基于3S技術的地名外業調繪數據采集系統

趙帥華，趙雙明，胡迎迎，喻國榮，付兵杰

基于3S技術的地名外業調繪數據采集系統

趙帥華1，趙雙明1，胡迎迎2，喻國榮1，付兵杰1

（1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079；2.湖北省地理國情監測中心，湖北 武漢 430071）

利用3S技術開發了地名外業調繪數據采集系統。該系統使用方便、靈活、高效，且花費較低，彌補了傳統調繪方法的不足；并已在湖北省某地區地名普查外業數據采集中測試使用。結果表明，該系統有助于提高地名外業調繪的工作效率，可作為利用3S開發移動應用的一個參考。

3S；地名普查；實地調繪；數據采集系統

地名不僅是識別不同地域的簡單符號，也是重要的地理和社會公共信息。地名信息不全、不新、不準確等問題日益嚴重，陳舊落伍的檔案檢索方式早已無法滿足高科技信息時代的需要。為提高地名標準化管理和服務水平，迫切需要進行全面的地名普查。地名普查的重要流程之一是地名外業調繪，即對地名實體進行實地踏勘。調繪過程中需要采用現場踏勘的方式進行信息對照、核實，采集地名信息以及相關的多媒體信息、空間位置信息，并將采集的地名空間信息標注到工作草圖上。傳統的調繪方式在定位、地名信息錄入、多媒體信息采集等方面存在諸多不便，費時費力。以3S技術為核心的信息工程技術的普及為地名信息實地采集提供了一種新方式。例如，RS提供的大比例尺多源數據可以方便地進行宏觀決策，GIS可為空間數據分析、處理和表達提供技術支持[1]，在實地調查系統中利用GPS進行定位可提高所獲取數據的精度[2-3]。

隨著3S技術的發展，在很多行業出現了采用一種或多種3S技術設計的實地調查系統。由于傳統的桌面和Web信息系統不能滿足實時、便捷采集數據的需求[4-5]，也從側面促進了實地調查系統的發展。智能終端等移動技術的成熟使外業工作人員可以隨時隨地獲取數據并進行決策支持[6]。利用GPS技術，信息采集系統越來越多地被應用于精細農業[7]、農田土地平整地形測量[8]、面積實地測量等方面；利用GPS和GIS技術，實地調查系統在土地整理[9]、考古數據采集[10]和變量灌溉控制[11]等方面都有了很大發展；3S技術還被成功應用于昆蟲數據收集[12-13]、葡萄園管理[14]、農作物[15-16]、衛生[17]等領域。隨著2014年1月23日國務院《關于開展第二次全國地名普查的通知》[18]的發布，之前的一些研究無法完全符合新的實地調繪作業要求，如張偉[19]等基于移動GIS和LBS技術對地名快速采集方法進行了研究，但并未對地名實體的空間信息進行編輯處理。此外，上述系統往往以矢量圖層為工作底圖，并不能為調繪人員提供更為直觀的實地環境信息；以遙感影像為底圖可以提供更加清晰、真實的額外參考，但遙感影像往往尺寸較大，無法整合到移動GIS系統中使用[20]。本文開發的數據采集系統通過預處理對遙感影像進行壓縮，再將遙感數據存儲到移動設備中，可以方便利用遙感數據進行實地調繪。

1 系統設計

1.1 系統體系結構

地名外業調繪數據采集系統主要是為地名外業調繪提供一個集成的外業調繪工具，可以安裝在任何基于Android操作系統（版本4.0或以上）的平板電腦或智能手機上。系統主要分為系統層、數據層、中間層以及應用層，體系結構如圖1所示。

1.1.1 系統層

該層為系統提供底層操作系統和硬件平臺。相比于iOS、Windows Phone和Symbian等平臺，Android平臺具有平臺開放、硬件支持廣泛、性價比高、開發方便、多媒體接口豐富等優勢，且Android移動終端設備大多都集多媒體、定位及無線傳輸功能于一體[21]，因此系統選用基于Android操作系統的平板電腦作為實驗系統平臺，并選用廣泛使用的開源工具Eclipse 4.4作為開發工具。

1.1.2 數據層

該層負責管理和儲存不同種類的數據，包括矢量數據、柵格數據和多媒體數據等。對于地名普查的一 次外業調繪，需要有預先準備的遙感數據和其他矢量地圖，并經預處理后存放在SD擴展卡中；調繪過程中采集到的圖片、音視頻數據也存放到SD擴展卡中，生成的屬性數據直接保存到矢量數據中。

