基于GIS技術(shù)的內(nèi)外業(yè)一體化水域調(diào)查建庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

蔣曉敏，宋林剛，鐘朝陽(yáng)，方涯盼

（杭州中房信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

1 問題的提出

2005年的浙江省水域調(diào)查成果，為全省水域保護(hù)管理工作提供了重要基礎(chǔ)。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的不斷引導(dǎo)，2019 年5月1日起施行的《浙江省水域保護(hù)辦法》（浙江省人民政府第375 號(hào)令）重新界定水域的范疇，對(duì)水域空間保護(hù)提出更高要求，原有成果已無(wú)法較好地滿足當(dāng)前的管理需求，迫切需要開展新一輪水域調(diào)查。新一輪的水域調(diào)查，目的是全面摸清浙江省水域基礎(chǔ)信息和空間數(shù)據(jù)，厘清水域保護(hù)和岸線管控具體范圍，建立全省統(tǒng)一的水域基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)水域數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新，滿足水域保護(hù)規(guī)劃、涉水審批、水利工程建設(shè)以及河湖水域“強(qiáng)監(jiān)管”對(duì)水域基礎(chǔ)信息的需求，為加強(qiáng)水域保護(hù)和高效管理奠定基礎(chǔ)。

做好水域調(diào)查工作，水域調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)是其中的核心環(huán)節(jié)。由于全省各地水域情況差異大，人員、技術(shù)力量參差不齊，現(xiàn)有掌握的資料和數(shù)據(jù)也不盡相同，因此采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集建庫(kù)的作業(yè)模式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且數(shù)據(jù)成果質(zhì)量難以控制[1]。因此，為提高水域調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的工作效率和成果質(zhì)量，保證水域調(diào)查成果的全面、準(zhǔn)確、客觀、現(xiàn)勢(shì)，充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果，按照《浙江省水域調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則（修訂版）》等相關(guān)技術(shù)要求，建設(shè)一套基于GIS技術(shù)的內(nèi)外業(yè)一體化水域調(diào)查建庫(kù)系統(tǒng)，為開展新時(shí)期的水域調(diào)查建庫(kù)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 移動(dòng)GIS技術(shù)

國(guó)際上對(duì)移動(dòng)GIS的定義為GIS、GPS、無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)一體化技術(shù)。當(dāng)前無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)智能終端相結(jié)合技術(shù)在人們生活和社會(huì)等方面應(yīng)用非常廣泛，GPS、移動(dòng)智能終端等技術(shù)的出現(xiàn)并與GIS技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)IS理論和技術(shù)有較大豐富，實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和完善。移動(dòng)GIS能夠應(yīng)用在各移動(dòng)終端，隨著智能移動(dòng)終端的快速發(fā)展和普及，目前大部分的移動(dòng)終端具備GPS定位、移動(dòng)通信、大容量存儲(chǔ)、導(dǎo)航、高分辨率攝影、攝像與錄音等智能功能[2]。因此，移動(dòng)GIS在智能移動(dòng)的應(yīng)用，兩者完美結(jié)合，為智能化的外業(yè)調(diào)查實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持和設(shè)備基礎(chǔ)，在實(shí)際應(yīng)用中效果顯著，在國(guó)土調(diào)查、水域調(diào)查等領(lǐng)域得以延伸性應(yīng)用。

2.2 等高線插值技術(shù)

在水域調(diào)查建庫(kù)過程中，在矢量化水庫(kù)等閉合水域要素的臨水線、水域面時(shí)，為降低矢量化難度、避免用戶頻繁交互，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，系統(tǒng)借助現(xiàn)有的等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行等高線插值自動(dòng)生成水域面。等高線插值構(gòu)面是指根據(jù)已知的等高線和指定高程，自動(dòng)內(nèi)插出一條與已知等高線相一致的閉合線并自動(dòng)成面[3]。目前，等高線插值的方法有很多，諸如規(guī)則網(wǎng)格法、三角法、基于局部計(jì)算和決策的啟發(fā)式算法、拆分等高線局部?jī)?nèi)插算法等。綜合考慮建庫(kù)精度要求、操作方便性和實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用性，系統(tǒng)采用選中的2條等高線進(jìn)行雙向局部插值得到新的閉合線并自動(dòng)構(gòu)成面域。

