移動(dòng)端土地督察系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熊長(zhǎng)喜，李 旭

（1. 河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南 鄭州 450003；2. 河南理工大學(xué) 礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003）

0 引 言

為完善土地執(zhí)法督察業(yè)務(wù)工作，國(guó)家土地督察武漢、上海、北京等分局，建設(shè)了基于GIS的土地督察信息平臺(tái)，構(gòu)建了“一庫(kù)兩網(wǎng)三系統(tǒng)”，通過(guò)疊加與對(duì)比分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線索、快速鎖定督察目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了信息分析評(píng)價(jià)、實(shí)地巡查核查、業(yè)務(wù)辦公等功能[1-4]。雖然土地督察信息平臺(tái)在數(shù)據(jù)集成管理、變化圖斑自動(dòng)提取、用地類(lèi)型輔助研判[5]等方面不斷完善，但目前實(shí)地核查工作中仍需要通過(guò)土地督察移動(dòng)車(chē)輛集成筆記本電腦、手持GPS/PDA、無(wú)線路由器、車(chē)載攝像機(jī)、對(duì)講機(jī)、3G網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備和技術(shù)，通過(guò)記錄、導(dǎo)入坐標(biāo)、人工判讀等方式進(jìn)行巡查[6]，存在攜帶設(shè)備多、數(shù)據(jù)獲取離散、網(wǎng)絡(luò)傳輸慢、操作復(fù)雜、成本高昂等問(wèn)題，且簡(jiǎn)單的手持設(shè)備難以與后臺(tái)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，在巡查數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步、野外精準(zhǔn)執(zhí)法處置、敏感（涉密）數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)确矫嬉泊嬖诓蛔悖绊懥送恋囟讲鞓I(yè)務(wù)工作的質(zhì)量與效率。因此，本文提出基于移動(dòng)智能終端及第4代移動(dòng)通信（4G）、地理信息等技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)適用于移動(dòng)端的土地督察ss系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證表明本系統(tǒng)具有效率高、成本低、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

本文基于移動(dòng)GIS、系統(tǒng)集成等技術(shù)，基于SOA（Service-oriented Architecture即面向服務(wù)架構(gòu)）和REST（Representational State Transfer即表述性狀態(tài)傳遞）架構(gòu)，利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò)不同終端與服務(wù)器之間交互，實(shí)現(xiàn)地圖調(diào)用、數(shù)據(jù)采集、空間分析等土地督察功能[7-8]。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 System overall architecture

1）數(shù)據(jù)層：存儲(chǔ)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)（矢量、影像）、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（坐標(biāo)、文檔、表格、圖片等）、其他土地督察數(shù)據(jù)，分別利用服務(wù)端和移動(dòng)端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理和維護(hù)。

2）邏輯層：包括專(zhuān)業(yè)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，提供網(wǎng)絡(luò)地圖（WMS）、網(wǎng)絡(luò)切片（WMTS）、網(wǎng)絡(luò)要素（WFS）和標(biāo)準(zhǔn)功能接口等符合OGC規(guī)范的服務(wù)[9-11]；實(shí)現(xiàn)部署移動(dòng)端的執(zhí)法巡查、數(shù)據(jù)采集和PC端的數(shù)據(jù)分析管理、對(duì)比核查統(tǒng)計(jì)等業(yè)務(wù)功能，為應(yīng)用層提供支撐服務(wù)。

3）應(yīng)用層：包括督察實(shí)地核查子系統(tǒng)和督察業(yè)務(wù)支持子系統(tǒng)。其中，督察實(shí)地核查子系統(tǒng)選用Android設(shè)備為終端，面向土地督察、巡查人員；督察業(yè)務(wù)支持子系統(tǒng)以PC瀏覽器為載體，采用BS模式開(kāi)發(fā)，面向?qū)I(yè)的管理人員。

