基于GPS的湖泊巡查GIS研究

王 飛 ，王冬梅 ，謝義林 ，李繼國

（1.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京210000；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210000）

在全球氣候變化和工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程快速推進(jìn)的背景下，我國湖泊保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之間依然存在諸多矛盾，湖泊水面萎縮、水體干涸、水質(zhì)惡化等問題十分突出，湖泊管理與保護(hù)仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，歸納為四點(diǎn)：(1)湖區(qū)防洪能力依然偏低，特別是受河道淤積、城鎮(zhèn)及圩區(qū)面積擴(kuò)大、河湖面積減少等因素影響，防洪減災(zāi)的難度進(jìn)一步增加；(2)湖泊萎縮退化形勢(shì)嚴(yán)峻；(3)湖泊水質(zhì)惡化趨勢(shì)尚未遏制；(4)湖泊生態(tài)功能嚴(yán)重退化。目前，我國的湖泊巡查尤其是外業(yè)仍然停留在傳統(tǒng)人工作業(yè)模式，在這種模式下，湖泊巡查主要通過縣級(jí)水利管理部門的人工執(zhí)法巡查網(wǎng)絡(luò)完成。造成執(zhí)法人員不能及時(shí)準(zhǔn)確做出是否違法用地的判斷，需要上報(bào)進(jìn)一步確認(rèn)，無法實(shí)現(xiàn)高效的湖泊巡查。隨著管理方式和利用方式的轉(zhuǎn)變，湖泊巡查越來越需要運(yùn)用科技的手段來提高執(zhí)法效率。

針對(duì)傳統(tǒng)湖泊巡查模式下存在的薄弱環(huán)節(jié)和問題，本文將GIS與PDA、GPS等與湖泊巡查的實(shí)際管理進(jìn)行有機(jī)的集成，意義在于利用先進(jìn)的無線通信技術(shù)、移動(dòng)GIS技術(shù)和 WebGIS技術(shù),實(shí)現(xiàn)服務(wù)端、移動(dòng)終端和客服端的相互通信和實(shí)時(shí)定位等功能，最終建立水利巡查快速反應(yīng)機(jī)制的湖泊巡查系統(tǒng)。湖泊巡查的另外一個(gè)難點(diǎn)在于湖泊一般處于野外，參照物較少，不易于二次確定情況和處理，所以本研究還要求能更精準(zhǔn)地定位。

1 B/S與M/S架構(gòu)的特點(diǎn)

隨著Internet技術(shù)的發(fā)展與普及，B/S架構(gòu)是對(duì)客戶端/服務(wù)器C/S(Client/Server)架構(gòu)改進(jìn)的一種系統(tǒng)架構(gòu)。用戶界面通過WWW瀏覽器實(shí)現(xiàn)，客戶端除瀏覽器之外，一般不需要安裝其他程序，只需要通過網(wǎng)頁地址從Web服務(wù)器執(zhí)行并將處理結(jié)果以網(wǎng)頁的形式展示給用戶。B/S架構(gòu)具有使用方便、分布性廣、業(yè)務(wù)擴(kuò)展方便、維護(hù)成本較低、共享性強(qiáng)等特點(diǎn)。

M/S架構(gòu)結(jié)合GIS、GPS和GPRS/CDMA等前沿技術(shù)，將軟件系統(tǒng)的應(yīng)用由有線向無線進(jìn)行延伸，由戶內(nèi)向戶外進(jìn)行擴(kuò)展，由桌面向掌上進(jìn)行轉(zhuǎn)移，將豐富全面的信息服務(wù)帶到工作現(xiàn)場，以更有效地指導(dǎo)現(xiàn)場工作，同時(shí)利用手持終端將現(xiàn)場情況及時(shí)上傳到監(jiān)控中心，使管理決策者能夠全面直觀地了解現(xiàn)場情況，輔助做出科學(xué)決策。

將B/S與M/S架構(gòu)相結(jié)合，開發(fā)省管湖泊巡查GIS系統(tǒng)，可充分利用兩種系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，將各個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)之上，避免了子系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的“數(shù)據(jù)孤島”效應(yīng)，在保證系統(tǒng)簡單易用的前提下，增強(qiáng)工作現(xiàn)場與監(jiān)控中心的信息交互，提高湖泊管理的科學(xué)性。