圖1為等高線插值示意圖。圖1中存在2條等高線PA和PB，等高線PA上的點(diǎn)用A1、A2、A3…表示，等高線PB上的點(diǎn)用B1、B2、B3…表示，首先遍歷等高線PA上的每個(gè)點(diǎn)，分別以點(diǎn)A1、A2、A3…、An起點(diǎn)，向等高線PB做垂線得到線A1K1、A2K2、A3K3…、AnKn，該垂線距離也稱為等高距。其次，遍歷等高線PB上的每個(gè)點(diǎn)，分別以點(diǎn)B1、B2、B3…、Bn起點(diǎn)，向等高線PA做垂線得到線B1T1、B2T2、B3T3…、BnTn，最后自左向右遍歷所有垂線，根據(jù)指定的高程G，在每條垂線上根據(jù)距離比計(jì)算出代表高程G的點(diǎn)，分別記為O1、O2、O3…、On，并按照順序O1、O2、O3…、On連接成線即可。等高線一般都為首尾相連的封閉圖形，因此最后內(nèi)插形成的也為一條閉合線，再根據(jù)閉合線直接構(gòu)成面。

圖1 等高線插值示意圖

此外，采用此種方法進(jìn)行等高線內(nèi)插構(gòu)面，當(dāng)?shù)雀呔€2點(diǎn)間距離過大時(shí)，內(nèi)插結(jié)果的平滑度不足且結(jié)果誤差較大。因此，系統(tǒng)在等高線插值算法中，當(dāng)?shù)雀呔€2點(diǎn)間距離大于一定距離時(shí)，需進(jìn)行點(diǎn)加密之后再采用上述算法進(jìn)行插值。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)外業(yè)一體化水域調(diào)查建庫(kù)系統(tǒng)包含內(nèi)業(yè)建庫(kù)子系統(tǒng)和外業(yè)調(diào)查子系統(tǒng)，涉及圖斑調(diào)查、圖形編輯、外業(yè)實(shí)地調(diào)查、內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、成果導(dǎo)出等主要功能模塊?？紤]到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)涉密性、系統(tǒng)可靠性以及可擴(kuò)展性，綜合水域調(diào)查的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)采用C/S模式的分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，基于ArcObjects組件進(jìn)行開發(fā)，主要?jiǎng)澐譃榛A(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)庫(kù)層、組件層、應(yīng)用層和用戶層，系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層：該層是系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)保障，主要包括軟件設(shè)施和硬件設(shè)施，其中軟件設(shè)施包括ArcGIS Desktop軟件、Access數(shù)據(jù)庫(kù)、SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)、Microsoft Office或者WPS；硬件設(shè)施包括計(jì)算機(jī)設(shè)備、用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備、用于外業(yè)調(diào)查的平板設(shè)備以及其他一些設(shè)備。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)層：桌面端內(nèi)業(yè)建庫(kù)子系統(tǒng)采用個(gè)人空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)矢量數(shù)據(jù)，移動(dòng)端外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)需要外業(yè)調(diào)查的數(shù)據(jù)信息，外業(yè)調(diào)查的底圖、照片、錄音錄像等材料則用文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)、讀取方便。

（3）組件層：系統(tǒng)開發(fā)采用多種組件，內(nèi)業(yè)建庫(kù)子系統(tǒng)采用DevExpress組件設(shè)計(jì)，空間數(shù)據(jù)的處理分析采用ArcObjects組件，統(tǒng)計(jì)報(bào)表、文檔報(bào)告需依賴于Office或者WPS組件。移動(dòng)端外業(yè)調(diào)查子系統(tǒng)采用ArcGIS Runtime SDK for Android組件。

（4）應(yīng)用層：該層是系統(tǒng)面向用戶的展現(xiàn)，對(duì)于內(nèi)業(yè)建庫(kù)人員，使用的是內(nèi)業(yè)建庫(kù)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，基于ArcGIS二次開發(fā)；對(duì)于外業(yè)調(diào)查人員，使用是移動(dòng)端外業(yè)調(diào)查子系統(tǒng)，采用MVC架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，滿足外業(yè)調(diào)查的需求。

（5）用戶層：該層是系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象，不同的服務(wù)對(duì)象通過不同方式訪問系統(tǒng)應(yīng)用層以進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問、編輯與分析等操作，主要包括內(nèi)業(yè)建庫(kù)作業(yè)人員和外調(diào)調(diào)查人員。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

貫徹“已有內(nèi)容細(xì)化、變化內(nèi)容更新、新增內(nèi)容補(bǔ)充”的總體思想和“內(nèi)外業(yè)一體化、分層協(xié)作作業(yè)”的建庫(kù)思路，秉持規(guī)范統(tǒng)一、便捷高效的原則進(jìn)行內(nèi)外業(yè)一體化水域調(diào)查建庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)調(diào)查建庫(kù)的分工協(xié)作，提高建庫(kù)效率，保證建庫(kù)成果質(zhì)量。

系統(tǒng)將內(nèi)業(yè)建庫(kù)和外業(yè)調(diào)查相結(jié)合，包括內(nèi)業(yè)建庫(kù)子系統(tǒng)和外業(yè)調(diào)查子系統(tǒng)，功能框架見圖3。內(nèi)業(yè)建庫(kù)子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)包括河道、湖泊、蓄滯洪區(qū)等7類調(diào)查對(duì)象的水域基礎(chǔ)信息、水域空間信息和工程信息的圖形采集與信息錄入，外業(yè)調(diào)查子系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)定位、實(shí)地拍照、錄音錄像、屬性錄入、圖形編輯等功能實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)業(yè)初建庫(kù)的補(bǔ)充和驗(yàn)證。

