精準土地調查技術系統數據通訊設計及實現

王慧青，王 慶

（東南大學 儀器科學與工程學院，南京 210096）

全面、及時、準確地掌握土地信息是編制土地、利用規劃、嚴格土地管理、實施耕地保護、進行土地用途管制、集約節約用地，以及參與宏觀調控的前提[1]。目前，我國城鎮化、工業化快速發展，反映在土地利用上，用地類型、權屬變化巨大。現行的城鎮與農村、現狀與地籍嚴格區分，精度統一劃定，每年固定時間集中調查匯總的方式，對于當前地價不斷攀升的現狀以及城鄉一體化的趨勢，已顯現出不盡合理之處。以“科技興地”推動土地管理方式的重大轉變，通過構建定量求精（精度高）、定性求準（準確度高）的“精準土地”調查技術系統，能及時準確地獲取不同地形地貌、不同經濟條件的區域內各種土地利用現狀信息，保障區域土地資源安全，進行土地宏觀調控。

“精準土地”通過差別化土地管理政策實現精細管理，基礎均為多源數據精確獲取和快速動態更新，即精準土地調查。為全面支撐“精準土地”體系建設，精準土地調查要保證數據與實地一致，數據要涵蓋土地管理的各方面，保證各地土地利用變化數據的及時獲取，要及時用最新調查成果更新原有數據。

本文構建的精準土地調查技術不是指某一單項技術，而是指由一系列技術集成起來的完整的技術體系。將 GPS、全站儀和遙感方法有機結合起來，通過不同的測量組合方式，形成不同精度的系列數據采集系統，滿足不同區域的“精準”調查要求。將上述調查手段組合，與移動 GIS、無線通訊等技術緊密結合，就可以將野外數據采集，獲取精確的地物邊界，調查準確的地物屬性，調查數據傳輸和共享等一系列野外工作整合成一個相互協調、相互支持的標準化的技術體系。

1 精準土地調查技術系統設計

精準土地實地調查系統由導航定位系統、實地調查系統、網絡中繼服務系統、室內監控及數據處理系統組成。導航定位系統實現GPS車輛導航，快速到達目的地；實地調查系統實現目標地塊信息的采集、顯示、編輯、存儲、上報；網絡中繼服務系統實現調查數據的網絡傳輸；室內監控及數據處理系統實時監測各客戶端的工作狀態，接受實地調查系統上傳的調查數據，進行數據處理生成各種數據及報表。

（1）導航定位系統

該系統由車載GPS接收機主機和天線、衛星信號接收專用饋線、導航軟件以及道路導航電子圖、遙感影像數據、土地利用現狀圖等基礎數據組成。車載GPS用于調查車行駛過程中的GPS定位，為調查車提供地理位置坐標；依據地理坐標、GPS導航軟件及導航電子圖實現道路交通導航，引導調查到達待調查區域，導航圖內容、比例尺隨著與目標接近程度而變化；導航電子圖無法使用時，可利用土地利用現狀圖、遙感影像圖導航，引導調查人員快速到達所需調查的地塊現場。

（2）實地調查系統

實地調查系統包括GPS、全站儀、皮尺等常規測量設備，裝載有土地實地調查軟件的PDA手簿，也稱為客戶端。該系統能實現調查地塊位置、面積等幾何信息和屬性信息的現場采集、存貯、傳輸。PDA手簿與GPS、全站儀等之間通過藍牙通訊實現定位數據的實時采集；GPS接收機可以通過PDA手簿實現與固定基站或網絡差分系統建立連接，獲得高精度定位；所有外業采集數據可以通過PDA手簿中的網絡傳輸模塊實現上傳。

（3）網絡中繼服務系統

網絡中繼服務系統包括GPRS/CDMA撥號器、SIM卡和撥號軟件以及數據中轉服務器。網絡中繼服務系統是一個數據接收和管理系統，在系統中起到信息中樞的作用，使得室內監控及數據處理系統與實地調查系統建立網絡通訊連接，實現數據的傳輸。中心服務器裝有防火墻，防止病毒入侵和其他非法用戶進入。

（4）室內監控及數據處理系統

室內監控及數據處理系統由數據管理子系統、數據處理子系統、綜合管理子系統、遠程監控子系統和網絡數據傳輸模塊組成，實現對遙感影像、土地利用數據的綜合管理、分層顯示、土地利用對比分析以及對實地調查人員進行遠程監控，實地調查信息的實時獲取和即時分析等，生成各種數據及統計報表。

