地理國情監(jiān)測與基礎(chǔ)測繪聯(lián)合生產(chǎn)外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思考

程 滔，周 旭，賈云鵬

（國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830）

0 引 言

基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測是以第一次全國地理國情普查形成的成果數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用與之相一致的內(nèi)容體系，重點(diǎn)針對(duì)地表覆蓋與地理國情要素內(nèi)容，通過監(jiān)測從上一年度數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)到本年度發(fā)生變化的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)各類變化，補(bǔ)充新增內(nèi)容，形成覆蓋全國的時(shí)間序列監(jiān)測成果，為各項(xiàng)專題性監(jiān)測提供持續(xù)數(shù)據(jù)支撐，并持續(xù)滿足各類行業(yè)需求。具體而言，基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測采用內(nèi)、外業(yè)結(jié)合的方法開展，按照“內(nèi)業(yè)為主、外業(yè)為輔”的原則安排任務(wù)，利用第一次全國地理國情普查成果數(shù)據(jù)作為監(jiān)測本底，基于監(jiān)測期獲取的遙感影像數(shù)據(jù)，識(shí)別變化區(qū)域，采用遙感影像解譯、變化信息提取、數(shù)據(jù)編輯與整理、外業(yè)調(diào)查等技術(shù)與方法，充分利用已經(jīng)收集的解譯樣本數(shù)據(jù)輔助內(nèi)業(yè)解譯[1-2]，采集變化信息，結(jié)合多行業(yè)專題數(shù)據(jù)，對(duì)普查成果數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。內(nèi)業(yè)無法獲取和難以識(shí)別的區(qū)域輔以外業(yè)調(diào)查，其他變化區(qū)域，合理確定核查路線，開展外業(yè)核查。基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測項(xiàng)目具有持續(xù)性、常態(tài)化特點(diǎn)。

1:50 000基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新是對(duì)覆蓋全國的1:50 000地形要素的更新，每年更新一次，每年發(fā)布一個(gè)更新版本，實(shí)現(xiàn)對(duì)更新數(shù)據(jù)的建庫與管理服務(wù)。具體而言，是以現(xiàn)有的1:50 000數(shù)據(jù)庫成果作為更新的底圖數(shù)據(jù)，搜集各種專業(yè)現(xiàn)勢資料[3]，基于遙感影像，更新全國多分辨率正射影像數(shù)據(jù)庫，分析確定資料利用方案，根據(jù)專業(yè)資料、影像以及外業(yè)實(shí)地調(diào)查等多種方式進(jìn)行變化發(fā)現(xiàn)與檢測，以內(nèi)業(yè)整合與外業(yè)重點(diǎn)巡查更新相結(jié)合的方法，進(jìn)行增量式更新生產(chǎn)、建庫與管理。1:50 000基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新項(xiàng)目同樣具有持續(xù)性、常態(tài)化特點(diǎn)。

基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測與1:50 000基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新均是測繪地理信息行業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目，在生產(chǎn)組織與技術(shù)實(shí)現(xiàn)上具有相似性。因此，開展監(jiān)測與動(dòng)態(tài)更新聯(lián)合生產(chǎn)具有可操作性，并能夠節(jié)省外業(yè)工作投入。在此情況下，開發(fā)聯(lián)合生產(chǎn)外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)，有利于增強(qiáng)外業(yè)工作的便利性，提高外業(yè)生產(chǎn)效率，保障外業(yè)成果的一致性。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 總體技術(shù)

基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測與1:50 000基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新在生產(chǎn)組織與技術(shù)實(shí)現(xiàn)上具有相似性。從技術(shù)流程與技術(shù)方法來講，兩者均是采用內(nèi)、外業(yè)相結(jié)合的方法開展，首先基于遙感影像等資料，在內(nèi)業(yè)進(jìn)行首次影像判讀，得到階段性成果數(shù)據(jù)；然后將此成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入到外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)，通過外業(yè)實(shí)地調(diào)查，進(jìn)行判繪和補(bǔ)調(diào)，得到外業(yè)作業(yè)成果；最后將外業(yè)作業(yè)成果再傳回內(nèi)業(yè)[4]，在內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步編輯與整理，得到最終的成果數(shù)據(jù)。

根據(jù)目前地理國情普查、基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測、1:50 000基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，兩者均已開發(fā)了外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)，以滿足外業(yè)調(diào)查工作的需要。鑒于兩者外業(yè)工作特點(diǎn)和相似性，有必要研發(fā)適用于兩者聯(lián)合生產(chǎn)的外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)，將監(jiān)測與動(dòng)態(tài)更新進(jìn)行聯(lián)合生產(chǎn)，使得外業(yè)作業(yè)人員在一次外業(yè)調(diào)查工作中，同時(shí)采集到滿足基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測與1:50 000基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新需求的所有內(nèi)容，從而減少人力、物力、財(cái)力的投入，提高生產(chǎn)效率和勞動(dòng)價(jià)值。

