多源管線信息采集平臺(tái)及其應(yīng)用

王濤，蔡?hào)|健，周旺輝，王家珂

(1.蘇州工業(yè)園區(qū)測(cè)繪地理信息有限公司，江蘇 蘇州 215027；2.滁州學(xué)院，安徽 滁州 239000)

0 引言

隨著移動(dòng)平板電腦和手機(jī)在軟硬件上的更新?lián)Q代及第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)通訊網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，基于位置的服務(wù)越來(lái)越受到世人的矚目，促進(jìn)了移動(dòng)地理信息系統(tǒng)(GIS)在數(shù)據(jù)采集、分析方面的應(yīng)用.傳統(tǒng)測(cè)繪和數(shù)據(jù)服務(wù)方式正在發(fā)生巨大變化[1].以城市中的外業(yè)踏勘和信息采集為例，移動(dòng)終端正成為主要的外業(yè)信息采集工具.

傳統(tǒng)管線信息采集方式是首先到室外收集分析目標(biāo)的相關(guān)信息，制作紙質(zhì)地圖、影像來(lái)標(biāo)注采集的信息，建立表格記錄屬性信息[2]；再利用GPS、全站儀等數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄位置；然后回到室內(nèi)將采集的數(shù)據(jù)展至成圖平臺(tái)，參考紙質(zhì)地圖的標(biāo)繪信息進(jìn)行數(shù)字化成圖，將有關(guān)屬性數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù).

傳統(tǒng)方式復(fù)雜繁瑣且較少注重其他屬性信息的采集方法，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集成本高、效率低、時(shí)效性差、易出錯(cuò)等問(wèn)題.通過(guò)自動(dòng)化辦公系統(tǒng)(OA)管理，以文檔分配的方式管理任務(wù)使得傳統(tǒng)測(cè)繪難以把控項(xiàng)目的精確位置，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確分配和實(shí)時(shí)掌控.

1 多源管線信息采集平臺(tái)簡(jiǎn)介

多源管線信息采集平臺(tái)主要包括三部分內(nèi)容，分別是基于B/S 端開(kāi)發(fā)的平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)、基于Android系統(tǒng)的外業(yè)信息采集終端以及基于內(nèi)業(yè)成圖數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).平臺(tái)以日常測(cè)繪作業(yè)為出發(fā)點(diǎn)，建立了覆蓋作業(yè)全流程的新方法，解決了日常測(cè)繪作業(yè)積累的需求，形成高效、信息化的移動(dòng)信息采集與管理服務(wù)平臺(tái)[3].

該平臺(tái)是基于切片地圖Web 服務(wù)的地理信息發(fā)布，使得移動(dòng)端能夠動(dòng)態(tài)、快速地加載定位區(qū)域的各類地圖輔助信息[4].根據(jù)不同的定位精度需求，解決多源全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)設(shè)備與移動(dòng)端定位信息的傳輸與處理問(wèn)題.搭建云服務(wù)系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接方式將移動(dòng)端與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立連接，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換訪問(wèn).平臺(tái)進(jìn)行模塊化開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)日常測(cè)繪與項(xiàng)目管理所需的各項(xiàng)功能.在成圖平臺(tái)上對(duì)外業(yè)采集的信息進(jìn)行深加工，自動(dòng)化生成所需測(cè)繪地理信息成果[5].

移動(dòng)信息采集與管理服務(wù)平臺(tái)采用分層設(shè)計(jì)，從邏輯層面來(lái)講可以分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層以及應(yīng)用層這四個(gè)層.不同的層有不同的功能，通過(guò)層與層之間的接口聯(lián)系.平臺(tái)放在同一層的組件可以提高內(nèi)聚性，放在不同層組件可以相互聯(lián)系卻又彼此保持獨(dú)立.

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)包括用戶數(shù)據(jù)、權(quán)限數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)以及內(nèi)部消息數(shù)據(jù).其中應(yīng)用服務(wù)層可根據(jù)用戶需求在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，包括項(xiàng)目數(shù)據(jù)服務(wù)、流程管理、身份認(rèn)證、安全管理、用戶管理、內(nèi)部消息管理、定位服務(wù)等專用服務(wù)；利用移動(dòng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集、項(xiàng)目管理、底圖管理、GNSS 定位、數(shù)據(jù)傳輸和空間編輯等功能[6].