1.1.3 中間層

該層用以連接數據層與應用層，包括Android數據接口、定位接口、多媒體接口以及移動端GIS開發工具集等。利用它們可以屏蔽應用組件和操作系統之間的交互細節，專注于功能模塊的實現，提高開發效率。

1.1.4 應用層

該層建立在中間層之上，是系統功能應用的具體展示，包括地圖瀏覽、地名調繪、定位導航、任務管理、數據導出、多媒體采集等功能。當要執行數據查詢、編輯以及分析等功能時，由應用層提供用戶交互界面支持具體操作。

1.2 功能設計

UML中的用例圖可以有效捕獲操作流向以及大部分系統功能需求[22]。地名外業調繪數據采集系統中的用例圖包括6個模型：①地圖瀏覽，包括地圖漫游、放大縮小、顯示隱藏；②定位導航，用戶可以定位當前位置，并能借助高清底圖導航到目標位置；③任務管理，用戶可增加、修改、刪除任務，便于更加靈活高效地開展工作；④地名調繪，用戶能利用GIS技術新增和編輯地名實體要素（如點要素代表房屋建筑物等地名實體，線要素代表道路、河流等地名實體）信息；⑤多媒體采集，包括圖片、音頻和視頻數據的采集；⑥數據導出，用戶可將矢量數據和多媒體數據導出到電腦中顯示（圖2）。

圖2 系統用例圖

1.3 數據處理

地名外業調繪是地名普查中一項復雜的工作，涉及許多處理過程，第一步就是數據處理。系統的數據處理主要包括圖層格式、圖層字段以及多媒體文件命名3部分。

外業調繪所使用的數據類型和所生成的數據類型各異（如.jpg、.tiff、.dwg）導致了數據類型的不統一，給數據存儲和數據轉換帶來很大不便。本文將所有數據類型統一轉換為兩種類型：.ini和.shp，并以WGS84為坐標系統（見表1），相應操作主要在ArcMap 10.2和UCMap地圖配置程序中完成。

表1 圖層格式說明

表2 圖層字段設計

地名實體的屬性字段包括地名代碼，類別代碼，標準地名，羅馬字母拼寫，民族文字，所在（跨）行政區，簡稱，別名，地理位置，語種，地理實體概況，地名的來歷、含義及歷史沿革，資料來源，多媒體信息和備注等[18]。一般地，為提高地名外業工作效率，外業調繪時只需記錄其中關鍵項即可，其他字段可在內業處理中結合其他資料完成。調繪成果圖的圖層字段設計如表2所示。多媒體數據是指地名實體所對應的圖片、音頻和視頻數據，系統分別為照片、錄音和錄像數據建立了保存路徑單獨存儲。多媒體數據的命名格式設計為：“標準地名_地名類別_多媒體類型_4 位隨機數.保存類型”，如街道口_0102_1_3297.jpg。

2 系統實現

本文基于Eclipse平臺開發地名外業調繪數據采集系統，所使用的硬件和軟件規格為： Windows7操作系統，Intel(R) Core(TM) i3 M380 2.53GHz處理器；Samsung SM-T530，Android 4.4操作系統，Inter Quard Core 1.2GHz，支持GPS和SD擴展；Eclipse 4.4；UCMap SDK for Android V6.0.0；UCMap地圖配置程序；UCMap Raster Maker。

系統開發涉及數據壓縮、地圖配置、迭代測試等過程，其中最基本的兩個過程為數據壓縮和地圖配置。

2.1 數據壓縮

遙感數據的數據量大往往是阻礙其在移動設備上進行本地存儲的主要原因，此外移動設備內存也不足以完全顯示和計算遙感數據，使得很多實地調查系統無法充分利用高分辨率遙感數據。為解決這一問題，采用UCMap的Raster Maker工具對遙感影像進行壓縮處理。

數據壓縮可以最大化地利用遙感數據，加快數據顯示，減少移動設備卡頓現象。在實際測試中發現，一幅原始柵格數據經過壓縮處理后其文件大小可縮減1/2，且顯示速度要快很多。雖然數據壓縮較耗時，但對于地名普查而言，遙感影像覆蓋區域較大，更換遙感影像地圖并不頻繁，一般只需進行一次壓縮處理即可，因此通過壓縮處理后遙感數據可用于地名外業調繪。

