基于移動GIS的地塊采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王衛(wèi)紅 張鵬靈

1(浙江工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 浙江 杭州 310023)2(北京航空航天大學(xué)軟件開發(fā)環(huán)境國家重點實驗室 北京 100191)

基于移動GIS的地塊采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王衛(wèi)紅1,2張鵬靈1

1(浙江工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 浙江 杭州 310023)2(北京航空航天大學(xué)軟件開發(fā)環(huán)境國家重點實驗室 北京 100191)

為解決傳統(tǒng)的國土資源核查工作無法及時、準確、方便地核查企業(yè)的土地資源等信息，設(shè)計并研制基于移動GIS的地塊采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ArcServer搭建 WMS地圖服務(wù)，使用基于Android平臺的ArcGIS Runtime SDK for Android進行二次開發(fā)，通過Web Service實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時同步更新。分析了土地核查系統(tǒng)的架構(gòu)體系、功能模塊和數(shù)據(jù)庫設(shè)計，實現(xiàn)了一種基于拓撲規(guī)則的地塊采集方案，保證了采集的多邊形面塊符合拓撲規(guī)范，也保證了數(shù)據(jù)的正確性和精確性。同時還解決了多人在線同時采集同一面塊的沖突問題，并通過GeoJSON技術(shù)實現(xiàn)移動端與服務(wù)端的空間數(shù)據(jù)實時交互。通過土地核查的應(yīng)用實例結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的采集效果。

地塊采集 移動GIS 拓撲規(guī)則 GeoJSON

0 引 言

國土資源核查以詳實的土地權(quán)屬類型、土地利用類別、分類面積數(shù)據(jù)、土地分布狀況與特點等調(diào)查成果資料為依據(jù)，實現(xiàn)土地利用現(xiàn)狀信息和用地管理信息的調(diào)查和有效銜接，從而能夠全面掌握企業(yè)當前土地的基本現(xiàn)狀。外業(yè)核查工作是國土資源核查的主要方式，現(xiàn)有的核查方式主要通過GPS設(shè)備定位并結(jié)合照相機拍照實現(xiàn)，先通過GPS設(shè)備獲得定位坐標，接著通過照相機拍照獲得地表覆蓋和地理國情等信息，這樣的核查方式使得核查工作效率低下，而且勞動強度大，自動化程度低。

近年來，隨著計算技術(shù)和移動GIS的不斷發(fā)展[1-6]，由于移動GIS具有方便攜帶、自動定位、操作簡單等特點， 為國土資源核查外業(yè)核查提供了一種新的解決方案。它能夠快捷、方便、準確地實現(xiàn)土地的核查，從定位到采集圖斑，再到采集數(shù)據(jù)的匯總，提升了整個采集過程的自動化程度。汪鐵華[7]提出的地理國情普查外業(yè)調(diào)繪核查系統(tǒng)主要解決了點位(調(diào)查點位、核查點位或采樣點位)的采集。而徐柳華等[8]提出的基于 iPad 的移動外業(yè)信息采集系統(tǒng)，主要解決了外業(yè)采集地物的屬性數(shù)據(jù)及大致形態(tài)信息。 孫貴博等[9]提出基于Smart Client技術(shù)的移動GIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由多客戶端進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、修改并實時提交到 GIS 服務(wù)器， 解決了客服端到服務(wù)端的數(shù)據(jù)更新問題?，F(xiàn)有的采集系統(tǒng)基本上都能解決空間信息以及屬性的采集，并能夠?qū)崟r更新到服務(wù)器。但是對采集圖斑過程中采集的面塊可能存在拓撲錯誤以及多人在線采集面塊過程中拓撲沖突等問題并沒有展開研究。本文從這些問題出發(fā)，并考慮客戶端跟服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)交互的效率，利用Android平臺，結(jié)合ArcServer與Web Service技術(shù)，實現(xiàn)了基于ArcGIS Runtime SDK for Android的土地核查系統(tǒng)，能夠為外業(yè)工作者提供方便的采集服務(wù)，最大程度實現(xiàn)了土地核查的科學(xué)化和自動化。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