2 整體技術(shù)框架

多源管線信息采集平臺(tái)的研究如圖1 所示，分別是：1)多源信息數(shù)據(jù)的整合、切片與讀?。?)GNSS 設(shè)備與移動(dòng)終端的無(wú)線通訊與數(shù)據(jù)處理；3)基于云服務(wù)的移動(dòng)系統(tǒng)搭建；4)移動(dòng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)；5)內(nèi)業(yè)成圖自動(dòng)化.整個(gè)軟件系統(tǒng)采用“黑板模式”架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā).從本質(zhì)上來(lái)講，黑板模式是觀察者模式的技術(shù)延伸.外業(yè)技術(shù)人員可以同時(shí)在一個(gè)新建的項(xiàng)目中進(jìn)行管線信息數(shù)據(jù)采集，而且每個(gè)技術(shù)人員都可以獲得其他技術(shù)人員采集的管線信息，也可以將自己采集的管線信息實(shí)時(shí)分享給他人.

在多源管線信息采集平臺(tái)中分別對(duì)應(yīng)GIS 地圖、測(cè)繪組件和測(cè)繪操作方法.其中GIS 地圖擴(kuò)充為基準(zhǔn)地圖數(shù)據(jù)和測(cè)繪融合數(shù)據(jù)，測(cè)繪組件封裝成不同類型的測(cè)繪圖庫(kù)，針對(duì)不同的測(cè)繪對(duì)象調(diào)用相應(yīng)的測(cè)繪圖庫(kù)，測(cè)繪操作方法擴(kuò)充自動(dòng)同步算法，解決不同人員在同一區(qū)域作業(yè)時(shí)可能產(chǎn)生的潛在數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題[7-8].

圖1 平臺(tái)工作示意圖

2.1 基于切片地圖Web 服務(wù)的地理信息快速發(fā)布

深入研究切片地圖緩存原理，實(shí)現(xiàn)切片地圖緩存生成、動(dòng)態(tài)更新等相關(guān)算法，構(gòu)建可擴(kuò)展位圖結(jié)構(gòu)的切片目錄組織模型，解決大量切片存取的技術(shù)難題，從而實(shí)現(xiàn)大量切片數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢索.充分利用瀏覽器的緩存機(jī)制，降低切片服務(wù)請(qǐng)求次數(shù)，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬.設(shè)計(jì)自適應(yīng)的地圖切片緩存技術(shù)，使得在平板移動(dòng)終端瀏覽地圖通過(guò)異步請(qǐng)求的方式將切片地圖預(yù)取至移動(dòng)終端本地，以減少打開(kāi)地圖瀏覽時(shí)需要緩存的時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能.

2.2 基于云服務(wù)的移動(dòng)系統(tǒng)搭建

“在線模式”與“離線模式”相結(jié)合的新型應(yīng)用模式就是將系統(tǒng)服務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云端，統(tǒng)一存儲(chǔ)管理，隨時(shí)隨地根據(jù)用戶需要將數(shù)據(jù)提供給移動(dòng)用戶.此模式不僅充分考慮高度虛擬化、高度資源共享要求、評(píng)估可彈性空間和可擴(kuò)展性、整合資源構(gòu)建大數(shù)據(jù)云，還能夠?qū)?shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)中心的防火墻內(nèi)，提供對(duì)數(shù)據(jù)安全性和服務(wù)質(zhì)量的有效控制.從動(dòng)態(tài)角度通過(guò)行為建模來(lái)設(shè)計(jì)平臺(tái)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)流過(guò)程.

此序列圖從時(shí)間關(guān)系上描述了多源管線信息采集平臺(tái)中的各個(gè)時(shí)間觸發(fā)與交互的一系列順序，可以很清晰地體現(xiàn)平臺(tái)整個(gè)功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程.平臺(tái)為用戶提供具體的數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)采用“系統(tǒng)自適應(yīng)管理策略”，具體的工作機(jī)制如圖2 所示.

