基于GIS 和無(wú)人機(jī)遙感的農(nóng)業(yè)“兩區(qū)”劃定的研究與應(yīng)用

陳 興，鄒 蜜，延艷彬，文 波，劉 東

（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120）

隨著中國(guó)全面部署糧食生產(chǎn)功能區(qū)和重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“兩區(qū)”）的劃定和建設(shè)工作的開展，新形勢(shì)下原有監(jiān)管模式存在著基礎(chǔ)信息量大、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換難以及數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、外業(yè)實(shí)地勘察情況復(fù)雜、多平臺(tái)協(xié)作困難等問(wèn)題[1]。利用GIS（Geographic Information System）技術(shù)可提高空間信息處理能力和提供強(qiáng)大的決策支持服務(wù)，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[2]。利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以方便快捷獲取國(guó)土、資源、環(huán)境等的空間遙感信息。本文以無(wú)人機(jī)遙感影像在“兩區(qū)”劃定項(xiàng)目中的應(yīng)用為基礎(chǔ)，利用傳統(tǒng)的桌面端GIS 技術(shù)、新一代的移動(dòng)端GIS技術(shù)和Web 端WebGIS 技術(shù)，研發(fā)出一種自動(dòng)化程度高、信息化能力強(qiáng)以及多平臺(tái)協(xié)同作業(yè)的基于GIS 和無(wú)人機(jī)遙感影像的農(nóng)業(yè)“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)，以期在農(nóng)業(yè)“兩區(qū)”劃定項(xiàng)目過(guò)程中提高工作效率，規(guī)范管理流程并提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

基于GIS 和無(wú)人機(jī)遙感影像的農(nóng)業(yè)“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)的構(gòu)建，旨在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用GIS 強(qiáng)大的空間分析及管理功能，為“兩區(qū)”劃定提供科學(xué)、系統(tǒng)和可視的分析和決策管理工具。用戶應(yīng)能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本的GIS 功能，如縮放、漫游、測(cè)距、屬性信息查詢、地理要素查詢，授權(quán)用戶還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接使用空間分析、專題圖制作等功能。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)定權(quán)限管理，只有被賦有權(quán)限的用戶才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理。系統(tǒng)應(yīng)能支持多用戶并發(fā)訪問(wèn)時(shí)的負(fù)載平衡，提供高性能的空間信息服務(wù)。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分為表示層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層3 部分，按模塊劃分為桌面端和網(wǎng)絡(luò)端2 部分。桌面端的表現(xiàn)層采用Winform 實(shí)現(xiàn)，并使用WPF 進(jìn)行頁(yè)面設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)端表現(xiàn)層地圖部分由ArcGIS API for JavaScript 實(shí)現(xiàn)，業(yè)務(wù)和后臺(tái)部分由前端框架實(shí)現(xiàn)。服務(wù)層由ArcGIS Server 提供，Web 服務(wù)由JavaWeb 提供。數(shù)據(jù)庫(kù)方面被劃分為地理數(shù)據(jù)庫(kù)和Web 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，其中地理數(shù)據(jù)庫(kù)存放地理數(shù)據(jù)等，Web 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存放用戶信息、工作流信息和項(xiàng)目信息等，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 “兩區(qū)”劃定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于無(wú)人機(jī)遙感的“兩區(qū)”劃定項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)由兩區(qū)劃定管理信息平臺(tái)、電子政務(wù)平臺(tái)以及外業(yè)調(diào)繪平臺(tái)3 大模塊構(gòu)成。包含的功能如下：①桌面端GIS 平臺(tái)功能為“兩區(qū)”數(shù)據(jù)映射導(dǎo)入、“兩區(qū)”數(shù)據(jù)編輯、“兩區(qū)”數(shù)據(jù)拓?fù)錂z查、“兩區(qū)”公示圖自動(dòng)生成、“兩區(qū)”成果數(shù)據(jù)一鍵導(dǎo)表、外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)導(dǎo)入；②網(wǎng)絡(luò)端GIS 平臺(tái)功能為用戶權(quán)限控制、WebGIS 模塊、工作流模塊；③移動(dòng)端GIS 平臺(tái)功能為精準(zhǔn)定位、用戶權(quán)限控制、“兩區(qū)”數(shù)據(jù)分類加載、“兩區(qū)”外業(yè)數(shù)據(jù)編輯、“兩區(qū)”外業(yè)調(diào)查導(dǎo)出。

