內(nèi)外業(yè)一體化的遙感解譯樣本采集系統(tǒng)

張沖 秦嶺 梁福廣 王贏樂

（河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003）

1 引言

近年來，隨著地理信息系統(tǒng)、人工智能、圖像理解、模式識(shí)別等相關(guān)理論技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)外在遙感自動(dòng)解譯研究方面已經(jīng)取得很多成果[1]。目前國內(nèi)遙感解譯技術(shù)已開始廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、交通、地質(zhì)災(zāi)害等多個(gè)領(lǐng)域[2]。但是，遙感自動(dòng)解譯精度卻經(jīng)常因不能滿足使用要求而需要采取大量人工干預(yù)，研究分析表明解譯精度的主要影響因素之一就是所用樣本的采集精度，提高樣本采集精度可有效提升遙感解譯效率。

為此，本文研究并實(shí)現(xiàn)了一套以移動(dòng)GIS、WEB GIS、空間數(shù)據(jù)庫等作為技術(shù)支持，以天地圖·河南為基礎(chǔ)底圖，以農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)作為應(yīng)用切入的內(nèi)外業(yè)一體化遙感解譯樣本采集系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)承保、理賠等階段提供解譯樣本采集及審核服務(wù)，保證樣本采集精度和后期解譯準(zhǔn)確性，為農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)精確承保和理賠提供有力保障。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于位置的服務(wù)（LBS）技術(shù)

基于位置的服務(wù)是通過電信運(yùn)營商通信網(wǎng)絡(luò)或外部定位方式（GNSS）獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息（地理坐標(biāo)），在GIS 平臺(tái)支持下，為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)[3]。根據(jù)定位過程中測量和計(jì)算實(shí)體不同，定位技術(shù)分為反向鏈路定位技術(shù)和正向鏈路定位技術(shù)，本文結(jié)合兩種定位技術(shù)，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢，以提高定位精度。

2.2 基于多傳感器的拍照方位角獲取技術(shù)

通過同時(shí)調(diào)用移動(dòng)端內(nèi)置陀螺儀、加速器等傳感器，獲取相關(guān)參數(shù)并計(jì)算拍照實(shí)時(shí)方位角，當(dāng)手機(jī)姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)獲取傳感器旋轉(zhuǎn)矩陣M[4]。矩陣原型為：

最終通過矩陣值獲取移動(dòng)設(shè)備的方位參數(shù)信息（value[0],value[1],value[0]）。

將value 數(shù)組值轉(zhuǎn)換為角度，可求解移動(dòng)設(shè)備的正確姿態(tài)信息。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體模式采用B（瀏覽器）M（移動(dòng)端）/S（服務(wù)器）技術(shù)架構(gòu)。服務(wù)器端用于空間數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、服務(wù)發(fā)布及管理等工作，考慮系統(tǒng)對空間數(shù)據(jù)及空間分析需求較大，數(shù)據(jù)庫采用空間分析功能相對強(qiáng)大的PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫，空間數(shù)據(jù)服務(wù)采用ARCGIS SERVER 進(jìn)行發(fā)布和管理；移動(dòng)端承載外業(yè)樣本采集模塊，以Android 為系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)，采用ARCGIS for Android、SQLite、LBS 等移動(dòng)端技術(shù)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對樣本信息采集、修改、上傳、查看以及地圖數(shù)據(jù)離線下載等功能，同時(shí)為保證外業(yè)拍攝照片真實(shí)性，采用基于多傳感器的拍照方位角獲取技術(shù)，計(jì)算并獲取拍照方位角，配合拍照位置，驗(yàn)證照片真實(shí)性；瀏覽器端為內(nèi)業(yè)樣本審核模塊，實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)端采集上傳樣本的審核、統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)出及用戶信息管理等功能。此外，系統(tǒng)還調(diào)用了天地圖·河南作為系統(tǒng)基礎(chǔ)地圖，以豐富系統(tǒng)數(shù)據(jù)源，提高樣本采集效率。系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3.2 技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）基于方位角和LBS 的照片正確性控制設(shè)計(jì)