2 GIS技術(shù)的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng) GIS(Geographic Information System)是采集、處理、貯存、分析、檢索、顯示與輸出地理空間信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)庫管理和分析能力，在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。如美國弗吉尼亞的Richard Greene[1]等人利用GIS的網(wǎng)絡(luò)分析功能與拓?fù)浞治龉δ?，將GIS與重力流污水管網(wǎng)設(shè)計(jì)程序結(jié)合起來描述排水流域狀況，進(jìn)行管網(wǎng)定線，確定污水提升泵站位置及壓力管路線。國內(nèi)許多學(xué)者也對(duì)GIS的應(yīng)用進(jìn)行了研究，如姚連璧[2]等研究了車載導(dǎo)航電子地圖中道路數(shù)據(jù)的空間邏輯描述，以及黃丙湖[3]等黃河口GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。許多學(xué)者將GIS和GPS結(jié)合起來做了相當(dāng)多的研究，如張淑華[4]基于GSM、GPS和 WebGIS技術(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究，但是目前還沒有將GPS和GIS結(jié)合運(yùn)用于湖泊的管理和保護(hù)方面的研究。

WebGIS是將Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物。它的基本思想是在互聯(lián)網(wǎng)上提供地理信息服務(wù)。WebGIS不但具有大部分傳統(tǒng)GIS軟件的功能，而且還可以利用Internet的優(yōu)勢(shì)，用戶不必在本地計(jì)算機(jī)上安裝龐大的GIS軟件就可以在Internet上訪問遠(yuǎn)程的GIS數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序，進(jìn)行GIS分析。我國曾有研究人員研發(fā)基于WebGIS的管理系統(tǒng)，但現(xiàn)有系統(tǒng)中交互性不強(qiáng)，僅提供簡單的空間查詢功能，如劉小軍[5]等基于WebGIS的農(nóng)業(yè)空間信息管理及輔助決策系統(tǒng)和郭武士[6]等基于WebGIS和條碼技術(shù)的土壤空間信息管理系統(tǒng)。本研究基于B/S與M/S混合架構(gòu)開發(fā)省管湖泊管理巡查WebGIS系統(tǒng)，除實(shí)現(xiàn)信息的查詢和分析外，還可以實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場與監(jiān)控中心的信息動(dòng)態(tài)交互，提高湖泊巡查工作的效率。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能開發(fā)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)主要包括輔助湖泊調(diào)查的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、調(diào)查后獲取的巡查數(shù)據(jù)和與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫交換的數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是預(yù)先存儲(chǔ)在移動(dòng)設(shè)備上的矢量化的專題圖和遙感影像；巡查數(shù)據(jù)是調(diào)查人員在巡查過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；交換數(shù)據(jù)主要是用于移動(dòng)端與服務(wù)器進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化管理，空間矢量數(shù)據(jù)均采用ESRI Shape File格式，遙感影像采用經(jīng)過糾正和切割過的中國資源衛(wèi)星影像，屬性數(shù)據(jù)均以DBF格式存儲(chǔ)，而數(shù)據(jù)交換以XML文檔作為載體。

3.1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)工作流程

本巡查系統(tǒng)主要工作流程：GPS導(dǎo)航定位功能引導(dǎo)巡查人員到達(dá)湖泊巡查點(diǎn)，點(diǎn)擊巡查開始巡查，如巡查發(fā)現(xiàn)有事件必須上報(bào)則進(jìn)行點(diǎn)、線或面的事件上報(bào)；巡查結(jié)束后，湖泊管理處可以對(duì)發(fā)現(xiàn)事件進(jìn)行及時(shí)處理或及時(shí)上報(bào)上級(jí)單位處理；同時(shí)管理人員可以通過WebGIS觀察巡查人員的實(shí)時(shí)工作狀況，并提供直觀的技術(shù)支持，還可以進(jìn)行各種信息的統(tǒng)計(jì)，如每月巡查總長度、總時(shí)間、總天數(shù)以及發(fā)現(xiàn)事件和事件的處理狀態(tài)等。其具體工作流程如圖2所示。