2 基于XML的移動GIS工程文件實現

實地調查系統是以基于PDA手簿的嵌入式GIS軟件支撐平臺來實現數據采集、存貯、傳輸等功能。PDA手簿本身的處理速度、內存容量、顯示水平等受到制約，且土地利用數據來源多種，格式多樣，用戶需求多樣。為實現移動 GIS與監控系統的桌面GIS之間的數據傳遞，要求跨平臺的異構數據間能相互識別，相互轉換集成，為此引入工程（即工作空間）技術[2]。本文在分析移動GIS特性的基礎上，結合元數據國際標準提出一種移動GIS工程管理設計方案，基于XML設計并實現了工程文件，使得各平臺間不需要改變底層數據的存儲和管理方式，即可實現分布異構數據的互操作。該文件的內容包括工程數據模型和地圖數據模型以兩部分。地圖元數據模型主要包括圖層名稱、圖層描述信息、圖層可見、圖層可編輯、圖層顯示范圍[四角坐標]、渲染方式等字段。工程元數據模型主要包括工程名稱、工程路徑、坐標系投影方式、地圖范圍[四角坐標]、繪圖比例尺、連接GPS設備標識、連接服務器IP/端口號等主要字段。

在提出工程文檔結構設計的基礎上，下一步工作則是如何在保存工程和打開工程過程中具體實現對工程數據的管理。其中，新建工程就是在PDA的磁盤上創建一個XML文檔格式的工程文件，文件內容包括工程數據模型和地圖數據模型。保存工程就是在系統做出配置修改，如改變圖層顏色等，希望保存當前系統的所有狀態所采取的操作，結果以XML文檔格式存儲；打開工程就是通過調入XML文檔，直接打開保存前的位置和狀態，方便快速操作。該過程的技術路線如圖1所示。

圖1 保存/打開工程的技術路線Fig.1 The technical line for saving/opening the project

3 基于ACE的嵌入式網絡傳輸客戶端設計

客戶端移動GIS網絡傳輸需求來源于以下幾個方面：為了提高GPS定位精度，移動GIS需要接收來自基站的差分改正信息，同時上傳自身定位數據；為了對外業工作的精細管理，移動GIS需要通過網絡中繼服務系統和室內監控中心進行雙向通訊，一方面需要接收來自中心的任務發布信息，另一方面需要向中心上傳現場信息。從以上情況看來，移動GIS客戶端網絡傳輸數據量大、數據類型多樣，并且往往會和多種網絡終端同時進行通訊[3][4]。

針對土地調查實際應用中對于移動GIS在網絡通訊等多方面的需求，本文基于ACE的Reactor框架[5][6]，設計與開發了具有事件驅動特性的移動GIS網絡傳輸框架，該框架為高效的事件多路分離和分派提供了可擴展的面向對象構架。

嵌入式GIS網絡傳輸客戶端模型總體的設計步驟如圖2所示。

（1）創建發起連接事件的服務器 Connector，以處理所連接到達的事件；

（2）創建建立服務事件的服務器Svc_handler，以處理所連接到達后I/O句柄上的讀寫事件或特殊信號事件；

（3）在反應器上登記，當有相應的事件到達時，通知對應的事件服務器，同時傳遞它想要的用以處理該事件的事件服務器指針給反應器；

（4）反應器構架將自動地在內部維護一些表，將不同的事件類型與事件服務器關聯起來，在用戶已經登記的某個事件發生時，反應器發出對服務器中相應的方法回調。基于I/O句柄的事件由handle_input、handle_output、handle_exceptions 方法分派；

由于客戶端要向監控中心上傳圖斑信息和GGA語句，并從服務中心獲取RTCM信息[7]，所以在程序中需要事先約定與監控服務中心的傳輸數據類型標識來區分這幾種不同類型數據的傳輸。客戶端與監控服務中心間數據流程如圖3、圖4所示。

4 網絡中繼數據傳輸模式設計

室內監控系統和中繼服務器建立面向連接的專用 Socket連接，中繼服務器將外業定位數據和外業調查數據封裝在數據包中，通過Socket連接發送到對方。室內監控系統遵循統一的數據包結構進行封裝和解析。

室內監控系統和網絡中繼數據系統的通信協議過程為：

（1）建立連接后，室內監控系統登錄中繼服務器，將標識告知中心服務器。

（2）中繼服務器在接收到登錄信息后，建立室內監控系統和相應的Socket連接對方關系。若成功，則發送成功信息，否則發送失敗的信息。

（3）室內監控系統在接收到上一部的就緒應答后，向中繼服務器發送下載數據請求。如果接收失敗信息，則釋放連接資源，數據傳遞結束并返回錯誤信息。

（4）室內監控系統在接收到中繼服務器的成功應答后，繼續下載數據包，并等待中繼服務器應答。如果在一定時間期限內始終沒有接收到中繼服務器應答，結束傳遞過程，并退出登錄，重新建立連接。