圖2 平臺(tái)自適應(yīng)管理示意圖

2.3 基于“非關(guān)系型存儲(chǔ)”技術(shù)的后臺(tái)自定義開(kāi)發(fā)

在技術(shù)層面上，后臺(tái)開(kāi)發(fā)中著重考慮兩個(gè)核心問(wèn)題，一個(gè)是不同人員協(xié)同作業(yè)如何處理，另外一個(gè)是敏感信息如何在高同步頻次需求下的加密解密.在業(yè)務(wù)層面上，后臺(tái)開(kāi)發(fā)中著重考慮定制化問(wèn)題.不同的測(cè)量對(duì)象有相同的測(cè)量項(xiàng)，通過(guò)在后臺(tái)統(tǒng)一自定義測(cè)量屬性，一鍵發(fā)布，移動(dòng)端即可獲取最新的測(cè)量要求.

不同管線擁有自己特殊的測(cè)量屬性，也會(huì)有相同的測(cè)量屬性，傳統(tǒng)做法是管線一旦在數(shù)據(jù)表中設(shè)置好，后期的增刪操作都將引入兼容性問(wèn)題.采用非關(guān)系型的處理方式，只需要在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中給新屬性賦值，在界面上自定義好業(yè)務(wù)流程，即可引入這個(gè)新添加的屬性.

2.4 非對(duì)稱數(shù)據(jù)加密

數(shù)據(jù)加密技術(shù)是指將一個(gè)信息經(jīng)過(guò)加密鑰匙及加密函數(shù)轉(zhuǎn)換，變成無(wú)意義的文件，而接收方則將此密文經(jīng)過(guò)解密函數(shù)、解密鑰匙還原成原始的信息文件.平臺(tái)系統(tǒng)中采用非對(duì)稱加密方案，使用了一對(duì)密鑰，即公鑰和私鑰.對(duì)這對(duì)密鑰中的一個(gè)進(jìn)行加密，而解密則需要另一個(gè)密鑰.

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

測(cè)試地點(diǎn)位于蘇州工業(yè)園區(qū)松濤街道，測(cè)試面積為10000m2的管線區(qū)域，按照傳統(tǒng)管線數(shù)據(jù)采集方式，完成此項(xiàng)目需要3 個(gè)人每人所需一天時(shí)間才能完成.為檢測(cè)移動(dòng)采集APP 的高效性，利用移動(dòng)采集平板APP 采集和編輯該區(qū)域所有管線數(shù)據(jù)，測(cè)試采集雨水、污水和電力等數(shù)據(jù)效果.在服務(wù)器端應(yīng)用中管理項(xiàng)目，通過(guò)移動(dòng)采集平板導(dǎo)出采集成果并導(dǎo)入成圖軟件MicrostationV8i，測(cè)試自動(dòng)化成圖、質(zhì)檢與入庫(kù)三項(xiàng)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)中上述工作內(nèi)容均由同一個(gè)人完成，記錄整體工作時(shí)長(zhǎng)并與傳統(tǒng)管線數(shù)據(jù)采集方式所需工時(shí)對(duì)比，來(lái)達(dá)到檢測(cè)采集效率的目的.

管線調(diào)查項(xiàng)目過(guò)程中使用移動(dòng)采集平板APP根據(jù)作業(yè)要求及精度要求采集點(diǎn)、線、面等空間數(shù)據(jù)及其相關(guān)的屬性數(shù)據(jù).管井坐標(biāo)數(shù)據(jù)利用GNSS 位置信息自動(dòng)采集獲取.除了采集上述屬性數(shù)據(jù)外，軟件APP 還可以采集圖片、視頻、音頻等數(shù)據(jù)，為后期數(shù)據(jù)加工做參考依據(jù).當(dāng)移動(dòng)采集平板應(yīng)用APP 連接GNSS 接收機(jī)時(shí)，實(shí)時(shí)顯示流動(dòng)站接收到的衛(wèi)星顆數(shù)、GPS 水平精度因子(HDOP)值、經(jīng)緯度信息以及固定狀態(tài)等信息.圖層顯示包括地圖(影像)放大、地圖縮小、地圖平移、地圖全圖顯示、圖層管理和地圖要素屬性查詢等功能.在上述地圖圖層中對(duì)采集的點(diǎn)、線、面等空間數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，包括增加點(diǎn)位、移動(dòng)點(diǎn)位、刪除點(diǎn)位、管段編輯、面狀編輯等.編輯后的結(jié)果如圖3 所示.