1.2 功能設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足土地督察業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)由督察實(shí)地核查子系統(tǒng)和督察業(yè)務(wù)支持子系統(tǒng)兩部分組成，如圖2所示。督察實(shí)地核查子系統(tǒng)是在移動(dòng)設(shè)備上開(kāi)發(fā)的土地巡查執(zhí)法專(zhuān)用終端，用于數(shù)據(jù)獲取、分析、上報(bào)，實(shí)現(xiàn)違法用地取證、巡查數(shù)據(jù)采集、用地違法交互分析和地圖導(dǎo)航等功能；督察業(yè)務(wù)支持子系統(tǒng)，基于B/S構(gòu)架開(kāi)發(fā)，包括督察數(shù)據(jù)管理、用地對(duì)比監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)展示分析、督察成果統(tǒng)計(jì)模塊，可根據(jù)數(shù)據(jù)與圖件的對(duì)比、疊加、分析和評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)疑似違法用地線索，確定外業(yè)核查方位和范圍，實(shí)現(xiàn)服務(wù)發(fā)布、對(duì)比核查、數(shù)據(jù)分析、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、終端支持等功能。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Fig.2 System functional design

2 關(guān)鍵技術(shù)

為適應(yīng)土地督察工作需求，解決應(yīng)用中敏感數(shù)據(jù)傳輸、終端定位精度不高、數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率低等問(wèn)題，本文研究了實(shí)時(shí)差分定位、數(shù)據(jù)庫(kù)切片緩存、虛擬專(zhuān)網(wǎng)加密等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 移動(dòng)終端CORS偽距差分定位

定位精度直接決定了地塊是否符合規(guī)劃，為準(zhǔn)確記錄督察過(guò)程中圖斑位置，提高執(zhí)法精度，系統(tǒng)利用Ntrip協(xié)議（用于互聯(lián)網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)），通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)連接CORS（Continuously Operating Reference Stations，即連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)）中心服務(wù)器，獲得CORS網(wǎng)的改正信息（RTCM差分協(xié)議數(shù)據(jù)），采用單點(diǎn)定位方法采集定位和狀態(tài)數(shù)據(jù)（NMEA-0183協(xié)議的GGA和GST數(shù)據(jù)）[12]，根據(jù)終端概略定位信息和差分改正信息，通過(guò)加權(quán)算數(shù)平均算法利用多參考站偽距差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算改正，實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)實(shí)時(shí)快速定位。

多參考站偽距差分是多個(gè)參考站聯(lián)合改正的區(qū)域偽距差分服務(wù)，數(shù)據(jù)中心發(fā)送CORS網(wǎng)中參考站的改正信息，移動(dòng)終端據(jù)此經(jīng)平差計(jì)算，實(shí)時(shí)求出其改正數(shù)[13]。加權(quán)算術(shù)平均法顧及了移動(dòng)終端到參考站距離與位置對(duì)差分改正的影響，將各參考改正數(shù)的加權(quán)平均值作為終端改正數(shù)。其計(jì)算公式如下：

式中，n為CORS基準(zhǔn)站數(shù)量，Vu為終端改正數(shù)，Vj為各基準(zhǔn)站的改正數(shù)，Sj為空間相關(guān)系數(shù)（權(quán)），S為移動(dòng)終端到各個(gè)參考站間的距離和，即

設(shè)改正數(shù)的權(quán)為移動(dòng)終端到參考站距離的倒數(shù)，即

式中，（xj,yj）為參考站的坐標(biāo)，（xu,yu）為移動(dòng)終端的概略坐標(biāo)。

2.2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的多分辨率分布式緩存

為了提高切片數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和部署效率，保證系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性，本文以關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)代替文件方式進(jìn)行存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)端的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)[14]，瓦片數(shù)據(jù)表的字段包括zool_level（級(jí)別）、tile_x（行）、tile_y（列）、tile_data（切片）。為提高數(shù)據(jù)的讀取效率，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的瓦片建立索引[15]，設(shè)定某瓦片行列號(hào)為（Tx,Ty），層級(jí)為T(mén)z，索引公式為：

式中，Two2Ten(String)將二進(jìn)制轉(zhuǎn)為十進(jìn)制，Ten2Two(String)將十進(jìn)制轉(zhuǎn)為二進(jìn)制，確保索引的唯一性。

實(shí)際運(yùn)行測(cè)試顯示見(jiàn)表1，在瓦片規(guī)模相同時(shí)，采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)所占磁盤(pán)空間明顯減少，瓦片數(shù)據(jù)庫(kù)僅占用文件式存儲(chǔ)空間的46%，數(shù)據(jù)遷移速度提高248倍，訪問(wèn)速度是文件方式的1.4倍。