為了保證樣本照片的正確性，采用方位角計(jì)算方法對樣本照片進(jìn)行規(guī)范，通過基于多傳感器的拍照方位角獲取技術(shù)，獲取照片方位角a，通過LBS 和地圖采點(diǎn)分別獲取采集員和樣本位置，并進(jìn)一步計(jì)算采集員、樣本連線的方位角b；設(shè)置閾值對角度差值c進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)對樣本照片的規(guī)范化控制。

（2）基于距離的采樣位置規(guī)范設(shè)計(jì)

為保證采集樣本的真實(shí)性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用LBS 定位技術(shù)，使用距離約束的方式，對樣本采集過程進(jìn)行控制。通過LBS 和地圖采點(diǎn)分別獲取采集員和樣本位置，并計(jì)算兩者距離L（如圖2 所示）；設(shè)置閾值對L進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)對樣本采集位置進(jìn)行規(guī)范。

圖2 照片控制原理

（3）基于村級行政區(qū)的樣本均勻分布控制設(shè)計(jì)

為保證采集樣本的均勻分布，系統(tǒng)依據(jù)樣本總量和單位面積樣本量的要求，計(jì)算獲得村級行政區(qū)樣本量閾值，通過采集樣本量和閾值對比，對樣本分布的均勻性做出評判，為樣本審核提供參考。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫要求的特殊性，將數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)分為空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)?？臻g數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包括點(diǎn)狀樣本、面狀樣本、行政區(qū)域、樣本規(guī)劃數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包括用戶信息表、日志表、樣本照片表等非空間數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)。

3.4 移動(dòng)樣本采集系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

移動(dòng)樣本采集系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 移動(dòng)樣本采集系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）圖層管理

用戶可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉任意圖層。

（2）用戶信息管理

可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)對用戶個(gè)人信息查看、密碼修改、密碼重置等操作。

（3）地圖基礎(chǔ)功能

包括地圖快速縮放、快速定位、量算、地圖標(biāo)注等功能。

（4）樣本采集

樣本采集模塊主要包括點(diǎn)狀樣本采集和面狀樣本采集，分別滿足不同應(yīng)用場景需要，樣本采集使用LBS 技術(shù)優(yōu)化位置定位，采用基于多傳感器的拍照方位角獲取技術(shù)規(guī)范樣本照片；同時(shí)為保證采集準(zhǔn)確性還增加了樣本位置與采集員位置距離檢校功能，進(jìn)一步規(guī)范采集員行為（當(dāng)樣本位置與采集員位置大于一定距離時(shí)，系統(tǒng)將提示采集員無法采集）。

（5）樣本信息點(diǎn)查

提供對已采集樣本進(jìn)行點(diǎn)擊查詢功能，方便采集員掌握樣本信息。

（6）樣本管理

離線上傳：對采集時(shí)因網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差等原因無法及時(shí)上傳的樣本提供管理和上傳功能。

再核查：對樣本審核系統(tǒng)未審核通過的樣本提供再次進(jìn)行核查、調(diào)整、再上傳功能。

（7）離線影像下載

系統(tǒng)覆蓋整個(gè)河南省，且多應(yīng)用于鄉(xiāng)村網(wǎng)絡(luò)信號不佳地區(qū)，為提高作業(yè)效率，系統(tǒng)提供了按縣區(qū)最新時(shí)相離線影像下載功能，以滿足作業(yè)所需地圖數(shù)據(jù)。系統(tǒng)功能界面如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)功能界面

3.5 樣本核查系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

內(nèi)業(yè)樣本審核系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 內(nèi)業(yè)樣本審核系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）樣本概覽

審核員登錄后根據(jù)該模塊可了解當(dāng)日提交樣本量、待審核樣本量和審核通過樣本量，通過熱力圖和聚合圖可查看樣本分布情況，通過統(tǒng)計(jì)圖表可以了解各縣區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的樣本情況，還可及時(shí)掌握最新提交動(dòng)態(tài)。