3.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

數(shù)據(jù)模型描述了地理實(shí)體與地理實(shí)體之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)模型的好壞直接影響到空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)查詢、檢索的方式、速度和效率。動(dòng)態(tài)巡查信息采集系統(tǒng)中，作為地理實(shí)體的是一次調(diào)查任務(wù)，它包括發(fā)生變化的時(shí)間、地理對(duì)象的空間、屬性信息等。一次調(diào)查任務(wù)的核心是進(jìn)行地理信息的采集。以往調(diào)查時(shí)，作為屬性信息的詢問信息和作為空間信息的地塊坐標(biāo)信息分別使用不同的方式獲取、記錄，有可能出現(xiàn)空間信息和屬性信息不對(duì)應(yīng)的情況。并且由于使用不同的存儲(chǔ)方式，在進(jìn)行查詢時(shí)往往帶來很大的困難，在管理和統(tǒng)計(jì)上也會(huì)出現(xiàn)混亂。

本研究的系統(tǒng)作為信息采集一體化設(shè)備在進(jìn)行巡查時(shí)，空間信息和屬性信息同時(shí)獲取、存儲(chǔ)，能方便地進(jìn)行查詢、修改等操作。

3.3.2 移動(dòng)GIS

本系統(tǒng)采用移動(dòng)GIS管理湖泊巡查中的各種空間信息。軟件能輕松地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面、圖形等復(fù)雜GIS外業(yè)數(shù)據(jù)的工作要求。如圖3所示。

巡查人員的工作：(1)用 GPS迅速定位自己所在的位置并在遙感影像以及相關(guān)矢量圖層上顯示；(2)矢量數(shù)據(jù)查詢，巡查人員可以對(duì)矢量底圖數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性查詢；(3)實(shí)時(shí)發(fā)送軌跡數(shù)據(jù)至服務(wù)器端；(4)采集巡查到的問題，填寫相關(guān)信息后，將數(shù)據(jù)（包括拍攝的照片）發(fā)送至服務(wù)器端。具體流程如圖4所示。

3.3.3 基于無線互聯(lián)網(wǎng)的差分GPS定位

GPS定位具有高度靈活性、高精度、快速性、提供三維坐標(biāo)、全天候作業(yè)、操作簡便以及全球連續(xù)覆蓋等特點(diǎn)，已成為獲取現(xiàn)實(shí)空間數(shù)據(jù)的重要手段，廣泛應(yīng)用于資源調(diào)查和空間定位數(shù)據(jù)的采集。本系統(tǒng)采用了能接收并處理通過無線互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布的差分GPS改正數(shù)的手持設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了快速、高精度定位，達(dá)到了湖泊巡查對(duì)定位技術(shù)的實(shí)用化要求。同時(shí)，該系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了GPS定位數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)的集成使用，使定位作業(yè)可視化，無需專業(yè)技術(shù)人員，普通湖泊巡查人員就可以方便地使用該項(xiàng)技術(shù)得到高精度、可靠的成果。

3.3.4 基于XML和Web Service的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提交

本系統(tǒng)采用XML和Web Service技術(shù)，通過基于GPRS/CDMA的無線互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)提交案例調(diào)查結(jié)果。服務(wù)器端采用Web Service技術(shù)，為不同設(shè)備的接入和后續(xù)開發(fā)提供了接口；采用XML主要的優(yōu)點(diǎn)在于它既與平臺(tái)無關(guān)，又與廠商無關(guān)，方便作為Web數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸。調(diào)用Web Service使得最新的調(diào)查案例在第一時(shí)間進(jìn)入湖泊管理數(shù)據(jù)庫。迅速啟動(dòng)案例調(diào)查啟動(dòng)后續(xù)工作，提高內(nèi)外業(yè)務(wù)一體化程度，加速案件調(diào)查進(jìn)度，縮短案件處理周期。

3.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)基于多功能PDA和移動(dòng)GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。借助GPRS或3G網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)外業(yè)人員與監(jiān)控中心信息的及時(shí)溝通，管理人員可在監(jiān)控中心對(duì)現(xiàn)場巡查養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管，發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理。