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)分為空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和非空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)2 方面。空間數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于桌面GIS 應(yīng)用和WebGIS 服務(wù)，包括項(xiàng)目區(qū)的幾何屬性和屬性數(shù)據(jù)；非空間數(shù)據(jù)庫(kù)用于網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)的后臺(tái)權(quán)限和上報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建。按照數(shù)據(jù)內(nèi)容劃分，空間數(shù)據(jù)庫(kù)包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)庫(kù)主要存放無(wú)人機(jī)遙感影像，矢量數(shù)據(jù)庫(kù)存放宗地信息以及項(xiàng)目區(qū)域的屬性結(jié)構(gòu)表?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容包括行政區(qū)域、坡度圖、地類圖斑、線狀地物、零星地物、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、承包方、流轉(zhuǎn)合同、作物類型及其面積、劃定成果等信息。非空間數(shù)據(jù)主要用于Web 端的權(quán)限管理、日志管理、圖片管理、文檔管理。

2 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 無(wú)人機(jī)遙感影像在“兩區(qū)”劃定項(xiàng)目中的應(yīng)用

將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到“兩區(qū)”劃定項(xiàng)目準(zhǔn)備工作、圖件編制、公告公示、數(shù)據(jù)建庫(kù)、“兩區(qū)”管護(hù)及標(biāo)志牌設(shè)立、檢查驗(yàn)收、成果管理共8個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)際工作中。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)與傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)明顯，普通的衛(wèi)星遙感影像定期下發(fā)，且分辨率一般為5～10 m，而無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取的影像圖分辨率可達(dá)到10～20 cm，是普通衛(wèi)星影像分辨率的50倍左右，所以無(wú)人機(jī)遙感影像能夠更加科學(xué)準(zhǔn)確反映項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，它的時(shí)效性更強(qiáng)、精度更高，特別是在“兩區(qū)”片塊和地塊的內(nèi)業(yè)勾繪工作中免去了大量的外業(yè)實(shí)地勘測(cè)工作。

2.1.2 ArcGIS 二次開發(fā)技術(shù)

“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)采用ArcGIS 二次開發(fā)技術(shù)，一方面可充分利用GIS 的優(yōu)點(diǎn)（圖形和屬性一體化），方便“兩區(qū)”劃定工作人員管理和查看“兩區(qū)”劃定項(xiàng)目信息，并且利用GIS 強(qiáng)大的空間分析能力；另一方面，利用GIS 二次開發(fā)技術(shù)可以便捷、無(wú)耦合地與其他二次技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“兩區(qū)”劃定項(xiàng)目數(shù)據(jù)的自動(dòng)導(dǎo)入、分析與導(dǎo)出[3]。

2.1.3 Web 開發(fā)分層架構(gòu)設(shè)計(jì)

Web 開發(fā)技術(shù)主要用于電子政務(wù)平臺(tái)的搭建，作為桌面端“兩區(qū)”劃定管理信息平臺(tái)的補(bǔ)充，電子政務(wù)平臺(tái)主要用于“兩區(qū)”劃定數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理和共享，主要實(shí)現(xiàn)電子地圖服務(wù)瀏覽與查詢、“兩區(qū)”劃定成果文檔管理、“兩區(qū)”公示牌信息管理和補(bǔ)貼申請(qǐng)審批功能[4]。

2.2 開發(fā)平臺(tái)

