基于BDS的地理信息數據采集平臺設計與實現

王孝青，武軍酈，陳　明

(國家基礎地理信息中心，北京　100830)

?

基于BDS的地理信息數據采集平臺設計與實現

王孝青，武軍酈，陳明

(國家基礎地理信息中心，北京100830)

針對BDS在地理信息數據采集應用中，位置數據、影像底圖和現場調繪等多類型數據的格式和坐標轉換、自動匹配問題，提出了綜合地理信息采集核查和自動處理方法，這種方法可以提高綜合數據采集的多源性、準確性和高效性；論述了利用BDS構建的地理信息數據采集平臺的設計思路和功能特點。測試表明：該平臺支持多源數據、應用范圍廣，能夠滿足一般性的綜合地理信息數據采集與底圖調繪需求，可應用于地理國情普查與監測、野外數碼調繪及其他行業外業數據采集應用。

BDS；地理信息；數據采集；地理國情普查

0　引言

北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)作為中國自主研發的衛星導航定位通信系統[1]，是繼美國的全球定位系統(global positioning system，GPS)、俄羅斯的全球衛星導航系統格洛納斯(global navigation satellite system，GLONASS)之后，第3個正式開始使用并且成熟運作的衛星導航系統[2]。2012年，我國BDS的導航系統已經正式面向所有亞太地區全面提供導航定位、授時等民用服務。預計我國將在2020年建成具有35顆衛星的BDS全球導航系統。屆時，BDS將會在全球范圍內全天候提供服務，為各類導航應用用戶提供實時導航、準確定位、通訊授時服務，同時具備衛星短信通訊能力[3]。

衛星導航與地理信息產業一直密不可分，衛星定位導航系統在國家地理信息產業化進程中具有指導性地位，也是不可缺少的一個關鍵環節[4]。為了滿足地理信息綜合數據采集與應用需求，需要大力開展基于BDS的多源數據綜合采集工作，包括位置信息、野外照片、視頻、音頻，以及現場調繪等多維動態信息。

本文基于BDS在測繪地理信息的應用，結合MapWinGIS技術[5-6]，研究設計符合新型測繪地理信息數據綜合采集的應用模式，實現地理信息綜合數據的自動獲取與應用，為BDS產業化應用提供一種可行的解決方案和實現方法。

1　總體設計思路

基于BDS，結合地理信息系統(geographic information system，GIS)、遙感(remote sensing，RS)、網絡、通訊等技術，設計和研制具有采集與核查、指揮與調度、安全管理、數據處理等功能的地理信息外業數據采集平臺[7-8]，解決以BDS導航定位數據為核心地理信息采集數據在不同格式、不同比例尺等情況下的數據統一管理、服務提供及各種有共同特征的專業應用問題，提高作業效率、降低外業勞動強度、加快地理數據的快速更新。平臺設計與實現總體思路如圖1所示，主要包括BDS技術、硬件、標準協議研究、采集平臺研制和應用測試。

圖1　總體設計思路

2　主要功能及其技術研究

2.1數據采集核查

根據實際測繪地理信息外業數據采集應用的需要，在野外工作時采用平板電腦，配以合適精度的BDS接收模塊、攝影頭、音頻設備，以及需要調繪的影像底圖，到實地進行地圖核查判調，快速定性、標記、修測、補測，并記載采集路徑，整理出符合要求的結果數據提交內業。該功能旨在促使測繪地理信息野外數據流程采集信息化，實現無紙化、內外業一體化、標準化作業，提高作業效率，降低外業勞動強度，加快地理數據的快速更新。

2.2數據處理

該平臺可將各類信息數據資源進行加載、管理、更新、維護，并對不同格式、不同坐標系統的地理信息數據提供數據坐標信息轉換服務。支持多種坐標系統位置數據和底圖數據的現場自動轉換，包括單點/多點、單/多數據文件、大批量底圖數據的格式和坐標轉換。根據作業范圍可實現影像數據的自動裁切、分級與快速瀏覽。

針對目前常用坐標轉換需求，以及BDS坐標系統特點，平臺支持1954北京坐標系、1980西安坐標系和中國國家大地坐標系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)之間的相互轉換，可以實現3參數法、4參數法和7參數法轉換。一般將BDS測量的CGCS2000坐標(X2000，Y2000，Z2000)通過空間轉換模型轉換為地方坐標系的空間直角坐標，例如1954北京坐標系(X54,Y54,Z54)。其7參數轉換模型為

(1)

簡寫為

(2)