選用專業(yè)型多功能GPS接收機(jī)，采用工業(yè)級(jí)一體化集成設(shè)計(jì)，集 GPS、Windows CE.Net 6.0、數(shù)碼相機(jī)、麥克風(fēng)、3G通信、藍(lán)牙、USB/RS232端口、SD卡擴(kuò)展等多種功能于一身，接收機(jī)采用GPS+GLONASS雙星系統(tǒng)模式，收到的衛(wèi)星數(shù)更多，差分結(jié)果精度較高，采用高精度測(cè)量型GPS主板，內(nèi)置高靈敏度抗干擾GPS天線，精度：單點(diǎn)定位 2.5 m，SBAS 1 m，實(shí)時(shí)差分 0.5 m，差分后處理0.3 m，是目前業(yè)內(nèi)功能最強(qiáng)的專業(yè)級(jí)GIS數(shù)據(jù)采集器，可滿足復(fù)雜環(huán)境及多樣化的使用需求。專業(yè)級(jí)的GPS能夠更好地在湖泊巡查中精確定位，為事件的后續(xù)處理和監(jiān)控提供技術(shù)支撐。

移動(dòng)GIS平臺(tái)由作者自己編寫，地圖采用手持機(jī)內(nèi)置方式，減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸量和反應(yīng)速度。通過PDA與CDMA無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊的連接實(shí)現(xiàn)差分GPS服務(wù)的獲取和數(shù)據(jù)穩(wěn)定、快速的傳輸。基于上述軟硬件平臺(tái)和上節(jié)中關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，完成湖泊巡查信息采集系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)界面如圖5所示。

WebGIS系統(tǒng)選用Microsoft Windows server 2003標(biāo)準(zhǔn)版為服務(wù)器操作系統(tǒng)，采用ESRI ArcGIS Server 10.1為WebGIS開發(fā)平臺(tái)，選用Oracle 10g企業(yè)版作為數(shù)據(jù)庫軟件，客戶端支持IE等通用瀏覽器。使用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，WebGIS采用Arcgis API for Silverlight進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS手持機(jī)采集的信息管理、顯示、統(tǒng)計(jì)工作；后臺(tái)充分利用Oracle的強(qiáng)大數(shù)據(jù)管理功能，每天的GPS數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在相應(yīng)的表分區(qū)中，能夠更加快速地從大量的數(shù)據(jù)中查詢GPS實(shí)時(shí)軌跡和歷史軌跡；后臺(tái)每天在固定的時(shí)刻自動(dòng)地進(jìn)行當(dāng)天巡查路徑長度的計(jì)算，縮短后續(xù)統(tǒng)計(jì)巡查總長度的時(shí)間。

通過實(shí)地巡查、衛(wèi)星影像判讀等手段，結(jié)合GIS、GPS等新技術(shù)的湖泊巡查管理系統(tǒng)已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)達(dá)地區(qū)開始試用，并開展了卓有成效的工作。本文對(duì)基于手持終端和移動(dòng)GIS技術(shù)的湖泊巡查信息采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、功能模塊和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，通過制定合理的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的構(gòu)建。湖泊巡查信息采集系統(tǒng)大大減少人員的工作量，保證巡查結(jié)果實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器，便于管理部門及時(shí)了解情況并處理，在很大程度上提高了工作效率?；赬ML和Web Service的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提交為以后系統(tǒng)的擴(kuò)展和各種異構(gòu)情況提供接口，專業(yè)級(jí)的GPS為事件的后續(xù)處理和監(jiān)控提供了技術(shù)支撐，基本滿足湖泊管理的需要。

[1]GREENE R，AGBENOWOSI N，LOGANATHAN V.GIS-based approach to sewer system design[J].Journal of Sunrveying Engineering，1999，125(1)：36-57.

[2]劉春，姚連璧.車載導(dǎo)航電子地圖中道路數(shù)據(jù)的空間邏輯描述[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，3(30)：347-351.

[3]黃丙湖，萬劍華，王珂.黃河口GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32(5)：1665-1668.

[4]張淑華.基于GSM.GPS和WebGIS技術(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].煤炭技術(shù)，2011，30(2)：175-177.

[5]劉小軍，朱艷，姚霞，等.基于WebGIS的農(nóng)業(yè)空間信息管理及輔助決策系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(5)：125-129.

[6]郭武士，易欣，陳云坪，等.基于 WebGIS和條碼技術(shù)的土壤空間信息管理系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(9)：251-256.