圖3 移動(dòng)采集應(yīng)用APP 采集數(shù)據(jù)后結(jié)果顯示

平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)部署在園區(qū)測(cè)繪私有云上，主要是為外業(yè)采集提供地圖、標(biāo)準(zhǔn)支持以及數(shù)據(jù)管理.登錄網(wǎng)頁(yè)端賬號(hào)管理系統(tǒng)的權(quán)限分為不同等級(jí)，最高權(quán)限可以登錄網(wǎng)頁(yè)端賬號(hào)管理系統(tǒng)進(jìn)行用戶賬號(hào)添加、刪除、修改、權(quán)限分配、查看用戶在線情況等功能，允許忘記密碼然后重新申請(qǐng)或者找回.

對(duì)于不同區(qū)域、不同項(xiàng)目類型的采集要求，平臺(tái)具有測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)自定義.用戶根據(jù)項(xiàng)目類型、需要采集的信息，在平臺(tái)中任意定義字段及屬性約束.以管線測(cè)量為例，管線標(biāo)準(zhǔn)自定義流程為：新建管線標(biāo)準(zhǔn)、新建管線大類、添加管線小類、管點(diǎn)屬性添加、管段屬性添加等.屬性支持為：分級(jí)設(shè)置、智能記憶、輸入約束等功能，極大提升外業(yè)終端采集效率.

根據(jù)管理需要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分類，如項(xiàng)目類型、項(xiàng)目區(qū)域、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、項(xiàng)目狀態(tài)等，方便管理者以不同視角掌握單位生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)情況，及時(shí)調(diào)配資源.結(jié)合電子地圖或影像圖等，將項(xiàng)目位置和范圍標(biāo)繪在地圖上直觀展示，基于地圖查詢定位項(xiàng)目，達(dá)到以圖管項(xiàng)目的目的.如圖4 所示.

圖4 基于項(xiàng)目位置的項(xiàng)目管理

以Microstation V8i 為基礎(chǔ)平臺(tái)，搭建了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要用來(lái)加工外業(yè)采集的信息.基于遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與外業(yè)采集終端可以在外業(yè)采集過(guò)程中對(duì)重復(fù)采集進(jìn)行分析、對(duì)錯(cuò)采進(jìn)行預(yù)警、對(duì)漏測(cè)進(jìn)行質(zhì)檢和入庫(kù)，從而最大限度地保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量.測(cè)試區(qū)域結(jié)果展示如圖5 所示.

最終完成此項(xiàng)目所用工時(shí)為2天，其中外業(yè)所用工時(shí)為1.5天，內(nèi)業(yè)所用工時(shí)為0.5天，與傳統(tǒng)管線采集方式3 人每人要用1天共計(jì)3天工時(shí)相比節(jié)省1天，提高了管線信息采集工作效率.

圖5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

4 結(jié)論

文中管線信息采集平臺(tái)融合了移動(dòng)GIS、GNSS和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù).基于切片地圖Web 服務(wù)的地理信息快速發(fā)布技術(shù)、多源GNSS 設(shè)備與移動(dòng)端的數(shù)據(jù)通訊與處理技術(shù)、多線程斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)，在切合實(shí)際生產(chǎn)服務(wù)應(yīng)用需求的前提下，開(kāi)發(fā)可以采集包括管線、地形、部件在內(nèi)的各種空間位置數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、照片視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng).

通過(guò)實(shí)地項(xiàng)目測(cè)試，該平臺(tái)能夠達(dá)到數(shù)據(jù)采集的高效與完整性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目的信息化管理，很好地解決了傳統(tǒng)管線信息采集方式中存在的弊端，驗(yàn)證了該平臺(tái)的有效性，有助于提高綜合管線調(diào)查效率.