體）信息；⑤多媒體采集，包括圖片、音頻和視頻數(shù)據(jù)的采集；⑥數(shù)據(jù)導(dǎo)出，用戶可將矢量數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)導(dǎo)出到電腦中顯示（圖2）。

圖2 系統(tǒng)用例圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

地名外業(yè)調(diào)繪是地名普查中一項(xiàng)復(fù)雜的工作，涉及許多處理過(guò)程，第一步就是數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理主要包括圖層格式、圖層字段以及多媒體文件命名3部分。

外業(yè)調(diào)繪所使用的數(shù)據(jù)類型和所生成的數(shù)據(jù)類型各異（如.jpg、.tiff、.dwg）導(dǎo)致了數(shù)據(jù)類型的不統(tǒng)一，給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換帶來(lái)很大不便。本文將所有數(shù)據(jù)類型統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為兩種類型：.ini和.shp，并以WGS84為坐標(biāo)系統(tǒng)（見表1），相應(yīng)操作主要在ArcMap 10.2和UCMap地圖配置程序中完成。

表1 圖層格式說(shuō)明

表2 圖層字段設(shè)計(jì)

地名實(shí)體的屬性字段包括地名代碼，類別代碼，標(biāo)準(zhǔn)地名，羅馬字母拼寫，民族文字，所在（跨）行政區(qū)，簡(jiǎn)稱，別名，地理位置，語(yǔ)種，地理實(shí)體概況，地名的來(lái)歷、含義及歷史沿革，資料來(lái)源，多媒體信息和備注等[18]。一般地，為提高地名外業(yè)工作效率，外業(yè)調(diào)繪時(shí)只需記錄其中關(guān)鍵項(xiàng)即可，其他字段可在內(nèi)業(yè)處理中結(jié)合其他資料完成。調(diào)繪成果圖的圖層字段設(shè)計(jì)如表2所示。多媒體數(shù)據(jù)是指地名實(shí)體所對(duì)應(yīng)的圖片、音頻和視頻數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分別為照片、錄音和錄像數(shù)據(jù)建立了保存路徑單獨(dú)存儲(chǔ)。多媒體數(shù)據(jù)的命名格式設(shè)計(jì)為：“標(biāo)準(zhǔn)地名_地名類別_多媒體類型_4 位隨機(jī)數(shù).保存類型”，如街道口_0102_1_3297.jpg。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文基于Eclipse平臺(tái)開發(fā)地名外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所使用的硬件和軟件規(guī)格為： Windows7操作系統(tǒng)，Intel(R) Core(TM) i3 M380 2.53GHz處理器；Samsung SM-T530，Android 4.4操作系統(tǒng)，Inter Quard Core 1.2GHz，支持GPS和SD擴(kuò)展；Eclipse 4.4；UCMap SDK for Android V6.0.0；UCMap地圖配置程序；UCMap Raster Maker。

系統(tǒng)開發(fā)涉及數(shù)據(jù)壓縮、地圖配置、迭代測(cè)試等過(guò)程，其中最基本的兩個(gè)過(guò)程為數(shù)據(jù)壓縮和地圖配置。

2.1 數(shù)據(jù)壓縮

遙感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大往往是阻礙其在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行本地存儲(chǔ)的主要原因，此外移動(dòng)設(shè)備內(nèi)存也不足以完全顯示和計(jì)算遙感數(shù)據(jù)，使得很多實(shí)地調(diào)查系統(tǒng)無(wú)法充分利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)。為解決這一問(wèn)題，采用UCMap的Raster Maker工具對(duì)遙感影像進(jìn)行壓縮處理。

數(shù)據(jù)壓縮可以最大化地利用遙感數(shù)據(jù)，加快數(shù)據(jù)顯示，減少移動(dòng)設(shè)備卡頓現(xiàn)象。在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，一幅原始柵格數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮處理后其文件大小可縮減1/2，且顯示速度要快很多。雖然數(shù)據(jù)壓縮較耗時(shí)，但對(duì)于地名普查而言，遙感影像覆蓋區(qū)域較大，更換遙感影像地圖并不頻繁，一般只需進(jìn)行一次壓縮處理即可，因此通過(guò)壓縮處理后遙感數(shù)據(jù)可用于地名外業(yè)調(diào)繪。

2.2 地圖配置

系統(tǒng)所用地圖數(shù)據(jù)包括一幅遙感影像和多幅矢量地圖。為了更好地利用遙感影像和矢量數(shù)據(jù)，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入操作，利用UCMap地圖配置程序?qū)⑦b感影像和矢量地圖整合到一起，生成統(tǒng)一的.ini格式文件供系統(tǒng)調(diào)用。地圖配置過(guò)程如圖3所示。

圖3 地圖配置流程圖

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

利用Eclipse 4.4和Java語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)地名外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能。

2.3.1 地圖瀏覽與定位導(dǎo)航

地圖瀏覽主要包括地圖的漫游和放大縮小。由于當(dāng)前移動(dòng)終端主要是觸屏操作，因此系統(tǒng)主界面除了設(shè)置放大、縮小功能按鈕外（圖4a），還支持觸屏拖動(dòng)、放大、縮小等手勢(shì)。