2.2 地圖配置

系統所用地圖數據包括一幅遙感影像和多幅矢量地圖。為了更好地利用遙感影像和矢量數據，并簡化系統數據輸入操作，利用UCMap地圖配置程序將遙感影像和矢量地圖整合到一起，生成統一的.ini格式文件供系統調用。地圖配置過程如圖3所示。

圖3 地圖配置流程圖

2.3 系統功能實現

利用Eclipse 4.4和Java語言，實現地名外業調繪數據采集系統的主要功能。

2.3.1 地圖瀏覽與定位導航

地圖瀏覽主要包括地圖的漫游和放大縮小。由于當前移動終端主要是觸屏操作，因此系統主界面除了設置放大、縮小功能按鈕外（圖4a），還支持觸屏拖動、放大、縮小等手勢。

定位導航包括固定視角定位和自由視角導航。固定視角定位可將地圖視圖以當前定位點強制居中顯示，有助于調繪人員快速定位到當前實際位置；自由視角導航不會將視圖按定位點強制居中顯示，可方便調繪人員通過判斷當前位置與目標區域進行自主導航。定位視角轉換按鈕如圖4a中左下角圖標所示。

2.3.2 地名調繪

地名調繪是系統的核心部分，包括地名信息的采集與編輯。其中新增地名信息的步驟為：①添加新任務或從待做任務列表中選擇一項任務（圖4a）；②選擇目標圖層（圖4b）；③在目標圖層上繪制圖形；④填寫地名屬性基礎信息（圖4c、4d）；⑤采集地名多媒體信息（圖4e）；⑥保存并退出。修改地名信息包括修改屬性信息和修改空間幾何信息兩部分，其中修改空間幾何信息包括新增結點、刪除結點和移動結點等操作，如圖4f右側浮動功能圖標所示。

圖4 系統部分功能界面

2.3.3 任務管理

任務管理包括普查目錄和普查結果（圖4a、4f）。對于外業任務，不僅可提前做整體部署，也可根據實際需要做臨時調整。整體部署需預先將任務清單以特定格式儲存到系統中，使用時便可直接讀取任務。系統也支持臨時添加任務，以應對實際情況。任務完成后在普查結果中可對其進行查看、再次編輯或刪除。

2.3.4 數據導出

數據導出包括矢量數據導出和多媒體數據導出。系統支持隨時將普查結果以矢量圖層的形式導出。通過屏幕左側的數據導出圖標，可以將普查完成的任務以shp格式導出至SD卡中，方便后續拷貝到電腦上供內業處理。

3 系統評估

以湖北省某地區第二次全國地名普查為測試案例對該地名外業調繪數據采集系統進行了應用研究。根據湖北省地名分類實際情況，將所涉及的地名實體類型分為點類和線類。該地區測試使用的遙感影像原始大小為4.24 GB，經數據壓縮后大小變為2.03 GB，數據量減少約1/2，顯示速度也非常流暢，未出現視圖卡頓的情況。離線定位時，定位精度在3～9 m，滿足地名普查規定的測量誤差小于20 m的要求。通過如圖5所示的操作流程，調繪人員準確高效地完成了相應地名信息采集任務，與傳統采集方式相比，提高了工作效率。

系統測試表明，3S技術能顯著提升地名普查項目中外業調繪工作的質量和效率。系統能解決一系列實際問題并使復雜的實地調繪工作變得更高效，如在調繪過程中，調繪人員能輕易地判定位置和方向、識別任務邊界等。

圖5 地名信息采集操作流程圖

4 結 語

本文以Android移動設備為終端，利用UCMap、Eclipse和Java編程語言，設計開發了地名外業調繪數據采集系統。該系統提供了全面的功能，支持單擊和觸屏操作，適合當前主流移動平臺。本文所開發的系統實現了數據在平板電腦等移動設備上的整合；通過數據格式轉換、數據互操作以及直接數據訪問等方式，為地名外業調繪提供了基礎數據，有助于促進基于統一標準的移動設備和工作站之間的數據共享；提供了可用于地名普查項目的外業調繪系統，并實現了多源數據整合、空間查詢和空間定位等功能；可幫助用戶在地名外業調繪中獲得科學信息技術支持。本文基于3S技術并運用于移動設備的方法可作為技術框架應用于其他相關應用中。該系統在數據無線傳輸、在線數據獲取、語音識別輸入等方面還可以進一步完善。

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P208

B

1672-4623（2017）05-0063-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0052.0

趙帥華，碩士研究生，研究方向為地理信息系統和數字圖像處理。

2016-10-20。