基于GPS的湖泊巡查GIS研究

王 飛 ，王冬梅 ，謝義林 ，李繼國

（1.河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京210000；2.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京210000）

在全球氣候變化和工業化、城鎮化進程快速推進的背景下，我國湖泊保護與經濟社會發展之間依然存在諸多矛盾，湖泊水面萎縮、水體干涸、水質惡化等問題十分突出，湖泊管理與保護仍面臨嚴峻挑戰，歸納為四點：(1)湖區防洪能力依然偏低，特別是受河道淤積、城鎮及圩區面積擴大、河湖面積減少等因素影響，防洪減災的難度進一步增加；(2)湖泊萎縮退化形勢嚴峻；(3)湖泊水質惡化趨勢尚未遏制；(4)湖泊生態功能嚴重退化。目前，我國的湖泊巡查尤其是外業仍然停留在傳統人工作業模式，在這種模式下，湖泊巡查主要通過縣級水利管理部門的人工執法巡查網絡完成。造成執法人員不能及時準確做出是否違法用地的判斷，需要上報進一步確認，無法實現高效的湖泊巡查。隨著管理方式和利用方式的轉變，湖泊巡查越來越需要運用科技的手段來提高執法效率。

針對傳統湖泊巡查模式下存在的薄弱環節和問題，本文將GIS與PDA、GPS等與湖泊巡查的實際管理進行有機的集成，意義在于利用先進的無線通信技術、移動GIS技術和 WebGIS技術,實現服務端、移動終端和客服端的相互通信和實時定位等功能，最終建立水利巡查快速反應機制的湖泊巡查系統。湖泊巡查的另外一個難點在于湖泊一般處于野外，參照物較少，不易于二次確定情況和處理，所以本研究還要求能更精準地定位。

1 B/S與M/S架構的特點

隨著Internet技術的發展與普及，B/S架構是對客戶端/服務器C/S(Client/Server)架構改進的一種系統架構。用戶界面通過WWW瀏覽器實現，客戶端除瀏覽器之外，一般不需要安裝其他程序，只需要通過網頁地址從Web服務器執行并將處理結果以網頁的形式展示給用戶。B/S架構具有使用方便、分布性廣、業務擴展方便、維護成本較低、共享性強等特點。

M/S架構結合GIS、GPS和GPRS/CDMA等前沿技術，將軟件系統的應用由有線向無線進行延伸，由戶內向戶外進行擴展，由桌面向掌上進行轉移，將豐富全面的信息服務帶到工作現場，以更有效地指導現場工作，同時利用手持終端將現場情況及時上傳到監控中心，使管理決策者能夠全面直觀地了解現場情況，輔助做出科學決策。

將B/S與M/S架構相結合，開發省管湖泊巡查GIS系統，可充分利用兩種系統架構的優勢，將各個業務子系統建立在統一的數據庫結構之上，避免了子系統單獨設計而產生的“數據孤島”效應，在保證系統簡單易用的前提下，增強工作現場與監控中心的信息交互，提高湖泊管理的科學性。

2 GIS技術的應用

地理信息系統 GIS(Geographic Information System)是采集、處理、貯存、分析、檢索、顯示與輸出地理空間信息的計算機系統，具有強大的空間數據庫管理和分析能力，在發達國家已經被廣泛應用。如美國弗吉尼亞的Richard Greene[1]等人利用GIS的網絡分析功能與拓撲分析功能，將GIS與重力流污水管網設計程序結合起來描述排水流域狀況，進行管網定線，確定污水提升泵站位置及壓力管路線。國內許多學者也對GIS的應用進行了研究，如姚連璧[2]等研究了車載導航電子地圖中道路數據的空間邏輯描述，以及黃丙湖[3]等黃河口GIS的設計與實現。許多學者將GIS和GPS結合起來做了相當多的研究，如張淑華[4]基于GSM、GPS和 WebGIS技術的動態監控系統研究，但是目前還沒有將GPS和GIS結合運用于湖泊的管理和保護方面的研究。