圖3 功能框架圖

4.1 內(nèi)業(yè)初建庫(kù)

內(nèi)業(yè)初建庫(kù)（見圖4）主要是根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)成果和遙感影像等數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)建庫(kù)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、調(diào)查對(duì)象屬性信息錄入等操作，形成初始數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于內(nèi)業(yè)無(wú)法確定屬性和邊界的要素，開展外業(yè)調(diào)查工作。

圖4 內(nèi)業(yè)初建庫(kù)流程圖

（1）數(shù)據(jù)收集與導(dǎo)入。將用戶收集到的數(shù)據(jù)，包括第三次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)、水庫(kù)、河流、池塘等數(shù)據(jù)導(dǎo)入至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）水域調(diào)查。針對(duì)河道、湖泊、其他水域、人工水道、山塘、水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)、部分未分類的水域面數(shù)據(jù)以及類別為暗河、其他溝渠未分類的線性河道數(shù)據(jù)，根據(jù)調(diào)查列表，逐圖斑遍歷錄入屬性信息、編輯圖形形狀、未分類圖形類別歸屬。水域面圖斑列表處理完成后，根據(jù)水域面類別生成對(duì)于類型臨水線，如將水域面層中類別為河道的圖斑，提取圖斑邊界并轉(zhuǎn)為線，用行政區(qū)數(shù)據(jù)切割，同時(shí)對(duì)屬性賦值，成果生成至河道臨水線層中。臨水線生成完成后，根據(jù)設(shè)定的閾值，自動(dòng)提取臨水線的重要拐點(diǎn)作為臨水線點(diǎn)，生成至對(duì)于類型的臨水線點(diǎn)圖層中。

（3）工程調(diào)查。根據(jù)數(shù)據(jù)類型分為工程線調(diào)查和工程點(diǎn)調(diào)查，針對(duì)水閘、泵站、攔水壩（堰）、碼頭、船閘、其他工程的工程數(shù)據(jù)，生成調(diào)查列表，逐條記錄遍歷進(jìn)行圖形編輯、屬性編輯以及未分類圖形類別歸屬。

（4）水面線調(diào)查。從第三次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)成果數(shù)據(jù)中提取水域相關(guān)地類數(shù)據(jù)提取至水面層，對(duì)提取的水域面進(jìn)行分類和水域編碼的自動(dòng)賦值，根據(jù)處理結(jié)果生成調(diào)查列表，逐圖斑遍歷進(jìn)行屬性錄入、圖形編輯以及分類歸屬。水面圖斑完成后，生成對(duì)應(yīng)的水面線，并根據(jù)水面線類別逐條水面線進(jìn)行屬性和圖形的編輯，最終生成河道、湖泊、其他水域、人工水道、山塘、水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)水面線。

（5）管理范圍線調(diào)查。根據(jù)湖泊水域面、河道水域面、山塘水域面、水庫(kù)水域面、其他水域面、人工水道水域面、蓄滯洪區(qū)水域面），設(shè)置一定緩沖距離生成相應(yīng)類別管理范圍線。遍歷管理范圍線列表，進(jìn)行管理范圍線的屬性和圖形編輯。

（6）臨水線與臨水線點(diǎn)調(diào)查。根據(jù)生成的臨水線和臨水線點(diǎn)生成調(diào)查列表，遍歷進(jìn)行臨水線或者臨水線點(diǎn)的圖形與屬性編輯。

（7）水域中心線調(diào)查。根據(jù)水域面自動(dòng)生成水域中心線，形成水域中心線調(diào)查列表，逐要素遍歷進(jìn)行屬性和圖形信息的修改與完善。

4.2 外業(yè)調(diào)查

完成內(nèi)業(yè)初建庫(kù)后，將內(nèi)業(yè)標(biāo)記為外業(yè)調(diào)查的水域基礎(chǔ)要素、水域空間要素和工程要素提取至外業(yè)調(diào)查圖層，并導(dǎo)入至移動(dòng)平板中進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，主要流程見圖5。

圖5 外業(yè)調(diào)查流程圖

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。為提高外業(yè)調(diào)查子系統(tǒng)地圖加載與瀏覽的速度，將遙感影像、第三次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)成果等數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理。

（2）任務(wù)分組。根據(jù)該縣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍進(jìn)行任務(wù)分組，支持多人同時(shí)作業(yè)，提取內(nèi)業(yè)初始數(shù)據(jù)庫(kù)過程中標(biāo)記為外業(yè)調(diào)查的數(shù)據(jù)，生成外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)，連同切片數(shù)據(jù)一起推送至平板端。