為了減少功能界面與邏輯實現(xiàn)的耦合，實現(xiàn)代碼的公用和統(tǒng)一維護以及提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性，采用如圖1所示的四層總體架構(gòu)。最底層為數(shù)據(jù)庫層，采用SpatiaLite作為存儲方案[10-12]，主要存放地稅部門相關(guān)數(shù)據(jù)以及外業(yè)核查的企業(yè)等數(shù)據(jù)；中間層為開發(fā)平臺層，本系統(tǒng)基于ArcGIS Runtime SDK for Android進行功能模塊的開發(fā)，它提供了豐富的地圖操作相關(guān)的功能，基于該SDK開發(fā)的系統(tǒng)能夠幫助企業(yè)提高工作效率，作出更及時和明智的決策；中間層往上是邏輯業(yè)務(wù)層，主要負責移動端通信的服務(wù)模塊，遵循面向接口設(shè)計的思想，實現(xiàn)依賴關(guān)系的解耦；整個系統(tǒng)最上層為功能界面層，最終面向用戶，實現(xiàn)用戶的需求，主要功能模塊包括數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理等。

圖1 系統(tǒng)四層體系結(jié)構(gòu)框架

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

服務(wù)端數(shù)據(jù)庫采用Oracle 11g作為存儲方案，移動端采用SQLite作為存儲方案。調(diào)查數(shù)據(jù)、解譯數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)等存放在服務(wù)端數(shù)據(jù)庫，移動端存放現(xiàn)場實地采集以及瀏覽所需要的數(shù)據(jù)。基于Oracle 11g+ArcSDE 10.2實現(xiàn)服務(wù)端數(shù)據(jù)訪問，基于SQLite實現(xiàn)移動端本地數(shù)據(jù)庫訪問，兩個數(shù)據(jù)庫之間通過Web Service[13]實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遷移、導(dǎo)入、導(dǎo)出和更新。數(shù)據(jù)庫架構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫存儲方案

1.3 功能設(shè)計

基于移動GIS的地塊采集系統(tǒng)以企業(yè)占有的土地地塊為采集對象，通過平板設(shè)備的自動定位獲得當前的空間位置，實現(xiàn)實地企業(yè)地塊信息的采集、存儲與核查。根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)劃分為以下模塊：

1) 瀏覽模塊：主要功能包括：

① 地圖瀏覽：包括顯示地圖、縮小、方法、點選、框選、全圖顯示、漫游等；

② 企業(yè)信息瀏覽：包括全部企業(yè)、已采集企業(yè)和未采集企業(yè)的基本信息。

2) 查詢模塊：包括空間查詢和屬性查詢，前者通過空間信息來查詢對應(yīng)的企業(yè)屬性信息；后者通過企業(yè)名或者稅務(wù)管理碼等屬性信息來查詢某企業(yè)。

3) 采集模塊：該模塊主要包括企業(yè)的點位和土地地塊面域等空間信息的采集，以及企業(yè)相關(guān)的照片采集，為了保證數(shù)據(jù)的正確性，采集地塊面域過程中，增加了拓撲的功能，避免了采集過程中可能存在的相交、相離、覆蓋的拓撲問題。

4) 用戶管理模塊：考慮到系統(tǒng)的靈活性和安全性，本系統(tǒng)增加了權(quán)限管理的功能，管理員具有增加、修改和刪除用戶信息的權(quán)限，而普通用戶只有瀏覽、采集、查詢等主要功能的權(quán)限。

5)數(shù)據(jù)管理模塊：數(shù)據(jù)導(dǎo)出包括在線的實時同步更新以及離線的批量更新等功能。在線實時更新通過Web Service和GeoJSON技術(shù)來實現(xiàn)；離線更新可以通過USB拷貝或者在有網(wǎng)絡(luò)的情況批量上傳更新。數(shù)據(jù)導(dǎo)入通過外部XML文件的方式手動導(dǎo)入新增企業(yè)的信息。

6)工具模塊：包括采集過程中精準定位采集點的十字絲功能、GPS定位功能、指南針功能以及軌跡的自動記錄功能，軌跡的自動記錄能夠作為采集數(shù)據(jù)正確性的一種保證。

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 在線版與離線版的結(jié)合

基于移動GIS的地塊采集系統(tǒng)包含兩個版本，即在線版本與離線版本。在線版本在有網(wǎng)絡(luò)的情況下使用，將采集的數(shù)據(jù)實時同步更新到服務(wù)器，并通過ArcServer發(fā)布的地圖服務(wù)實時展現(xiàn)到移動客戶端[14]，在線版本的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r同步更新，這樣就能避免多個用戶對同一企業(yè)地塊進行重復(fù)采集的情況。在線版本的局限在于必須保證有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，而平板上網(wǎng)需要WiFi環(huán)境或者攜帶3G無線網(wǎng)卡，在實地核查采集過程中，不能保證一定有WiFi環(huán)境或者攜帶有3G無線網(wǎng)卡，這就導(dǎo)致系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中存在一些局限性。針對這一需求，系統(tǒng)同時開發(fā)了地塊采集系統(tǒng)的離線版本。離線版本可供野外調(diào)查采集過程中在沒有網(wǎng)絡(luò)連接的情況下使用，不但實現(xiàn)了遙感影像、解譯結(jié)果等數(shù)據(jù)的離線瀏覽和展示，同時實現(xiàn)了點位、地塊空間信息的離線采集，還實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的移動端離線數(shù)據(jù)庫離線存儲。