本文即是針對(duì)監(jiān)測與動(dòng)態(tài)更新聯(lián)合生產(chǎn)外業(yè)生產(chǎn)需求，參考現(xiàn)有的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)技術(shù)規(guī)范，依據(jù)地理國情普查、基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測、1:50 000基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新相關(guān)技術(shù)文件，對(duì)監(jiān)測與動(dòng)態(tài)更新聯(lián)合生產(chǎn)外業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)與原則、基本內(nèi)容與要求、技術(shù)方法、工作流程，以及成果內(nèi)容和形式進(jìn)行詳細(xì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用RS、GIS、GPS技術(shù)，研發(fā)適用于聯(lián)合生產(chǎn)的外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地理國情要素、地表覆蓋分類、1:50 000更新要素類型、邊界、屬性等內(nèi)容的采集、錄入、編輯、存儲(chǔ)、查詢、顯示、輸出等，滿足聯(lián)合生產(chǎn)的外業(yè)作業(yè)需要。本文重點(diǎn)從系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)內(nèi)容與數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)兩個(gè)主要方面進(jìn)行介紹。

1.2 模塊特征分析

根據(jù)地理國情監(jiān)測與基礎(chǔ)測繪外業(yè)工作內(nèi)容，聯(lián)合生產(chǎn)外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)需要完成以下基本任務(wù)：

1）對(duì)內(nèi)業(yè)采集的地理國情要素、地表覆蓋分類、1:50 000更新要素的類型、邊界、屬性等信息內(nèi)容進(jìn)行外業(yè)實(shí)地抽樣核查和結(jié)果統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)和更正判讀采集過程中的錯(cuò)誤，檢驗(yàn)內(nèi)業(yè)判讀解譯的正確率[5]。

2）補(bǔ)充完善內(nèi)業(yè)判讀工作中無法確定的、存在疑問的或信息內(nèi)容不完整的地理國情要素、地表覆蓋分類、1:50 000更新要素的類型、邊界、屬性等內(nèi)容。

3）選擇具有代表性和典型性的地物類型，實(shí)地采集遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)。

4）外業(yè)調(diào)查與核查形成的資料和記錄，為使用成果用戶提供判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量情況的客觀依據(jù)，為相關(guān)專題分析、多媒體制作提供素材。

5）補(bǔ)測新增的符合1:50 000更新指標(biāo)的地物地貌要素[6]。

6）1:50 000更新地名調(diào)查。重點(diǎn)調(diào)查核實(shí)行政村及以上地名，其他地理名稱和自然地名擇要核實(shí)，并按規(guī)定將其準(zhǔn)確歸類。補(bǔ)調(diào)重要的新增地名。

因此，根據(jù)基本任務(wù)以及野外作業(yè)場景特點(diǎn)，系統(tǒng)模塊應(yīng)具備以下特征：功能完備且操作簡單，便于作業(yè)人員理解與使用；操作方式、操作流程上符合外業(yè)作業(yè)習(xí)慣，并能減少作業(yè)人員發(fā)生錯(cuò)誤選擇的可能性；有利于作業(yè)人員更多地使用系統(tǒng)開展工作。

1.3 模塊剖分方法研究

基于模塊特征分析，系統(tǒng)劃分為功能模塊和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)兩個(gè)部分，基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測與1:50 000基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新通過功能模塊調(diào)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位[7]、瀏覽，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除、修改、查詢、賦屬性等編輯處理后，將外業(yè)調(diào)繪成果輸出。

系統(tǒng)主要剖分為五大功能模塊：空間定位模塊、地圖瀏覽模塊、地圖編輯模塊、實(shí)景獲取模塊、輸入輸出模塊，如圖1所示。

圖1 外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)功能模塊劃分Fig.1 Functional module division of fi eld surveying system

模塊設(shè)計(jì)主要是結(jié)合需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)各模塊的技術(shù)架構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)、具體功能設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。模塊數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程主要分為3個(gè)環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)輸入與瀏覽、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)輸出，如圖2所示。

圖2 模塊數(shù)據(jù)流程Fig.2 Flow process of module data

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)類型與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

