農(nóng)田建設(shè)現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)分析及云平臺構(gòu)建

桑玲玲，周 同，謝 彧，章遠(yuǎn)鈺

（1.自然資源部國土整治中心，北京100035；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部工程建設(shè)服務(wù)中心，北京100081）

0 引言

大規(guī)模推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，是落實藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略，保障國家糧食安全的重要支撐。2019年11月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于切實加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)提升國家糧食安全保障能力的意見》（國辦發(fā)〔2019〕50號），明確提出要構(gòu)建集中統(tǒng)一高效的管理新體制，充分運(yùn)用遙感監(jiān)測等技術(shù)，按照系統(tǒng)一體化、數(shù)據(jù)集成化、信息綜合化、成果可視化的要求，全面承接高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)各階段相關(guān)信息，構(gòu)建農(nóng)田管理大數(shù)據(jù)平臺［1］。為了加強(qiáng)農(nóng)田建設(shè)項目日常監(jiān)測監(jiān)管，全面實現(xiàn)項目建設(shè)有據(jù)可查、全程監(jiān)控，真正做到對農(nóng)田建設(shè)項目的精準(zhǔn)管理、資源共享，有必要充分依托RS、GIS、GNSS、移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等技術(shù)，構(gòu)建“天、地、網(wǎng)”一體化的農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測監(jiān)管技術(shù)體系。其中，“地上查”作為農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測監(jiān)管技術(shù)體系中的重要手段之一，是了解掌握農(nóng)田建設(shè)項目情況的重要方式，也是開展項目監(jiān)測監(jiān)管工作的重要環(huán)節(jié)，貫穿于整個項目建設(shè)周期［2-4］。

在農(nóng)田建設(shè)項目日常監(jiān)測監(jiān)管工作中，常用的方式是通過多源遙感獲取項目區(qū)地類及工程信息，由于遙感影像自動解譯準(zhǔn)確率較低，難以滿足項目監(jiān)管實際要求，外業(yè)調(diào)查和核實工作必不可少。為更好地滿足對農(nóng)田建設(shè)過程進(jìn)行監(jiān)督和管理的需要，文章通過對農(nóng)田建設(shè)項目信息采集、處理、管理、應(yīng)用等業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，研究集成利用移動互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、GIS、智能移動終端等多種信息技術(shù)，搭建農(nóng)田建設(shè)信息采集系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境；利用地理信息平臺軟件，建立農(nóng)田建設(shè)項目內(nèi)業(yè)、外業(yè)信息采集和管理系統(tǒng)；充分利用天地圖等共享數(shù)據(jù)資源，整合利用農(nóng)田建設(shè)多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建高效、準(zhǔn)確、便捷的基于地理位置服務(wù)的內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查平臺。在農(nóng)田建設(shè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)核查過程中，實現(xiàn)對農(nóng)田建設(shè)項目位置、工程實施進(jìn)展情況、后期管護(hù)利用情況等信息的外業(yè)采集以及與內(nèi)業(yè)管理的協(xié)同作業(yè)，滿足農(nóng)田建設(shè)外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)管理的需要，實現(xiàn)GIS與農(nóng)田建設(shè)業(yè)務(wù)的高效、快速、協(xié)同合作，為提升高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項目監(jiān)測監(jiān)管水平提供技術(shù)支撐。

1 農(nóng)田建設(shè)現(xiàn)場調(diào)查技方法對比

農(nóng)田建設(shè)項目不同管理階段現(xiàn)場調(diào)查工作的目的和側(cè)重點不同。在項目規(guī)劃設(shè)計階段，技術(shù)人員需要實地調(diào)查了解項目區(qū)自然資源條件、經(jīng)濟(jì)社會狀況、基礎(chǔ)設(shè)施條件和權(quán)屬情況等；在項目實施階段，需要對項目施工進(jìn)展、單項工程量完成情況等開展實地調(diào)查；在項目竣工驗收階段，需要對項目規(guī)劃設(shè)計變更情況、建設(shè)任務(wù)完成情況、工程質(zhì)量狀況、資金撥付使用情況、制度執(zhí)行情況等進(jìn)行全面調(diào)查評價；在后期管護(hù)利用階段，需要重點對后期管護(hù)責(zé)任落實情況、項目建成后耕地利用情況、新建基礎(chǔ)設(shè)施管護(hù)利用情況進(jìn)行實地調(diào)查。從實地調(diào)查的工作內(nèi)容來看，可以歸納為4項基本任務(wù)［2-3］：（1）地物識別，對項目基礎(chǔ)信息做出真實性判斷；（2）地物量測，對項目工程建設(shè)面積、道路長度等做出準(zhǔn)確性判斷；（3）信息采集，通過一定的手段獲取地形、土壤等基礎(chǔ)信息；（4）現(xiàn)場記錄，將在現(xiàn)場調(diào)查過程中收集到的各類信息分類記錄留存下來。