由于是線形模型可以改寫為

(3)

式中：(x0,y0,z0)為3個平移參數；(α,β,γ) 為3個旋轉角參數；k為尺度參數。將(X54,Y54,Z54) 轉換為經緯度和大地高(B,L,H)，再由經緯度經高斯投影即可得到地方平面坐標系的坐標。

2.3安全管理

高精度的導航定位信息和基礎地理信息數據屬于有嚴格保密要求的涉密數據，當工作過程中不可避免地需要使用涉密信息數據時，除了要嚴格執行相關規章制度和保密規定要求外，還應采取技術手段保障數據安全[9-10]。對此，安全平臺需通過技術手段進行身份認證、授權管理、數據加密、外發監控控制、終端監控審計和移動存儲設備管理等多方位措施，形成整體、全方位的數據安全保護體系。

1)授權管理模塊。授權管理模塊作為平臺的安全管理功能模塊具有極其重要的作用，用戶在使用涉密數據及應用平臺終端前首先必須經過用戶認證授權、終端注冊后才可使用，在經注冊過的安全終端內設立數據安全環境，涉密數據進入安全終端后即變成加密后信息，只有認證用戶才有權限查看使用。

2)數據安全審計模塊。數據安全審計模塊用于監視并記錄對應用平臺終端中的涉密數據所進行的各類操作行為，并記入審計數據庫中以便日后進行查詢、分析、過濾，實現對涉密數據使用用戶的操作進行監控和審計?？梢员O控和審計用戶對數據使用時間、修改和刪除等操作記錄。若監視到違規操作，即可報警通知管理人員，為安全管理人員及時地發現和制止用戶違規操作行為提供技術支持。能夠有效彌補相關規章制度在實際操作中的不足，為載有涉密數據的終端應用平臺的安全使用提供有力保障。

2.4指揮調度

平臺將帶位置信息的多源信息組成規范信息，從中提取需要回傳的信息，經過信息編碼，通過無線網絡或衛星通訊技術實時回傳采集成果，同時可接收調度指令，達到監控與管理的目的，從而可實現協調指揮。

3　主要特點分析

3.1支持多源信息采集

1)支持BDS、GPS、羅盤、陀螺儀等設備，具備導航定位路徑記錄功能。

2)支持通用的tif、img、GeoTIFF、shp、mdb等柵格、矢量格式數據的直接加載?？奢敵鯣DB、DXF、SHP等常規軟件兼容的數據，方便與其他系統進行數據交換。

3)支持點、線、面等多種方式的地理要素快速標注、涂鴉功能，提供自定義CC碼功能，可方便地進行編輯。

4)支持500萬個像素的高清分辨率拍照、視頻錄制。

3.2支持自動數據處理

1)自動獲取經緯度、高程、方位角、時間、俯仰角、橫滾角等指標數據。

2)自動裁切遙感影像，能夠實現采集照片、裁切影像的整理與屬性編輯。

3)多尺度影像處理生成金字塔，實現海量影像數據加載和快速瀏覽。

4)支持1954北京坐標系、1980西安坐標系和CGCS2000轉換。

3.3支持多類型業務的軟件復用

1)面向對象、組件與WebService等技術提高了軟件復用性，組件開發者只用調用相關接口即可實現相應功能，大大提高了開發效率。

2)采用全插件式體系結構，不僅復用相關的功能模塊，還支持資源的重用，包括：符號庫、風格庫、界面庫、圖標等資源。

3)項目的研制成果可以應用在地理國情監測、地理數據動態更新以及測繪應急服務中。

4　平臺測試

4.1測試方法

采用實際數據對平臺進行基本功能測試。首先內業準備底圖數據，創建地表覆蓋等工作數據圖層，進行任務劃分；然后到外業根據相關數據及任務進行數據調繪、核查、樣本采集等工作，檢驗軟件是否符合工作流程，是否可正?？焖俜奖愕赝瓿扇蝿展ぷ?，是否可長時間正常運行；并對調繪數據進行分析、存檔。

外業測試分別采用車行、步行、靜態方式進行測試。對于不同的采集方式進行測試結果分析，判斷在不同模式下地理信息數據采集準確性和平臺運行穩定性。車行、步行、定點靜態測試速度分別約為40、0.05、0 km/h。車行測試在慢行車道環境下測試，步行測試在人行道行走測試，定點靜態在路邊定點測試。

