基于GIS 和無人機遙感的農業“兩區”劃定的研究與應用

陳 興，鄒 蜜，延艷彬，文 波，劉 東

（重慶地質礦產研究院，重慶 401120）

隨著中國全面部署糧食生產功能區和重要農產品生產保護區（以下簡稱“兩區”）的劃定和建設工作的開展，新形勢下原有監管模式存在著基礎信息量大、數據轉換難以及數據庫標準不統一、外業實地勘察情況復雜、多平臺協作困難等問題[1]。利用GIS（Geographic Information System）技術可提高空間信息處理能力和提供強大的決策支持服務，該技術已被廣泛應用于多個領域[2]。利用無人機遙感技術可以方便快捷獲取國土、資源、環境等的空間遙感信息。本文以無人機遙感影像在“兩區”劃定項目中的應用為基礎，利用傳統的桌面端GIS 技術、新一代的移動端GIS技術和Web 端WebGIS 技術，研發出一種自動化程度高、信息化能力強以及多平臺協同作業的基于GIS 和無人機遙感影像的農業“兩區”劃定系統，以期在農業“兩區”劃定項目過程中提高工作效率，規范管理流程并提供技術支撐。

1 系統分析與設計

1.1 系統目標

基于GIS 和無人機遙感影像的農業“兩區”劃定系統的構建，旨在通過網絡運用GIS 強大的空間分析及管理功能，為“兩區”劃定提供科學、系統和可視的分析和決策管理工具。用戶應能通過網絡訪問系統，實現基本的GIS 功能，如縮放、漫游、測距、屬性信息查詢、地理要素查詢，授權用戶還可通過網絡直接使用空間分析、專題圖制作等功能。系統應設定權限管理，只有被賦有權限的用戶才能對系統進行維護和管理。系統應能支持多用戶并發訪問時的負載平衡，提供高性能的空間信息服務。

1.2 系統總體設計

農業“兩區”劃定系統的總體設計分為表示層、業務層和數據層3 部分，按模塊劃分為桌面端和網絡端2 部分。桌面端的表現層采用Winform 實現，并使用WPF 進行頁面設計。網絡端表現層地圖部分由ArcGIS API for JavaScript 實現，業務和后臺部分由前端框架實現。服務層由ArcGIS Server 提供，Web 服務由JavaWeb 提供。數據庫方面被劃分為地理數據庫和Web 關系數據庫，其中地理數據庫存放地理數據等，Web 關系數據庫存放用戶信息、工作流信息和項目信息等，具體設計如圖1所示。

圖1 “兩區”劃定系統總體設計圖

1.3 系統功能設計

基于無人機遙感的“兩區”劃定項目管理信息系統由兩區劃定管理信息平臺、電子政務平臺以及外業調繪平臺3 大模塊構成。包含的功能如下：①桌面端GIS 平臺功能為“兩區”數據映射導入、“兩區”數據編輯、“兩區”數據拓撲檢查、“兩區”公示圖自動生成、“兩區”成果數據一鍵導表、外業調繪數據導入；②網絡端GIS 平臺功能為用戶權限控制、WebGIS 模塊、工作流模塊；③移動端GIS 平臺功能為精準定位、用戶權限控制、“兩區”數據分類加載、“兩區”外業數據編輯、“兩區”外業調查導出。

1.4 數據庫設計

“兩區”劃定系統的數據庫的設計分為空間數據庫設計和非空間數據庫設計2 方面。空間數據庫主要用于桌面GIS 應用和WebGIS 服務，包括項目區的幾何屬性和屬性數據；非空間數據庫用于網絡端系統的后臺權限和上報系統的構建。按照數據內容劃分，空間數據庫包括矢量數據和柵格數據。柵格數據庫主要存放無人機遙感影像，矢量數據庫存放宗地信息以及項目區域的屬性結構表。空間數據庫的內容包括行政區域、坡度圖、地類圖斑、線狀地物、零星地物、基本農田保護區、承包方、流轉合同、作物類型及其面積、劃定成果等信息。非空間數據主要用于Web 端的權限管理、日志管理、圖片管理、文檔管理。