當(dāng)前通常采用的現(xiàn)場調(diào)查方法主要有傳統(tǒng)調(diào)查方法、輔助現(xiàn)場調(diào)查方法、內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查方法等。

1.1 傳統(tǒng)調(diào)查方法

傳統(tǒng)調(diào)查方法主要是指借助于地形圖、項目現(xiàn)狀圖、項目規(guī)劃圖等各類紙介質(zhì)資料，根據(jù)項目管理各個階段不同的調(diào)查目標(biāo)需求，利用常規(guī)工具完成目視定位、實地調(diào)查、測量、記錄工作［5］。這種傳統(tǒng)工作方式通常存在定位難、測量難、記錄難、信息采集管理難等缺點［6］。

圖1傳統(tǒng)調(diào)查方法Fig.1 Traditional survey method

1.2 輔助現(xiàn)場調(diào)查方法

輔助現(xiàn)場調(diào)查方法通常是指在手持GPS 設(shè)備等移動終端的輔助下開展實地調(diào)查工作［6-7］，在當(dāng)前農(nóng)田建設(shè)項目實地調(diào)查中應(yīng)用十分廣泛。其基本原理是：以移動終端為載體，利用GPS定位導(dǎo)航和GIS數(shù)字地圖操作功能，通過地理位置的變化實現(xiàn)項目區(qū)實地和電子圖件的實時聯(lián)動，輔助開展野外記錄、測量、信息采集等各項調(diào)查，便于對項目現(xiàn)場地物的真實性和相關(guān)信息的準(zhǔn)確性進(jìn)行實時判斷、現(xiàn)場記錄或繪制調(diào)查成果（圖2）。

圖2輔助現(xiàn)場調(diào)查方法Fig.2 Auxiliary field survey method

目前，針對農(nóng)田建設(shè)傳統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)查方法存在的諸多問題，現(xiàn)有的輔助現(xiàn)場調(diào)查系統(tǒng)可以將GPS技術(shù)、移動GIS技術(shù)集成，整合開發(fā)出支持農(nóng)田建設(shè)現(xiàn)場調(diào)查的低成本、高效率、便攜式的先進(jìn)技術(shù)工具。有利于方便現(xiàn)場量測，現(xiàn)場問題記錄、信息查詢或繪制、拍攝調(diào)查成果，實現(xiàn)實地與圖件聯(lián)動，方便使用的電子手簿功能，實時顯示所處位置和行走路線，一定程度上提高了現(xiàn)場調(diào)查的質(zhì)量和效率。但這種工作方式存在受設(shè)備性能影響較大、缺少底圖數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)無法實時傳輸、與內(nèi)業(yè)工作銜接不暢等缺點，在監(jiān)管應(yīng)用過程中，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、一致性和工作時效性無法得到保障。

1.3 內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查方法

內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查方法主要滿足農(nóng)田建設(shè)項目信息調(diào)查高效、準(zhǔn)確、便捷的要求，基于已有的項目管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、公共數(shù)據(jù)等資源，利用地理信息平臺軟件，通過集成移動互聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、GIS、智能移動終端等多種信息技術(shù)［8］，利用4G/5G網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)農(nóng)田建設(shè)項目外業(yè)數(shù)據(jù)采集實時傳輸，以在線交互的方式實現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)管理與外業(yè)數(shù)據(jù)采集的一體化協(xié)同作業(yè)（圖3）。在數(shù)據(jù)保持一致性、現(xiàn)勢性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)外業(yè)項目定位、實時跟蹤管理、準(zhǔn)確掌握項目進(jìn)度等，為農(nóng)田建設(shè)項目日常動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管提供科學(xué)、高效的現(xiàn)代化手段。

圖3內(nèi)外業(yè)一體化現(xiàn)場調(diào)查方法Fig.3 Integration field survey method

綜上所述，傳統(tǒng)調(diào)查方法因存在現(xiàn)場定位、測量和信息采集記錄等問題，不利于農(nóng)田建設(shè)項目監(jiān)管的有效開展。輔助現(xiàn)場調(diào)查方法雖彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)查工作中定位難和記錄難的問題，但在監(jiān)管應(yīng)用過程中，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、一致性和工作時效性仍然無法得到保障。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、GIS、智能移動終端、云服務(wù)等多種信息化技術(shù)不斷發(fā)展，內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查方法在實現(xiàn)項目定位、實施跟蹤管理、掌握項目進(jìn)度等發(fā)揮出顯著優(yōu)勢，不僅解決了定位難、測量難、記錄難等問題，同時保持了內(nèi)外業(yè)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)一致性和現(xiàn)勢性，提高了土地整治現(xiàn)場調(diào)查工作的質(zhì)量和效率。