2.2 軌跡的自動記錄

為了保證采集的企業(yè)地塊數(shù)據(jù)的準確性，排除人為因素對數(shù)據(jù)造成不夠準確的影響，本文系統(tǒng)實現(xiàn)了自動記錄軌跡的功能，保證采集的數(shù)據(jù)有理有據(jù)。常規(guī)的記錄軌跡的方法是每隔一段時間記錄定位點的坐標信息，并實時將坐標信息保存到移動設(shè)備的離線數(shù)據(jù)庫中。采集完成之后，依次讀出軌跡的坐標點，通過ArcGIS Runtime SDK for Android提供的接口函數(shù)將點連成線，并加以顯示。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)基本的需求，但是一旦軌跡數(shù)據(jù)量很大的情況下，將會導(dǎo)致顯示緩慢，影響用戶體驗。

本文系統(tǒng)采用保存弧段的方法來實現(xiàn)軌跡的自動記錄，按照ArcGIS Runtime SDK for Android對線段的定義規(guī)則，將所有坐標點的信息構(gòu)造成符合該規(guī)則的字符串對象。同樣，該字符串對象實時更新并實時保存到離線數(shù)據(jù)庫中。采集完成之后，只需取出對應(yīng)該軌跡的字符串對象數(shù)據(jù)，通過接口函數(shù)實現(xiàn)該字符串對象數(shù)據(jù)的顯示，即軌跡弧段的顯示。相比保存點位坐標信息的方法，該方法由于保存的直接是弧段信息，所以顯示的時候省去了由點連成線的過程，加快了顯示的速度，提高了整個核查工作的效率。

2.3 多人在線協(xié)同采集

外業(yè)作業(yè)人員在采集企業(yè)地塊的時候，存在多人采集同一地塊的情況，如果采集數(shù)據(jù)沒有實時地同步更新，就會導(dǎo)致該數(shù)據(jù)存在“包含”、“相交”的拓撲錯誤。并且對內(nèi)業(yè)核查人員的核查工作造成影響，從而導(dǎo)致外業(yè)采集人員需要對該數(shù)據(jù)進行重新采集，這樣會讓整個核查流程變得繁瑣，影響了相關(guān)稅務(wù)部門核查工作的效率。針對這一需求，本文提出多人在線采集協(xié)同模型，嘗試解決多人在線采集過程中存在的沖突問題。

在多人在線協(xié)同采集模型中，如圖4所示，客戶端主要負責采集地塊數(shù)據(jù)，服務(wù)端主要負責數(shù)據(jù)的同步更新。服務(wù)端獲得客戶端提交的數(shù)據(jù)之后，首先對數(shù)據(jù)進行解析，接著對數(shù)據(jù)進行加工和轉(zhuǎn)換，然后再對該數(shù)據(jù)進行驗證，最后基于ArcEngine二次開發(fā)將采集的地塊數(shù)據(jù)同步更新到Oracle數(shù)據(jù)庫。由于Oracle數(shù)據(jù)庫跟ArcServer發(fā)布的地圖服務(wù)早已綁定，一旦Oracle數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)發(fā)生變化，ArcServer發(fā)布的地圖服務(wù)將實時地反映出來，從而保證了客戶端數(shù)據(jù)的實時更新，以避免多人同時采集同一地塊并保存。這種通過人為判斷難免存在一些極端情況，如由于網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的原因沒有得到及時的更新，但是多個用戶又重復(fù)采集并保存了，所以在服務(wù)端勢必有一個驗證過程，來判斷新采集的地塊與已采集的地塊是否重復(fù)采集，只有在不是重復(fù)采集的情況才執(zhí)行最后的保存過程。通過客戶端的人為判斷以及服務(wù)端的驗證判斷，能夠有效地避免多人在線采集過程中重復(fù)采集的情況。