4.2結果分析

經過數據處理與分析，得到不同測試方案的測試結果，統計了平均可見衛星數、采集點數，以及BDS定位結果與高分辨率底圖偏移點數及其所占比例。統計結果如表1所示。

表1　測試結果統計

由測試結果可見：車行測試中BDS定位軌跡較為準確，與底圖吻合較好；而步行由于速度較慢，行走在有遮擋的人行道，BDS定位軌跡稍差，與底圖吻合較差；由于定點靜態測試在路邊，有一定的遮擋，測試結果最差，但是能夠滿足一般性地圖調繪。結果表明，該平臺能夠實現不同運動狀態下BDS定位結果與底圖的自適應轉換、匹配、顯示，2者匹配速度和精度能夠滿足多種環境下一般性底圖調繪和多源地理信息采集。

數據采集準確性會受到硬件配置、BDS接收模塊性能、運動速度、測試環境的影響，若要進行高精度亞m級地理信息位置采集，需要進一步開展BDS差分定位終端集成或輔助BDS定位系統研制。

5　結束語

本文考慮了高精度地理信息數據采集更新中存在的重大安全隱患，采用我國自主研發的BDS實現了地理信息采集平臺，具備數據采集核查、數據處理、指揮調度、安全管理等功能，解決了多源數據綜合采集、影像數據坐標與BDS定位結果的自適應轉換與匹配問題，為動態綜合安全測繪模式提供了一種技術參考。研究成果將會有助于豐富測繪地理信息的技術體系，加速BDS產業化進程，并有效提升我國地理信息產業化科技和服務水平。

[1]安家春，王澤民，胡志剛，等.北斗二代在中國及周邊海域的定位分析[J].大地測量與地球動力學，2013，33(3)：83-91.

[2]馬景金，趙金忠，李世寶.中國衛星導航系統發展現狀及應用前景展望 [J].地礦測繪，2013，29(1)：44-45.

[3]鄧銳，王峰，陳海生，等.基于北斗衛星通信的船載數據采集系統[J].海洋技術學報，2014，33(6)：28-33.

[4]馮偉，潘青亮.定位數據采集與網絡傳輸系統的實現[J].數據庫與信息管理，2015(17)：49-50.

[5]李久剛，劉正軍，唐新明，等.省級政府綜合應急管理WebGIS平臺設計與實現[J].測繪科學，2011，36(1)：229-231．

[6]唐衛明，鄧辰龍，高麗峰.北斗單歷元基線解算算法研究及初步結果[J].武漢大學學報·信息科學版，2013，38(8)：897-901.

[7]李亭，楊敬鋒.基于北斗/GPS 雙模的純電動乘用車行車狀態數據采集終端設計及其車載信息服務應用[J].測繪與空間地理信息，2014，37(5)：51-53.

[8]萬琪俊.基于北斗導航衛星移動定位系統研究與實現[D].廣州：華南理工大學，2013：24-31.

[9]張爍，徐愛功，孫貴博.基于移動 GIS 的 GPS 定位導航系統的設計與實現[J].計算機系統應用，2010，19(11)：32-36.

[10] 錢成越，薛原.基于北斗導航系統的移動導航定位終端設計[J].現代計算，2010(6)：165-167.

Design and implementation of geographic information acquisition platform based on BDS

WANG Xiaoqing，WU Junli，CHEN Ming

(National Geomatics Center of China，Beijing 100830，China)

Based on the BDS navigation system，and combined the GIS，RS，network and communication technology，the paper developed the geographic information acquisition platform based on BDS for data collection and application of geographic information. It realized the multi-source data acquisition，data processing，security management，command and dispatch，and other main functions，and investigated the key technologies of the platform. After analyzing the main characteristics of the platform，function test and outdoor test，the results showed that，the platform could support multi-source data and wide range of use for geographic conditions monitoring，field digital mapping and outside data collection services in other industries.

BDS；geographic information；data acquisition；geographic condition census

2016-02-17

國家自然科學基金項目(41504020)；2015年國家測繪地理信息局基礎測繪項目(基于北斗導航系統數據采集應用平臺研制與應用)。

王孝青(1983—)，女，山東濟寧人，碩士，工程師，研究方向為GNSS地理信息數據的采集與處理技術。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160320.

P228

A

2095-4999(2016)03-0100-04

引文格式：王孝青，武軍酈，陳明.基于BDS的地理信息數據采集平臺設計與實現[J].導航定位學報，2017，4(3)：100-103.(WANG Xiaoqing，WU Junli，CHEN Ming.Design and implementation of geographic information acquisition platform based on BDS[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，4(3)：100-103.)