2 內(nèi)外業(yè)一體化現(xiàn)場調(diào)查云平臺

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

農(nóng)田建設(shè)內(nèi)外業(yè)一體化現(xiàn)場調(diào)查云平臺是利用GIS、GNSS和RS技術(shù)，實現(xiàn)對農(nóng)田建設(shè)項目進(jìn)展?fàn)顟B(tài)實時監(jiān)管。平臺在地理信息平臺軟件基礎(chǔ)上完成開發(fā)構(gòu)建，由移動端外業(yè)信息采集系統(tǒng)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)2 部分組成，基于市場公有云基礎(chǔ)設(shè)施［9-11］，利用天地圖等互聯(lián)網(wǎng)信息資源，構(gòu)建農(nóng)田建設(shè)內(nèi)外業(yè)一體化信息采集系統(tǒng)基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境［12-13］，通過移動互聯(lián)網(wǎng)，完成農(nóng)田建設(shè)項目現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、踏勘成果的實時傳輸與接收等工作（圖4）。

圖4云平臺架構(gòu)Fig.4 Cloud platform architecture

2.2 平臺主要構(gòu)成

2.2.1 搭建系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

基于阿里云基礎(chǔ)設(shè)施，利用天地圖、谷歌、OpenStreetMap等互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)等信息資源，構(gòu)建農(nóng)田建設(shè)內(nèi)外業(yè)一體化信息采集系統(tǒng)基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境。

2.2.2 構(gòu)建外業(yè)信息采集系統(tǒng)

采用M/S多層的體系結(jié)構(gòu)，基于構(gòu)件化的設(shè)計思想，在需求分析抽象的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件功能構(gòu)件的設(shè)計。應(yīng)用天地圖、谷歌、OpenStreetMap 等服務(wù)作為基礎(chǔ)地圖服 務(wù)［10］，通過Web Service接口提供數(shù)據(jù)服務(wù)，通過手機(jī)端內(nèi)置GPS，對農(nóng)田建設(shè)項目區(qū)進(jìn)行定位，其定位精度可滿足農(nóng)田建設(shè)信息外業(yè)采集的定位要求?；贏rcGIS Server 構(gòu)建外業(yè)信息采集App，支持目前市場上廣泛使用的IOS和Android等多種移動端設(shè)備。根據(jù)農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測監(jiān)管業(yè)務(wù)需求，基于流行的Web Map地圖格式，提供適合移動端的地圖操作與瀏覽方式，方便用戶操作。主要功能包括地圖瀏覽、地圖量測、場景切換和圖層疊加以及信息采集等。

（1）地圖瀏覽：對地圖進(jìn)行平移、縮放、顯示全圖，支持平板的多點觸控和手勢，進(jìn)行放大、縮小。

（2）地圖量測：在地圖上量測坐標(biāo)（如經(jīng)緯度）、距離、方向、面積等。

（3）場景切換和圖層疊加：一鍵切換到所需的地圖底圖場景，底圖一般包括影像圖、地形圖、規(guī)劃圖等。

（4）信息采集：記錄農(nóng)田建設(shè)項目施工的進(jìn)度信息、工程量信息和工程中遇到的問題等，同時可對現(xiàn)場的施工情況以多媒體（圖片、視頻、音頻）的形式提交。

2.2.3 構(gòu)建內(nèi)業(yè)管理系統(tǒng)

內(nèi)業(yè)管理系統(tǒng)主要采用B/S架構(gòu)，采用多層體系結(jié)構(gòu)；采用屬性閾值方式保證信息采集標(biāo)準(zhǔn)化；采用ArcGIS Desktop軟件管理空間數(shù)據(jù)，發(fā)布服務(wù)和管理服務(wù)，以及對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯等；采用Portal for ArcGIS進(jìn)行用戶和群組初始化［14］，配置群組、用戶、信息服務(wù)的管理和維護(hù)，為外業(yè)信息采集系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐。主要功能包括采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空間數(shù)據(jù)管理、用戶管理和群組管理等。

（1）采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：根據(jù)農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測監(jiān)管業(yè)務(wù)需求，配置項目基礎(chǔ)信息以及需要采集的信息，如：項目規(guī)劃設(shè)計方案及相關(guān)圖件、項目基礎(chǔ)資料、工程地點、工程類型、建設(shè)內(nèi)容、工程完成量、發(fā)現(xiàn)問題以及現(xiàn)場照片、視頻等附件信息。

（2）空間數(shù)據(jù)管理：根據(jù)農(nóng)田建設(shè)項目監(jiān)測監(jiān)管工作需要，提前收集相關(guān)的空間數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)管理和服務(wù)發(fā)布等。（3）用戶管理：用戶創(chuàng)建、刪除、設(shè)置密碼、分組、權(quán)限控制等。（4）群組管理：工作組創(chuàng)建、刪除、設(shè)置、添加用戶等。