（2）樣本審核

通過級聯(lián)行政區(qū)可以定位到相應(yīng)樣本區(qū)，結(jié)合地圖和統(tǒng)計(jì)信息對樣本分布進(jìn)行整體了解，此外還能查看單個(gè)樣本照片和具體信息，如樣本存在問題可以退回移動(dòng)端用戶進(jìn)行復(fù)查，若樣本不具備參考價(jià)值可設(shè)置為問題樣本，符合要求的樣本可以審核通過，以便進(jìn)行導(dǎo)出。地圖審核界面如圖6 所示。

（3）用戶管理

系統(tǒng)用戶主要分為管理員、審核員和采集員，該模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶創(chuàng)建刪除、權(quán)限配置、激活禁用等。

（4）日志管理

主要對用戶訪問、操作等信息進(jìn)行記錄，可以查詢分析，系統(tǒng)安全保障以及錯(cuò)誤排查。

（5）系統(tǒng)配置

主要對最新月度影像和樣本規(guī)劃等數(shù)據(jù)進(jìn)行更新配置。

圖6 地圖審核界面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文以開封市祥符區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，對系統(tǒng)采集方式和傳統(tǒng)采集方式進(jìn)行了采集效率、樣本正確率及內(nèi)業(yè)審核效率等方面的對比。其中，傳統(tǒng)采集基于商業(yè)軟件（奧維互動(dòng)地圖）進(jìn)行位置和信息采集，使用移動(dòng)設(shè)備自帶工程相機(jī)進(jìn)行拍照；內(nèi)業(yè)審核處理為全人工作業(yè)。

開封市祥符區(qū)總面積1291 平方公里，轄15 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，實(shí)驗(yàn)要求每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)需采集樣本點(diǎn)數(shù)不小于100 個(gè)，采樣時(shí)樣本與采集員的距離不得大于1000m。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

本文對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行以下對比：

（1）采集效率

系統(tǒng)完成整個(gè)祥符區(qū)樣本采集共花費(fèi)4 天，采集樣本點(diǎn)2332 個(gè)，樣本采集完成后直接上傳服務(wù)區(qū)無需后續(xù)處理，且采集樣本分布均勻。用傳統(tǒng)采集方式完成整個(gè)祥符區(qū)樣本采集共花費(fèi)8.5天，采集樣本點(diǎn)1843個(gè)，樣本采集完成后需進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、照片人工匹配等大量處理工作，且無法控制樣本的均勻分布。

（2）樣本正確率

系統(tǒng)使用采集、審核同步進(jìn)行的方式開展工作，內(nèi)業(yè)核查人員可及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤樣本，反饋給采樣人員重新采集，最終采樣準(zhǔn)確率可以達(dá)到98%以上。傳統(tǒng)采集方式缺乏實(shí)時(shí)審核機(jī)制，最終采樣正確率只有90%左右。

（3）內(nèi)業(yè)審核效率

系統(tǒng)采集、審核同步進(jìn)行，采集結(jié)束時(shí)審核工作也基本結(jié)束，可直接進(jìn)行后續(xù)解譯工作，具體審核時(shí)間分散在采集過程中，不單獨(dú)占用時(shí)間。傳統(tǒng)采集方式內(nèi)業(yè)審核需要矢量數(shù)據(jù)合并、照片對應(yīng)及審核工作，祥符區(qū)完成審核需用時(shí)3天。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可至少提高50%采集效率，且能保證樣本點(diǎn)均勻分布，提升樣本正確率8 個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)避免了額外樣本審核時(shí)間，此外本系統(tǒng)可有效控制采集時(shí)樣本與采集員的間距，提高樣本可靠度。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)目前已在實(shí)際生產(chǎn)中投入使用，在實(shí)際生產(chǎn)中移動(dòng)樣本采集系統(tǒng)的使用有效提高了外業(yè)人員采集效率和精度，解決了外業(yè)采集難監(jiān)管難題；另外，通過移動(dòng)樣本采集系統(tǒng)和樣本審核系統(tǒng)雙檢校保證了最終樣本成果質(zhì)量，確保了遙感影像后期解譯精度。