采用WPF 技術(shù)設(shè)計(jì)了“兩區(qū)”劃分管理信息平臺(tái)的主界面，其主要功能是管理地圖服務(wù)和管理“兩區(qū)”數(shù)據(jù)[5]。采用ArcGIS Engine 技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SDE，數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)采用實(shí)體框架，整體采用三層架構(gòu)。WebGIS 前端開發(fā)采用ArcGIS API for JavaScript，業(yè)務(wù)前端實(shí)現(xiàn)采用Boostrap 和MVC[6]。

2.3 系統(tǒng)部分功能和實(shí)現(xiàn)

2.3.1 數(shù)據(jù)編輯功能

數(shù)據(jù)編輯主要是在內(nèi)業(yè)工作中對(duì)“兩區(qū)”地塊（LQDK）、片塊（LQPK）范圍的勾繪以及屬性數(shù)據(jù)的輸入。主要功能包括屬性編輯、節(jié)點(diǎn)編輯、要素分割、捕捉等要素編輯功能以及地圖服務(wù)一鍵同步功能。其實(shí)現(xiàn)方式主要為通過(guò)遙感圖像與“兩區(qū)”矢量圖層的疊加，根據(jù)遙感影像上耕地圖像信息進(jìn)行勾繪。在確認(rèn)所有“兩區(qū)”圖層數(shù)據(jù)編輯完成后可通過(guò)點(diǎn)擊地圖服務(wù)更新按鈕同步ArcGIS Server 上的地圖服務(wù)。數(shù)據(jù)編輯界面如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)編輯界面

2.3.2 面積計(jì)算功能

“兩區(qū)”面積計(jì)算主要功能包括“兩區(qū)”地塊、片塊的橢球面積計(jì)算、“兩區(qū)”面積計(jì)算。在實(shí)際操作過(guò)程中只需先點(diǎn)擊橢球面積計(jì)算過(guò)后再點(diǎn)擊“兩區(qū)”面積計(jì)算即可，此過(guò)程由于算法復(fù)雜以及涉及圖層較多，因此所花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)（2.5 h 左右能計(jì)算整個(gè)項(xiàng)目區(qū)所有的地塊、片塊面積）。面積計(jì)算界面如圖3所示。

圖3 “兩區(qū)”面積界面

2.3.3 地圖數(shù)據(jù)查詢功能

“兩區(qū)”地圖數(shù)據(jù)查詢由點(diǎn)擊查詢和輸入查詢組成，其中點(diǎn)擊查詢通過(guò)點(diǎn)擊特定“兩區(qū)”地塊進(jìn)行彈窗查詢結(jié)果的查詢，具體如圖4所示。

圖4 點(diǎn)擊查詢界面

2.3.4 外業(yè)調(diào)繪功能

外業(yè)調(diào)繪功能模塊主要通過(guò)提供不同的編輯工具為外業(yè)調(diào)繪工作人員提供編輯功能。調(diào)繪界面如圖5所示。

圖5 調(diào)繪界面

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用桌面端、網(wǎng)絡(luò)端、移動(dòng)端將GIS 開發(fā)技術(shù)以及企業(yè)級(jí)Web 開發(fā)技術(shù)、工作流技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用了“兩區(qū)”劃定項(xiàng)目的重要成果。結(jié)合系統(tǒng)截圖說(shuō)明了系統(tǒng)的部分功能以及部分業(yè)務(wù)流程。結(jié)果表明了“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)的真實(shí)性、可行性與高效性，并取得了不錯(cuò)的效果，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化了“兩區(qū)”劃定項(xiàng)目工作流程。但是，研究過(guò)程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和資料數(shù)據(jù)都有限，數(shù)據(jù)不夠豐富，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容較少；同時(shí)，雖然系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)的處理與編輯，提供了信息的查詢與管理功能，而在數(shù)據(jù)的分析處理方面還有一些欠缺，這也是下一階段需要改進(jìn)的地方。