2.3 平臺應(yīng)用分析

該文利用移動互聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、GIS等技術(shù)和手段，搭建農(nóng)田建設(shè)內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查云平臺（圖5）。在農(nóng)田建設(shè)項目區(qū)，通過實時調(diào)用農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測監(jiān)管數(shù)據(jù)服務(wù)，按照項目階段、監(jiān)管任務(wù)要求，開展項目區(qū)導(dǎo)航、地物信息查看、田間道路溝渠等工程量現(xiàn)場量測、評價記錄和現(xiàn)場拍照取證，調(diào)查結(jié)果完成后，利用4G/5G 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)農(nóng)田建設(shè)項目外業(yè)數(shù)據(jù)采集實時傳輸，以在線交互的方式實現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)管理與外業(yè)數(shù)據(jù)采集的一體化協(xié)同作業(yè)。

以智能手機(jī)為調(diào)查終端，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將外業(yè)調(diào)查采集的圖形信息和多媒體數(shù)據(jù)傳回內(nèi)業(yè)信息管理平臺，業(yè)務(wù)人員可以根據(jù)外業(yè)調(diào)查人員傳回的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和核查工作，實現(xiàn)農(nóng)田建設(shè)內(nèi)外業(yè)一體化現(xiàn)場調(diào)查的無縫銜接。對傳統(tǒng)的調(diào)查方法進(jìn)行了改進(jìn)，從而解決了工作中的現(xiàn)實問題。調(diào)查云平臺主要在廣東省東莞市、河北省保定市2個地區(qū)進(jìn)行試用，通過逐步完善工作機(jī)制，取得了良好效果。

（1）解決了傳統(tǒng)調(diào)查工作缺少工作底圖的問題。通過天地圖、谷歌、OpenStreetMap等互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)，不僅解決了工作底圖的問題，同時為項目區(qū)實時導(dǎo)航定位提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖5調(diào)查云平臺Fig.5 Survey cloud platform

（2）解決了外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)無法實時傳輸?shù)膯栴}。利用移動互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)等智能終端，為農(nóng)田建設(shè)工作提供基礎(chǔ)設(shè)施保障，使復(fù)雜的現(xiàn)場調(diào)查工作變得簡單而高效，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)查方法的不足，提升了工作效率。

（3）提供了便捷的成果數(shù)據(jù)展示與分析功能。通過現(xiàn)場調(diào)查獲取農(nóng)田建設(shè)項目區(qū)位置、現(xiàn)場照片以及施工情況等信息，結(jié)合內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)核查和數(shù)據(jù)分析工作，為農(nóng)田建設(shè)項目的監(jiān)督、管理提供了新的模式和實現(xiàn)路徑。

（4）突破了辦公環(huán)境限制。在非固定辦公環(huán)境充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源和現(xiàn)有的信息化成果，通過內(nèi)外業(yè)一體化協(xié)同作業(yè)，完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集、匯交，內(nèi)業(yè)綜合管理，跟蹤農(nóng)田建設(shè)項目的進(jìn)展情況，實現(xiàn)農(nóng)田建設(shè)項目外業(yè)工作標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、便捷化、高效化，提高外業(yè)管理質(zhì)量和內(nèi)業(yè)分析展示效率。

3 結(jié)論與討論

相比以往調(diào)查手段，該文借助移動互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、GIS、智能移動終端、云服務(wù)等多種信息技術(shù)，大大提高了土地整治現(xiàn)場調(diào)查工作的質(zhì)量和效率，不僅實現(xiàn)項目野外定位、實時跟蹤管理、準(zhǔn)確掌握項目進(jìn)度等，解決了定位難、測量難、記錄難等問題，而且保持了內(nèi)外業(yè)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)一致性和現(xiàn)勢性，實現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)分析和共享。

在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)中，需要通過對各種現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)方法進(jìn)行對比，合理選擇有效地調(diào)查方法，從而科學(xué)合理地實現(xiàn)對農(nóng)田建設(shè)的現(xiàn)場調(diào)查，確保更準(zhǔn)確地完成農(nóng)田建設(shè)現(xiàn)場調(diào)查工作，確?！疤?、地、網(wǎng)”一體化的農(nóng)田建設(shè)監(jiān)測監(jiān)管技術(shù)體系得以實現(xiàn)。隨著信息化技術(shù)日趨成熟，農(nóng)田建設(shè)業(yè)務(wù)結(jié)合“云服務(wù)+移動互聯(lián)網(wǎng)+地理平臺+公共地圖資源”方式，緩解了業(yè)務(wù)人員的系統(tǒng)運(yùn)維壓力，集成了豐富的數(shù)據(jù)資源、設(shè)施資源等，突破了辦公環(huán)境的限制，提高了外業(yè)管理質(zhì)量和內(nèi)業(yè)分析展示效率。