（5） 室內監控系統可以在發送過程中，隨時向中繼服務器發送停止傳遞請求，中繼服務器作出相應處理釋放占用的資源；

（6） 在成功登錄后，室內監控系統和中繼服務器都可以隨時向對方發送信息，告知對方自家將退出數據傳遞過程，接受方作出相應處理釋放占用的資源。

圖2 客戶端網絡傳輸時序圖Fig.2 The timing diagram of client network transmission

圖3 圖斑的發送流程圖Fig.3 The flow chart of feature sending

圖4 差分信息的收發流程圖Fig.4 The flow chart of sending and receiving of difference information

5 室內監控及數據處理系統實現及應用

室內監控及數據處理系統是一個綜合土地利用調查業務的信息處理系統。在系統開發中，采用了組件對象技術[8]，使用SuperMapObjects 512 GIS組件。SuperMap Objects 基于Microsoft的COM組件技術標準，以ActiveX控件的方式提供了數據輸入、數據處理、空間數據存儲與管理到空間分析、地圖排版輸出等包括各個環節的六個組件，這些組件可根據不同的功能需求自由組合，具有很強的伸縮性。

室內監控及數據處理系統分為以下三層：

（1）表示層：系統的上層應用和界面顯示，包括底圖顯示、外業數據實時導入、繪圖操作、屬性編輯、基站設置、PDA 定位、車輛定位等。

（2）業務處理層：該層是系統的核心，實現了土地調查過程中各項業務的數據流程，包括空間數據處理、屬性數據處理、實時監控分析、通訊服務和數據訪問控制等。

（3）數據通信層：該層主要有兩大模塊，分別是網絡通訊模塊和數據庫連接，用于實現空間數據和屬性數據的讀寫操作以及調查數據的網絡傳輸。圖5顯示了基于GPRS網絡的外業采集數據實時發送至室內監控系統的效果圖。

東南大學自主研發的精準土地調查技術系統在天津市國土管理的日常業務中得到較好應用。利用該系統，完成某區1：2000比例尺的房產專題圖的質量檢查與修補測；在天津市城鄉結合部、公路干線兩側、村莊周圍及基本農田保護區等以及巡查區開展日常土地巡查執法工作，有效地掌握了實際用地情況，對違法違規用地行為形成了極大的威懾；進行某開發區年度新增建設用地的土地利用現狀變更調查，降低外業數據采集勞動強度，提高數據采集工作效率，實現了“二調”工作中土地利用現狀數據的檢查與更新，確保了數據的可靠性、質量和精度。

圖5 實時顯示外業調查數據效果圖Fig.5 The real-time display effect figure of field surveying data

6 結束語

土地資源的宏觀調控、嚴格管理、科學規劃、合理利用以及執法監察等國土資源管理重點業務均需要準確、翔實的土地基礎數據支持。本文提出的集成3S（GPS/GIS/RS）、PDA、無線通訊等技術的精準土地調查技術系統，為土地調查野外數據采集提供了全新的作業模式。在網絡傳輸框架設計與實現時，下一步應該重點研究如何將3G網絡與移動GIS無線傳輸的需求進行緊密結合，提高移動GIS在多媒體信息共享、地圖實時共享等方面的性能。

（References）：

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[2] 連健，李小娟，張揚，等. 基于XML的GIS工程研究與開發[J]. 首都師范大學學報(自然科學版)，2008，29(2)：72-84.LIAN Jian, LI Xiaojuan, ZHANG Yang, et ac. Research and development of GIS project based on XML[J]. Journal of Capital Normal University (Natural Science Edition), 2008, 29(2): 72-84.

[3] 蔡文雯. 提高移動GIS復用性及高效性的軟件框架的設計與實現[D]. 南京：東南大學，2009.CAI Wen-wen. Design and realization of software to improve mobile GIS reusability and efficiency[D]. Nanjing: Southeast University, 2009.

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[5] 李菲，潘樹國，王慶，等. VRS 網絡差分系統數據通訊結構設計[J]. 中國慣性技術學報，2008，16(5)：582-585 LI Fei, PAN Shu-guo, WANG Qing, et al. Design of network data transport for VRS system[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2008, 16(5): 582-585.

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[8] 張俊杰，白松浩，龍志強. 基于組件GIS的空管綜合信息系統設計研究[J]. 微計算機信息，2007，23 ( 3)：27-29.ZHANG Jun-jie, BAI Song-hao, LONG Zhi-qiang. Research and design of integrated information system of ATC based on the component GIS microcomputer information[J]. Control & Automation, 2007, 23 (3): 27-29.