外業(yè)工作流程中，輸入、輸出的數(shù)據(jù)包括以下幾類：

1）空間矢量數(shù)據(jù)：包括內(nèi)業(yè)判讀成果，以及經(jīng)外業(yè)工作后形成的成果。具體指地理國情監(jiān)測的地表覆蓋與地理國情要素?cái)?shù)據(jù)、1:50 000更新要素?cái)?shù)據(jù)，采用ArcGIS的GeoDatabase數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，主要為File GeoDatabase。

2）空間柵格數(shù)據(jù)：是用于聯(lián)合生產(chǎn)的遙感影像數(shù)據(jù)，采用tif或img格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

3）專題數(shù)據(jù)：是用于輔助判讀的專題資料數(shù)據(jù)。矢量采用shp或ArcGIS的GeoDatabase數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)；文檔采用txt、Word、Excel格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

4）多媒體數(shù)據(jù)：是照片、視頻和音頻數(shù)據(jù)。照片采用jpg格式，視頻采用rmvb、avi或mov等通用格式，音頻采用mp3、wv等通用格式。

5）XML數(shù)據(jù)：圖層字段信息、字段可選項(xiàng)信息、圖層對(duì)應(yīng)的符號(hào)樣式等在系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)不發(fā)生增刪改的數(shù)據(jù)信息在系統(tǒng)初期便基本確定，與采用的比例尺、坐標(biāo)系無關(guān)，系統(tǒng)采用XML形式進(jìn)行組織，方便進(jìn)行比例尺等信息的切換，采用xml格式。

6）涂鴉數(shù)據(jù)：涂鴉數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在指定文件夾下，數(shù)據(jù)的命名需包含時(shí)間信息，采用jpg格式。

2.2 數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)訪問空間數(shù)據(jù)的接口[8]采用ArcGIS Engine組件來實(shí)現(xiàn)，提供接口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)提取、視圖管理、數(shù)據(jù)瀏覽等操作。

為了使外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)能夠與內(nèi)業(yè)作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行緊密銜接，并保證外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)模塊之間能夠較好的通信，需要充分考慮系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)。這里從外部數(shù)據(jù)交換方法和內(nèi)部數(shù)據(jù)交換方法兩方面對(duì)系統(tǒng)所涉及到的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 外部數(shù)據(jù)交換方法

這里的外部數(shù)據(jù)交換是指外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)與內(nèi)業(yè)作業(yè)系統(tǒng)在硬件設(shè)備、各種支持軟件以及其他往來關(guān)系之間的交互方法，采用文件交換模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接口設(shè)計(jì)。具體包括以下幾個(gè)方面。

1）與外部硬件設(shè)備接口

這里外部硬件設(shè)備接口是指外業(yè)平板電腦與內(nèi)業(yè)計(jì)算機(jī)相連接的硬件設(shè)備，本系統(tǒng)考慮使用USB數(shù)據(jù)線接口。

2）與常用軟件接口

通過用于數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)文件，可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與ArcGIS、ERDAS等常用軟件之間的通信與交互。系統(tǒng)中提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。盡可能減少數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

能夠?qū)⒁恍﹫?bào)表以Excel電子表格的方式導(dǎo)出，也可以將符合系統(tǒng)定義格式的Excel表格導(dǎo)入到系統(tǒng)中。

3）內(nèi)業(yè)到外業(yè)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)內(nèi)容：首次從內(nèi)業(yè)導(dǎo)入到外業(yè)的數(shù)據(jù)，包括空間矢量數(shù)據(jù)、空間柵格數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等。

①基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測：

a）矢量數(shù)據(jù)分層組織、屬性定義按照《基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)定》[9]。

b）在外業(yè)作業(yè)過程中，對(duì)于地表覆蓋數(shù)據(jù)，“Tag”屬性項(xiàng)的填寫較為重要，以明確標(biāo)識(shí)是否進(jìn)行了外業(yè)核查或調(diào)繪。

對(duì)于地理國情要素?cái)?shù)據(jù)，可添加“Tag”屬性項(xiàng)，用以標(biāo)識(shí)是否進(jìn)行了外業(yè)核查或調(diào)繪。

②1:50 000基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新：

a）矢量數(shù)據(jù)分層組織、屬性定義按照《1:50 000地形要素?cái)?shù)據(jù)規(guī)定（第2版）》[10]。

b）在外業(yè)作業(yè)過程中，對(duì)于各要素?cái)?shù)據(jù)，可添加“Tag”屬性項(xiàng)，用以標(biāo)識(shí)是否進(jìn)行了外業(yè)核查或調(diào)繪。