圖4 多人在線協(xié)同采集模型示意圖

2.4 基于GeoJSON的空間數(shù)據(jù)的實時同步更新

GeoJSON是基于JavaScript對象表示法的地理空間信息數(shù)據(jù)交換格式，它在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，作為數(shù)據(jù)包傳輸具有很高的效率[15-16]，相比XML，它具有數(shù)據(jù)格式簡單、占用帶寬小、易于解析等特點。因為它的格式是壓縮的，所以傳輸效率很高?？蛻舳素撠熒蒅eoJSON數(shù)據(jù)，目前沒有直接將地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 GeoJSON 格式的工具，需要采用編程方式將地理數(shù)據(jù)序列化成GeoJSON 格式。采集地塊多邊形頂點過程中，同時將地塊的地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GeoJSON 格式的數(shù)據(jù)，采集完成之后，對應(yīng)的GeoJSON數(shù)據(jù)也構(gòu)造完畢。通過Web Service上傳采集的數(shù)據(jù)，服務(wù)端解析器將接收到的GeoJSON 格式數(shù)據(jù)解析出來，通過ArcEngine二次開發(fā)將對應(yīng)的空間地理數(shù)據(jù)保存到Oracle數(shù)據(jù)庫中。

2.5 采集面塊過程中實現(xiàn)拓撲規(guī)則

國土稅務(wù)部門核查土地變更主要通過對企業(yè)地塊進行現(xiàn)場采集，即在平板上對該企業(yè)地塊進行勾畫。勾畫的精度關(guān)系到土地變更的真實性。然而在勾畫多邊形面塊過程中，勢必存在勾畫的多邊形存在拓撲錯誤的問題，這樣就會影響精度。針對這一需求，有必要在采集多邊形面塊的過程中，加入相關(guān)的拓撲功能，使之采集得到的多邊形符合拓撲規(guī)范又保證正確性。

面與面之間的拓撲關(guān)系主要包括“相離”、“相接”、“覆蓋”、“覆蓋于”、“包含”、“包含于”、“相等”和“相交”8類[17]，深究這8類拓撲關(guān)系可知，這8類情況主要分為兩大類，即共享邊界不一致以及帶孔洞的情況。本文通過算法分別對這兩種情況進行處理。

1) 共享邊界不一致

解決多邊形共享邊界不一致的問題實質(zhì)是保證兩多邊形的局部邊界一致，本文所采用的算法基本原理如下：采集過程中，捕捉共享邊界的已采集的多邊形面塊頂點或者弧段上的點，當共享頂點個數(shù)大于等于2的時候，用戶可以選擇是否自動將與已采集多邊形面塊共享的邊界自動補全，最后保存新采集的多邊形面塊即可。算法實現(xiàn)的具體步驟如下：

步驟1 程序啟動，顯示已采集的多邊形面塊，開始采集之前，首先判斷是否需要跟相鄰的多邊形共享邊界。

步驟2 對需要共享邊界的多邊形進行點擊標識，并高亮顯示已采集多邊形地塊的頂點。

步驟3 采集地塊多邊形，如果需要捕捉采集地塊多邊形的頂點坐標或者弧段坐標，可以選擇開啟捕捉，自動對與觸及點重疊的已采集地塊多邊形頂點或者已采集地塊多邊形弧段進行捕捉。這里，重疊主要判斷兩種情況：即觸及點與已采集地塊多邊形頂點是否相等(誤差是否在一定的閾值內(nèi))，以及觸及點是否落在已采集地塊多邊形的弧段上(觸及點與過觸及點到弧段直線的垂直交點誤差是否在一定的閾值內(nèi))。如果不開啟捕捉，則繼續(xù)采集。

步驟4 當標識的頂點個數(shù)大于等于2的時候，查看之前標識的坐標點，判斷坐標是否屬于同一個多邊形，如果屬于同一個多邊形，則直接選取兩個坐標對應(yīng)的弧段作為共享邊界即可；如果不屬于同一個多邊形，則需要找到經(jīng)過這些坐標的貢獻弧段，遍歷選中的共享邊界的多邊形面塊，首先得到選中的多邊形的頂點重合點，根據(jù)重合點將這兩個坐標連接起來，連接的原則是選擇一條路徑最短的一條弧段。

步驟5 獲得需要共享的弧段，選擇是否自動補全共享弧段。如果自動補全，則通過共享弧段以及新采集的多邊形弧段構(gòu)成一個封閉的區(qū)域；如果不自動補全，得到區(qū)域僅僅是新采集的多邊形弧段所構(gòu)成一個封閉的區(qū)域。

步驟6 最后完成采集，保存結(jié)果。

2) 帶孔洞的面目標

步驟1 開始采集，首先采集外多邊形面塊，獲取手指觸及點屏幕坐標，保存采集點并以高亮圖標顯示該坐標點；

步驟2 直到外多邊形面塊采集完成，保存外多邊形面塊的頂點坐標；

步驟3 同樣的方法采集內(nèi)多邊形面塊，直到內(nèi)多邊形面塊采集完成；

步驟4 直到所有內(nèi)多邊形面塊都采集完成，判斷內(nèi)多邊形合并還是擦除；如果擦除，則擦除內(nèi)多邊形，保存帶孔洞的多邊形；如果合并，則保存兩個多邊形面塊，即帶孔洞多邊形面塊和內(nèi)多邊形面塊；