表1 瓦片不同存儲(chǔ)方式性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of different tiles storage modes

2.3 虛擬專(zhuān)網(wǎng)加密傳輸

土地督察工作使用的空間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)多為敏感數(shù)據(jù)，本文采用SSL VPN（虛擬專(zhuān)用網(wǎng)）技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴PN是基于隧道機(jī)制在公用網(wǎng)絡(luò)上建立專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行加密通訊，具有成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)。SSL（Secure Sockets Layer）協(xié)議指定了在應(yīng)用程序協(xié)議和TCP/IP之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的安全機(jī)制，為T(mén)CP/IP連接提供數(shù)據(jù)加密、服務(wù)器認(rèn)證以及可選擇的客戶(hù)機(jī)認(rèn)證。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)以上述關(guān)鍵技術(shù)為理論基礎(chǔ)，以Android Studio為移動(dòng)開(kāi)發(fā)工具，使用Java和JavaScript語(yǔ)言，利用ArcGIS Server平臺(tái)，Oracle、SQLite空間數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)研發(fā)了移動(dòng)土地督察系統(tǒng)，具體開(kāi)發(fā)技術(shù)見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)發(fā)環(huán)境列表Tab.2 Development environments

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

1）督察實(shí)地核查子系統(tǒng)

依托Android移動(dòng)終端及其SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，以Web請(qǐng)求的方式調(diào)用服務(wù)端的數(shù)據(jù)和功能服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了地圖瀏覽、執(zhí)法記錄、坐標(biāo)采集等功能。該子系統(tǒng)不僅能夠記錄疑似違法用地的描述信息，還能以差分定位方式精確記錄地塊空間坐標(biāo)，利用虛擬專(zhuān)網(wǎng)安全將數(shù)據(jù)提交保存至服務(wù)端，通過(guò)疊加后臺(tái)土地管理、規(guī)劃等圖層，準(zhǔn)確判斷土地占用情況[17]，如圖3所示。

圖3 實(shí)地核查系統(tǒng)（移動(dòng)端）Fig.3 Field verif i cation system (mobile terminal)

2）督察業(yè)務(wù)支持子系統(tǒng)

主要基于ArcGIS Server平臺(tái)和Oracle空間數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)了圖層管理、信息管理、綜合統(tǒng)計(jì)等功能模塊，通過(guò)入庫(kù)管理移動(dòng)端采集的違法用地?cái)?shù)據(jù)，精確分析比對(duì)占地類(lèi)型及面積，并將分析結(jié)果返回移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)地核查子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)支持，達(dá)到了快速、精確督察的目的，如圖4所示。

系統(tǒng)在駐馬店平輿縣國(guó)土資源局安裝部署系統(tǒng)7臺(tái)，共發(fā)現(xiàn)疑似違法建設(shè)用地40余處。實(shí)際應(yīng)用表明，基于移動(dòng)終端的土地督察系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì)：①能夠記錄文本、照片、視頻等資料，數(shù)據(jù)獲取更加豐富；②坐標(biāo)直接疊加圖層進(jìn)行分析，沒(méi)有導(dǎo)入、導(dǎo)出過(guò)程，對(duì)用地、占地的分析更加準(zhǔn)確；③將外業(yè)督察數(shù)據(jù)直接提交至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，使外業(yè)督察和內(nèi)業(yè)管理工作無(wú)縫結(jié)合。

圖4 業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)（PC端）Fig.4 Business support system (PC side)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于移動(dòng)端的土地督察系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的探討，研究了基于CORS的差分定位、數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的切片緩存和虛擬專(zhuān)網(wǎng)加密傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。相對(duì)車(chē)載督察系統(tǒng)而言，移動(dòng)終端集成度高、功能豐富、成本低、方便部署使用，可隨時(shí)隨地進(jìn)行土地督察，有效補(bǔ)充了車(chē)載系統(tǒng)的不足，增加了土地督察的技術(shù)手段，有效遏制了土地“雙違”現(xiàn)象的發(fā)生。