4）外業(yè)到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)內(nèi)容：外業(yè)作業(yè)完成后，從外業(yè)導(dǎo)出到內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)包括：空間矢量數(shù)據(jù)、遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)的照片數(shù)據(jù)，以及外業(yè)調(diào)查原始軌跡數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)格式：遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)的照片數(shù)據(jù)采用通用jpg格式；外業(yè)調(diào)查原始軌跡數(shù)據(jù)采用通用shp或File Geodatabase格式，或者是能夠轉(zhuǎn)換為通用shp或File Geodatabase格式的數(shù)據(jù)格式。

數(shù)據(jù)組織：基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測矢量數(shù)據(jù)分層組織、屬性定義按照《基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)定》；1:50 000基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新矢量數(shù)據(jù)分層組織、屬性定義按照《1:50 000地形要素?cái)?shù)據(jù)規(guī)定（第2版）》。

2.2.2 內(nèi)部數(shù)據(jù)交換方法

內(nèi)部數(shù)據(jù)交換方法用于說明整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的數(shù)據(jù)交互方式。各模塊必須遵循低耦合、高內(nèi)聚的設(shè)計(jì)原則。它們?cè)谝欢ǖ耐ㄓ嵰?guī)則和集成模式下完成各自獨(dú)立功能的同時(shí)，又能夠有機(jī)地集成在一起，最終服務(wù)于整個(gè)系統(tǒng)的信息處理。為此，必須設(shè)計(jì)出合理的接口來實(shí)現(xiàn)各模塊之間的通信，以達(dá)到信息共享和系統(tǒng)高效集成管理的目標(biāo)。

系統(tǒng)由5個(gè)功能模塊和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組成，各模塊之間的數(shù)據(jù)交換方法如圖3所示。

圖3 外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換Fig.3 Data interface and interaction of fi eld surveying system

具體接口設(shè)計(jì)如下：

1）地圖瀏覽模塊與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間的接口

地圖瀏覽模塊讀取、顯示基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的遙感影像數(shù)據(jù)、矢量地圖數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行圖層控制等操作。

2）地圖編輯模塊與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間的接口

兩者之間數(shù)據(jù)是互訪關(guān)系，地圖編輯模塊讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的矢量地圖數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯操作，將編輯結(jié)果存儲(chǔ)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中。

3）輸入輸出模塊與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間的接口

兩者之間數(shù)據(jù)是互訪關(guān)系，作業(yè)人員登錄后，輸入輸出模塊加載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的遙感影像數(shù)據(jù)、矢量地圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行完編輯等操作后，將成果數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。

4）空間定位模塊與地圖瀏覽模塊之間的接口

空間定位模塊將采集的點(diǎn)位坐標(biāo)、路徑軌跡等數(shù)據(jù)顯示在地圖瀏覽模塊中。

5）空間定位模塊與地圖編輯模塊之間的接口

空間定位模塊將采集的點(diǎn)位坐標(biāo)、軌跡等數(shù)據(jù)傳遞給地圖編輯模塊，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面要素幾何信息的采集。

6）空間定位模塊與實(shí)景獲取模塊之間的接口

空間定位模塊將采集的點(diǎn)位坐標(biāo)傳遞給實(shí)景獲取模塊，能夠?qū)⒉杉倪b感影像解譯樣本以及其他多媒體數(shù)據(jù)與位置信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便于后續(xù)工作的開展。

7）實(shí)景獲取模塊與輸入輸出之間的接口

實(shí)景獲取模塊采集的遙感影像解譯樣本以及其他多媒體數(shù)據(jù)，利用輸入輸出模塊將其導(dǎo)出。

3 結(jié)束語

利用設(shè)計(jì)的方案，開展了應(yīng)用示范，研發(fā)了一套外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)，采用雙模塊切換模式，進(jìn)行監(jiān)測與動(dòng)態(tài)更新聯(lián)合生產(chǎn)的作業(yè)場景切換。通過與相關(guān)單位現(xiàn)有單項(xiàng)目系統(tǒng)比較，設(shè)計(jì)的方案去掉了外業(yè)非必須的、冗余的功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的友好性、可用性，方便在野外使用。

目前設(shè)計(jì)的方案，適用于監(jiān)測與動(dòng)態(tài)更新聯(lián)合生產(chǎn)，但尚未實(shí)現(xiàn)真正意義的內(nèi)容與指標(biāo)融合，這還有待于兩個(gè)項(xiàng)目在頂層設(shè)計(jì)上的整合。但設(shè)計(jì)的方案擴(kuò)展性強(qiáng)，可采用模板定制的方式，將不同的分類體系與內(nèi)容指標(biāo)置入規(guī)范的模板，便捷地拓展至不同的測繪項(xiàng)目，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)健性，利于設(shè)計(jì)方案的推廣應(yīng)用，并對(duì)未來通用型測繪外業(yè)作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。