WebGIS是將Internet技術應用于GIS開發的產物。它的基本思想是在互聯網上提供地理信息服務。WebGIS不但具有大部分傳統GIS軟件的功能，而且還可以利用Internet的優勢，用戶不必在本地計算機上安裝龐大的GIS軟件就可以在Internet上訪問遠程的GIS數據和應用程序，進行GIS分析。我國曾有研究人員研發基于WebGIS的管理系統，但現有系統中交互性不強，僅提供簡單的空間查詢功能，如劉小軍[5]等基于WebGIS的農業空間信息管理及輔助決策系統和郭武士[6]等基于WebGIS和條碼技術的土壤空間信息管理系統。本研究基于B/S與M/S混合架構開發省管湖泊管理巡查WebGIS系統，除實現信息的查詢和分析外，還可以實現工作現場與監控中心的信息動態交互，提高湖泊巡查工作的效率。

3 系統設計與功能開發

3.1 系統設計

3.1.1 數據組織與數據結構設計

針對系統的特點，數據主要包括輔助湖泊調查的基礎地理數據、調查后獲取的巡查數據和與服務器數據庫交換的數據。基礎地理數據是預先存儲在移動設備上的矢量化的專題圖和遙感影像；巡查數據是調查人員在巡查過程中產生的數據；交換數據主要是用于移動端與服務器進行傳輸的數據。

為實現對各種數據的統一標準化管理，空間矢量數據均采用ESRI Shape File格式，遙感影像采用經過糾正和切割過的中國資源衛星影像，屬性數據均以DBF格式存儲，而數據交換以XML文檔作為載體。

3.1.2 系統功能結構設計

系統的主要功能模塊結構如圖1所示。

3.2 系統工作流程

本巡查系統主要工作流程：GPS導航定位功能引導巡查人員到達湖泊巡查點，點擊巡查開始巡查，如巡查發現有事件必須上報則進行點、線或面的事件上報；巡查結束后，湖泊管理處可以對發現事件進行及時處理或及時上報上級單位處理；同時管理人員可以通過WebGIS觀察巡查人員的實時工作狀況，并提供直觀的技術支持，還可以進行各種信息的統計，如每月巡查總長度、總時間、總天數以及發現事件和事件的處理狀態等。其具體工作流程如圖2所示。

3.3 系統關鍵技術

3.3.1 數據存儲模型

數據模型描述了地理實體與地理實體之間的關系。數據模型的好壞直接影響到空間數據庫的數據查詢、檢索的方式、速度和效率。動態巡查信息采集系統中，作為地理實體的是一次調查任務，它包括發生變化的時間、地理對象的空間、屬性信息等。一次調查任務的核心是進行地理信息的采集。以往調查時，作為屬性信息的詢問信息和作為空間信息的地塊坐標信息分別使用不同的方式獲取、記錄，有可能出現空間信息和屬性信息不對應的情況。并且由于使用不同的存儲方式，在進行查詢時往往帶來很大的困難，在管理和統計上也會出現混亂。

本研究的系統作為信息采集一體化設備在進行巡查時，空間信息和屬性信息同時獲取、存儲，能方便地進行查詢、修改等操作。

3.3.2 移動GIS

本系統采用移動GIS管理湖泊巡查中的各種空間信息。軟件能輕松地實現點、線、面、圖形等復雜GIS外業數據的工作要求。如圖3所示。

巡查人員的工作：(1)用 GPS迅速定位自己所在的位置并在遙感影像以及相關矢量圖層上顯示；(2)矢量數據查詢，巡查人員可以對矢量底圖數據進行屬性查詢；(3)實時發送軌跡數據至服務器端；(4)采集巡查到的問題，填寫相關信息后，將數據（包括拍攝的照片）發送至服務器端。具體流程如圖4所示。

3.3.3 基于無線互聯網的差分GPS定位

GPS定位具有高度靈活性、高精度、快速性、提供三維坐標、全天候作業、操作簡便以及全球連續覆蓋等特點，已成為獲取現實空間數據的重要手段，廣泛應用于資源調查和空間定位數據的采集。本系統采用了能接收并處理通過無線互聯網發布的差分GPS改正數的手持設備，實現了快速、高精度定位，達到了湖泊巡查對定位技術的實用化要求。同時，該系統也實現了GPS定位數據與地圖數據的集成使用，使定位作業可視化，無需專業技術人員，普通湖泊巡查人員就可以方便地使用該項技術得到高精度、可靠的成果。