2 系統開發與實現

2.1 關鍵技術

2.1.1 無人機遙感影像在“兩區”劃定項目中的應用

將無人機遙感技術應用到“兩區”劃定項目準備工作、圖件編制、公告公示、數據建庫、“兩區”管護及標志牌設立、檢查驗收、成果管理共8個關鍵環節的實際工作中。無人機遙感技術與傳統的衛星遙感技術相比優勢明顯，普通的衛星遙感影像定期下發，且分辨率一般為5～10 m，而無人機航測獲取的影像圖分辨率可達到10～20 cm，是普通衛星影像分辨率的50倍左右，所以無人機遙感影像能夠更加科學準確反映項目區實際情況，它的時效性更強、精度更高，特別是在“兩區”片塊和地塊的內業勾繪工作中免去了大量的外業實地勘測工作。

2.1.2 ArcGIS 二次開發技術

“兩區”劃定系統采用ArcGIS 二次開發技術，一方面可充分利用GIS 的優點（圖形和屬性一體化），方便“兩區”劃定工作人員管理和查看“兩區”劃定項目信息，并且利用GIS 強大的空間分析能力；另一方面，利用GIS 二次開發技術可以便捷、無耦合地與其他二次技術相結合，實現“兩區”劃定項目數據的自動導入、分析與導出[3]。

2.1.3 Web 開發分層架構設計

Web 開發技術主要用于電子政務平臺的搭建，作為桌面端“兩區”劃定管理信息平臺的補充，電子政務平臺主要用于“兩區”劃定數據的數字化管理和共享，主要實現電子地圖服務瀏覽與查詢、“兩區”劃定成果文檔管理、“兩區”公示牌信息管理和補貼申請審批功能[4]。

2.2 開發平臺

采用WPF 技術設計了“兩區”劃分管理信息平臺的主界面，其主要功能是管理地圖服務和管理“兩區”數據[5]。采用ArcGIS Engine 技術進行二次開發，系統采用C/S 架構，數據庫采用SDE，數據庫訪問技術采用實體框架，整體采用三層架構。WebGIS 前端開發采用ArcGIS API for JavaScript，業務前端實現采用Boostrap 和MVC[6]。

2.3 系統部分功能和實現

2.3.1 數據編輯功能

數據編輯主要是在內業工作中對“兩區”地塊（LQDK）、片塊（LQPK）范圍的勾繪以及屬性數據的輸入。主要功能包括屬性編輯、節點編輯、要素分割、捕捉等要素編輯功能以及地圖服務一鍵同步功能。其實現方式主要為通過遙感圖像與“兩區”矢量圖層的疊加，根據遙感影像上耕地圖像信息進行勾繪。在確認所有“兩區”圖層數據編輯完成后可通過點擊地圖服務更新按鈕同步ArcGIS Server 上的地圖服務。數據編輯界面如圖2所示。

圖2 數據編輯界面

2.3.2 面積計算功能

“兩區”面積計算主要功能包括“兩區”地塊、片塊的橢球面積計算、“兩區”面積計算。在實際操作過程中只需先點擊橢球面積計算過后再點擊“兩區”面積計算即可，此過程由于算法復雜以及涉及圖層較多，因此所花費的時間較長（2.5 h 左右能計算整個項目區所有的地塊、片塊面積）。面積計算界面如圖3所示。

圖3 “兩區”面積界面

2.3.3 地圖數據查詢功能

“兩區”地圖數據查詢由點擊查詢和輸入查詢組成，其中點擊查詢通過點擊特定“兩區”地塊進行彈窗查詢結果的查詢，具體如圖4所示。

圖4 點擊查詢界面

2.3.4 外業調繪功能

外業調繪功能模塊主要通過提供不同的編輯工具為外業調繪工作人員提供編輯功能。調繪界面如圖5所示。

圖5 調繪界面

3 結語

本文利用桌面端、網絡端、移動端將GIS 開發技術以及企業級Web 開發技術、工作流技術相結合，并應用了“兩區”劃定項目的重要成果。結合系統截圖說明了系統的部分功能以及部分業務流程。結果表明了“兩區”劃定系統的真實性、可行性與高效性，并取得了不錯的效果，系統的實現簡化了“兩區”劃定項目工作流程。但是，研究過程中實測數據和資料數據都有限，數據不夠豐富，系統中數據庫內容較少；同時，雖然系統能夠實現內、外業數據的處理與編輯，提供了信息的查詢與管理功能，而在數據的分析處理方面還有一些欠缺，這也是下一階段需要改進的地方。