（3）外業(yè)實(shí)地調(diào)查。平板端在最新衛(wèi)星影像和GPS 輔助下進(jìn)行外業(yè)實(shí)地調(diào)查，外業(yè)調(diào)查人員根據(jù)調(diào)查列表，逐要素通過實(shí)時(shí)定位、調(diào)查信息錄入、圖形采集或者邊界修改，并通過拍照、錄音錄像記錄證明材料，實(shí)時(shí)記錄外業(yè)調(diào)查人員的軌跡、拍照點(diǎn)、拍照方位和角度，此調(diào)查方式改變了傳統(tǒng)手工記錄的外業(yè)調(diào)查方式，不僅提高調(diào)查效率、節(jié)約調(diào)查時(shí)間，更重要的是保障調(diào)查成果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

4.3 內(nèi)業(yè)成果建庫(kù)

外業(yè)調(diào)查完成后，將成果導(dǎo)回至內(nèi)業(yè)建庫(kù)子系統(tǒng)，根據(jù)外業(yè)調(diào)查成果進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的補(bǔ)充、完善和處理，最終形成符合技術(shù)規(guī)范的數(shù)據(jù)庫(kù)，圖6為內(nèi)業(yè)成果建庫(kù)流程圖。

圖6 內(nèi)業(yè)成果建庫(kù)流程圖

（1）外業(yè)調(diào)查成果導(dǎo)回至內(nèi)業(yè)。將外業(yè)實(shí)地采集的照片、錄音等多媒體證明材料導(dǎo)入內(nèi)業(yè)建庫(kù)子系統(tǒng)。

（2）完善數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)外業(yè)成果完善數(shù)據(jù)庫(kù)，遍歷外業(yè)調(diào)查圖斑列表，在其外業(yè)調(diào)查信息、照片、錄音錄像等輔助下，逐圖斑進(jìn)行圖斑屬性信息的補(bǔ)充完善以及圖形邊界的調(diào)整。

（3）數(shù)據(jù)處理。外業(yè)信息更新完成后，基于約束規(guī)則進(jìn)行屬性的批量預(yù)處理，包括根據(jù)空間關(guān)系疊加賦值、規(guī)則計(jì)算賦值[4]。為建庫(kù)操作方便以及保證圖層間的拓?fù)湟恢滦裕鞠到y(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的圖層根據(jù)進(jìn)行分類歸納，采用同種類型數(shù)據(jù)存放在同一個(gè)圖層中進(jìn)行操作，例如泵站、船閘、攔水壩、碼頭等點(diǎn)狀工程要素都存放在工程點(diǎn)圖層中并標(biāo)記圖斑類別，當(dāng)建庫(kù)完成后，再將工程點(diǎn)圖層數(shù)據(jù)根據(jù)標(biāo)記的類別進(jìn)行分類。若一個(gè)縣域是多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)協(xié)同作業(yè)，還需進(jìn)行各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)追加合并處理，最終建成以縣級(jí)為單位的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（4）成果導(dǎo)出。按照《浙江省水域調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則（修訂版）》的數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出成果數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

水域調(diào)查建庫(kù)是一項(xiàng)大工程，是細(xì)化第三次國(guó)土調(diào)查的重要內(nèi)容之一，也是做好新時(shí)期水利工作“補(bǔ)短板、強(qiáng)監(jiān)管、走前列”的重要基礎(chǔ)保障?；贕IS技術(shù)的內(nèi)外業(yè)一體化水域調(diào)查建庫(kù)系統(tǒng)的建設(shè)，為水域調(diào)查內(nèi)業(yè)建庫(kù)和外業(yè)實(shí)地調(diào)查提供了極大的便利，將繁瑣、枯燥的水域調(diào)查工作變得更簡(jiǎn)單、高效，從而創(chuàng)新了以往純?nèi)肆κ噶炕瘮?shù)據(jù)和圖紙化外業(yè)調(diào)查的工作模式。此外，移動(dòng)端外業(yè)調(diào)查設(shè)備可以通過藍(lán)牙連接高精度GPS定位終端，實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位，完成外業(yè)修補(bǔ)測(cè)工作，實(shí)地采集數(shù)據(jù)可以滿足建庫(kù)的精度要求。該系統(tǒng)在嘉興、臺(tái)州等市的水域調(diào)查工作中已成功應(yīng)用，實(shí)踐證明利用內(nèi)外業(yè)一體化水域調(diào)查建庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行水域調(diào)查建庫(kù)，在提高工作效率的同時(shí)，也能很好地保證數(shù)據(jù)成果的規(guī)范性和統(tǒng)一性，為后續(xù)開展水域調(diào)查提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持與保障。