3.3.4 基于XML和Web Service的數據實時提交

本系統采用XML和Web Service技術，通過基于GPRS/CDMA的無線互聯網實時提交案例調查結果。服務器端采用Web Service技術，為不同設備的接入和后續開發提供了接口；采用XML主要的優點在于它既與平臺無關，又與廠商無關，方便作為Web數據結構進行傳輸。調用Web Service使得最新的調查案例在第一時間進入湖泊管理數據庫。迅速啟動案例調查啟動后續工作，提高內外業務一體化程度，加速案件調查進度，縮短案件處理周期。

3.4 系統實現

本系統基于多功能PDA和移動GIS平臺實現。借助GPRS或3G網絡可實現外業人員與監控中心信息的及時溝通，管理人員可在監控中心對現場巡查養護情況進行動態監管，發現問題并及時處理。

選用專業型多功能GPS接收機，采用工業級一體化集成設計，集 GPS、Windows CE.Net 6.0、數碼相機、麥克風、3G通信、藍牙、USB/RS232端口、SD卡擴展等多種功能于一身，接收機采用GPS+GLONASS雙星系統模式，收到的衛星數更多，差分結果精度較高，采用高精度測量型GPS主板，內置高靈敏度抗干擾GPS天線，精度：單點定位 2.5 m，SBAS 1 m，實時差分 0.5 m，差分后處理0.3 m，是目前業內功能最強的專業級GIS數據采集器，可滿足復雜環境及多樣化的使用需求。專業級的GPS能夠更好地在湖泊巡查中精確定位，為事件的后續處理和監控提供技術支撐。

移動GIS平臺由作者自己編寫，地圖采用手持機內置方式，減少了網絡傳輸量和反應速度。通過PDA與CDMA無線網絡通信模塊的連接實現差分GPS服務的獲取和數據穩定、快速的傳輸。基于上述軟硬件平臺和上節中關鍵技術的實現，完成湖泊巡查信息采集系統的構建。系統界面如圖5所示。

WebGIS系統選用Microsoft Windows server 2003標準版為服務器操作系統，采用ESRI ArcGIS Server 10.1為WebGIS開發平臺，選用Oracle 10g企業版作為數據庫軟件，客戶端支持IE等通用瀏覽器。使用Microsoft Visual Studio 2010開發環境，WebGIS采用Arcgis API for Silverlight進行開發，實現對GPS手持機采集的信息管理、顯示、統計工作；后臺充分利用Oracle的強大數據管理功能，每天的GPS數據都存儲在相應的表分區中，能夠更加快速地從大量的數據中查詢GPS實時軌跡和歷史軌跡；后臺每天在固定的時刻自動地進行當天巡查路徑長度的計算，縮短后續統計巡查總長度的時間。

通過實地巡查、衛星影像判讀等手段，結合GIS、GPS等新技術的湖泊巡查管理系統已經在經濟和科技發達地區開始試用，并開展了卓有成效的工作。本文對基于手持終端和移動GIS技術的湖泊巡查信息采集系統的體系結構、功能模塊和關鍵技術進行了分析和研究，通過制定合理的技術方案實現了系統的構建。湖泊巡查信息采集系統大大減少人員的工作量，保證巡查結果實時上傳至服務器，便于管理部門及時了解情況并處理，在很大程度上提高了工作效率。基于XML和Web Service的數據實時提交為以后系統的擴展和各種異構情況提供接口，專業級的GPS為事件的后續處理和監控提供了技術支撐，基本滿足湖泊管理的需要。

[1]GREENE R，AGBENOWOSI N，LOGANATHAN V.GIS-based approach to sewer system design[J].Journal of Sunrveying Engineering，1999，125(1)：36-57.

[2]劉春，姚連璧.車載導航電子地圖中道路數據的空間邏輯描述[J].同濟大學學報，2002，3(30)：347-351.

[3]黃丙湖，萬劍華，王珂.黃河口GIS的設計與實現[J].計算機工程與設計，2011，32(5)：1665-1668.

[4]張淑華.基于GSM.GPS和WebGIS技術的動態監控系統研究[J].煤炭技術，2011，30(2)：175-177.

[5]劉小軍，朱艷，姚霞，等.基于WebGIS的農業空間信息管理及輔助決策系統[J].農業工程學報，2006，22(5)：125-129.

[6]郭武士，易欣，陳云坪，等.基于 WebGIS和條碼技術的土壤空間信息管理系統[J].農業工程學報，2010，26(9)：251-256.