步驟5 最后完成采集，保存結(jié)果。

3 系統(tǒng)案例

本文設(shè)計的基于移動GIS的地塊采集系統(tǒng)基于ArcGIS Runtime SDK for Android進行功能模塊的開發(fā)，實現(xiàn)了地圖瀏覽、地塊數(shù)據(jù)采集、軌跡生成、地名檢索、點面查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出等功能，客戶端與服務(wù)端的數(shù)據(jù)交互通過基于GeoJSON的傳輸協(xié)議來實現(xiàn)，服務(wù)端通過Web Service獲得客戶端上傳的數(shù)據(jù)，并通過ArcEngine二次開發(fā)實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的實時入庫。目前，該系統(tǒng)在江蘇省通州區(qū)地稅局土地核查工作中得到了具體的應(yīng)用，系統(tǒng)界面如圖5所示。應(yīng)用表明：基于移動設(shè)備的采集系統(tǒng)能夠便利外業(yè)人員進行實地采集并入庫，采集的數(shù)據(jù)符合拓撲規(guī)范能夠保證數(shù)據(jù)的正確性，并無需再由內(nèi)業(yè)人員通過專業(yè)的軟件進行拓撲分析處理。如圖6所示，兩相鄰地塊之間共享邊界，避免了可能存在的相交、相離的拓撲問題。而圖7顯示的帶孔洞的地塊的效果圖，避免了可能存在的覆蓋、包含的拓撲問題，所以能夠有效地提高稅務(wù)部門整個核查工作的效率。

圖5 系統(tǒng)界面 圖6 共享邊界效果圖 圖7 帶孔洞地塊效果圖

4 結(jié) 語

本文在ArcGIS Runtime SDK for Android的基礎(chǔ)上進行了二次開發(fā)，闡述了系統(tǒng)的架構(gòu)和功能，分析了系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，最終開發(fā)了基于移動GIS的地塊采集原型系統(tǒng)。系統(tǒng)集影像數(shù)據(jù)瀏覽、地塊空間信息采集、數(shù)據(jù)實時上傳等功能與一體，在稅務(wù)部門的土地核查工作中得到了實際的應(yīng)用，為稅務(wù)部門提供了準確的土地占有面積、所屬企業(yè)等重要信息，大大提高了稅務(wù)部門核查工作的效率。通過功能的不斷完善，該系統(tǒng)在國土資源核查工作中將會具有一定的前景。本文重點分析了采集過程的拓撲規(guī)則的實現(xiàn)以及多人同時在線的協(xié)同采集，對于基于移動GIS開發(fā)采集系統(tǒng)具有一定借鑒意義。后續(xù)工作將深入探討如何高效地在移動設(shè)備中進行拓撲分析處理，并嘗試通過算法實現(xiàn)移動設(shè)備中簡單的拓撲分析。

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DESIGN AND IMPLEMENTATION OF LAND BLOCK COLLENTION SYSTEM BASED ON MOBILE GIS

Wang Weihong1,2Zhang Pengling1

1(CollegeofComputerScienceandTechnology,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310023,Zhejiang,China)2(StateKeyLaboratoryofSoftwareDevelopmentEnvironment,BeihangUniversity,Beijing100191,China)

In order to solve the problem that the traditional land resources verification work can’t timely, accurately and conveniently check the land resources of enterprises, the land block collection system based on mobile GIS is designed and developed. The system uses ArcGIS Server to build WMS map service, uses the ArcGIS Runtime SDK for Android based on Android platform to carry out the second development, achieves the real-time synchronization of data acquisition by Web Service. This paper analyses the verification of land block collection system architecture, function module and database design, and achieves a solution of land block collection based on topology rules, and ensures the polygons collected to comply with the standard topology, and ensures the validity and accuracy of the land block data. The land block collection system solves the problem of the conflict between multiple people online at the same time, and realizes the real-time interaction between the mobile end and the server end through GeoJSON technology. The application results of land verification show that the system has a good effect.

Land block collection Mobile GIS Topological rules GeoJSON

2016-03-11。國家自然科學(xué)專項基金項目(61340058)；浙江省自然科學(xué)基金重點項目(LZ14F020001)。王衛(wèi)紅，教授，主研領(lǐng)域：遙感信息提取，空間信息服務(wù)等。張鵬靈，碩士生。

TP311.5

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10.3969/j.issn.1000-386x.2017.05.035