定位導(dǎo)航包括固定視角定位和自由視角導(dǎo)航。固定視角定位可將地圖視圖以當(dāng)前定位點(diǎn)強(qiáng)制居中顯示，有助于調(diào)繪人員快速定位到當(dāng)前實(shí)際位置；自由視角導(dǎo)航不會(huì)將視圖按定位點(diǎn)強(qiáng)制居中顯示，可方便調(diào)繪人員通過(guò)判斷當(dāng)前位置與目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行自主導(dǎo)航。定位視角轉(zhuǎn)換按鈕如圖4a中左下角圖標(biāo)所示。

2.3.2 地名調(diào)繪

地名調(diào)繪是系統(tǒng)的核心部分，包括地名信息的采集與編輯。其中新增地名信息的步驟為：①添加新任務(wù)或從待做任務(wù)列表中選擇一項(xiàng)任務(wù)（圖4a）；②選擇目標(biāo)圖層（圖4b）；③在目標(biāo)圖層上繪制圖形；④填寫地名屬性基礎(chǔ)信息（圖4c、4d）；⑤采集地名多媒體信息（圖4e）；⑥保存并退出。修改地名信息包括修改屬性信息和修改空間幾何信息兩部分，其中修改空間幾何信息包括新增結(jié)點(diǎn)、刪除結(jié)點(diǎn)和移動(dòng)結(jié)點(diǎn)等操作，如圖4f右側(cè)浮動(dòng)功能圖標(biāo)所示。

圖4 系統(tǒng)部分功能界面

2.3.3 任務(wù)管理

任務(wù)管理包括普查目錄和普查結(jié)果（圖4a、4f）。對(duì)于外業(yè)任務(wù)，不僅可提前做整體部署，也可根據(jù)實(shí)際需要做臨時(shí)調(diào)整。整體部署需預(yù)先將任務(wù)清單以特定格式儲(chǔ)存到系統(tǒng)中，使用時(shí)便可直接讀取任務(wù)。系統(tǒng)也支持臨時(shí)添加任務(wù)，以應(yīng)對(duì)實(shí)際情況。任務(wù)完成后在普查結(jié)果中可對(duì)其進(jìn)行查看、再次編輯或刪除。

2.3.4 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

數(shù)據(jù)導(dǎo)出包括矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)出和多媒體數(shù)據(jù)導(dǎo)出。系統(tǒng)支持隨時(shí)將普查結(jié)果以矢量圖層的形式導(dǎo)出。通過(guò)屏幕左側(cè)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出圖標(biāo)，可以將普查完成的任務(wù)以shp格式導(dǎo)出至SD卡中，方便后續(xù)拷貝到電腦上供內(nèi)業(yè)處理。

3 系統(tǒng)評(píng)估

以湖北省某地區(qū)第二次全國(guó)地名普查為測(cè)試案例對(duì)該地名外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用研究。根據(jù)湖北省地名分類實(shí)際情況，將所涉及的地名實(shí)體類型分為點(diǎn)類和線類。該地區(qū)測(cè)試使用的遙感影像原始大小為4.24 GB，經(jīng)數(shù)據(jù)壓縮后大小變?yōu)?.03 GB，數(shù)據(jù)量減少約1/2，顯示速度也非常流暢，未出現(xiàn)視圖卡頓的情況。離線定位時(shí)，定位精度在3～9 m，滿足地名普查規(guī)定的測(cè)量誤差小于20 m的要求。通過(guò)如圖5所示的操作流程，調(diào)繪人員準(zhǔn)確高效地完成了相應(yīng)地名信息采集任務(wù)，與傳統(tǒng)采集方式相比，提高了工作效率。

系統(tǒng)測(cè)試表明，3S技術(shù)能顯著提升地名普查項(xiàng)目中外業(yè)調(diào)繪工作的質(zhì)量和效率。系統(tǒng)能解決一系列實(shí)際問(wèn)題并使復(fù)雜的實(shí)地調(diào)繪工作變得更高效，如在調(diào)繪過(guò)程中，調(diào)繪人員能輕易地判定位置和方向、識(shí)別任務(wù)邊界等。

圖5 地名信息采集操作流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以Android移動(dòng)設(shè)備為終端，利用UCMap、Eclipse和Java編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)開發(fā)了地名外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了全面的功能，支持單擊和觸屏操作，適合當(dāng)前主流移動(dòng)平臺(tái)。本文所開發(fā)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在平板電腦等移動(dòng)設(shè)備上的整合；通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)互操作以及直接數(shù)據(jù)訪問(wèn)等方式，為地名外業(yè)調(diào)繪提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于促進(jìn)基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)設(shè)備和工作站之間的數(shù)據(jù)共享；提供了可用于地名普查項(xiàng)目的外業(yè)調(diào)繪系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)整合、空間查詢和空間定位等功能；可幫助用戶在地名外業(yè)調(diào)繪中獲得科學(xué)信息技術(shù)支持。本文基于3S技術(shù)并運(yùn)用于移動(dòng)設(shè)備的方法可作為技術(shù)框架應(yīng)用于其他相關(guān)應(yīng)用中。該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、在線數(shù)據(jù)獲取、語(yǔ)音識(shí)別輸入等方面還可以進(jìn)一步完善。

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B

1672-4623（2017）05-0063-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0052.0

趙帥華，碩士研究生，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)和數(shù)字圖像處理。

2016-10-20。