國(guó)土調(diào)查移動(dòng)數(shù)字管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

祁 瓊，賴 云，周寶玉

（1.湖北省空間規(guī)劃研究院，湖北 武漢 430071；2.仙桃市自然資源和規(guī)劃局，湖北 仙桃 433099）

根據(jù)《國(guó)務(wù)院關(guān)于開展第三次全國(guó)土地調(diào)查的通知》文件要求，湖北省于2017年開始了第三次國(guó)土調(diào)查（以下簡(jiǎn)稱為“三調(diào)”）工作。“三調(diào)”的目的是在全國(guó)第二次土地調(diào)查成果基礎(chǔ)上，全面查清湖北省土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，掌握翔實(shí)準(zhǔn)確的土地利用現(xiàn)狀和土地資源變化情況，以滿足湖北省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)土資源管理工作需要[1-2]。“三調(diào)”數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、數(shù)據(jù)量大以及業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜[3]，原有的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、圖件以及資料查閱方式無(wú)法適應(yīng)外業(yè)調(diào)查和移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景[4]。因此，亟需開發(fā)新型的、線上線下一體化的、支持移動(dòng)辦公的國(guó)土調(diào)查移動(dòng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以提升國(guó)土調(diào)查工作效率[5]。

如何在移動(dòng)設(shè)備中展示和處理大規(guī)模的空間數(shù)據(jù)已經(jīng)成為迫切需求，雖然現(xiàn)有的研究在桌面端系統(tǒng)中對(duì)大規(guī)模空間數(shù)據(jù)的渲染和處理做了相當(dāng)出色的工作，但是移動(dòng)設(shè)備在運(yùn)算速度、內(nèi)存大小和磁盤容量等方面都難以與桌面端系統(tǒng)相提并論[6-7]，且存在一系列其他問(wèn)題[8]：

1）國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)的規(guī)模和保密性對(duì)移動(dòng)環(huán)境應(yīng)用制約。當(dāng)前，外業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)申領(lǐng)流程復(fù)雜，且可支持的數(shù)據(jù)量、功能運(yùn)算有限[9]，無(wú)法將所有需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至移動(dòng)設(shè)備中進(jìn)行調(diào)度與渲染，與實(shí)際工作場(chǎng)景和需求嚴(yán)重不符，導(dǎo)致工作效率低下。

2）外業(yè)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)傳輸和移動(dòng)設(shè)備運(yùn)算能力的制約。國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)涉及千萬(wàn)級(jí)圖斑數(shù)，每個(gè)圖斑又包含幾十到百量級(jí)點(diǎn)數(shù)目，數(shù)據(jù)量、地圖渲染和空間運(yùn)算量巨大[10]。尤其是在使用小比例尺矢量地圖瀏覽區(qū)域概況信息時(shí)，繪制速度慢，在進(jìn)行地圖移動(dòng)與縮放過(guò)程中往往需要實(shí)時(shí)繪制刷新[11]，導(dǎo)致任務(wù)積壓，造成應(yīng)用卡頓，用戶體驗(yàn)差。

3）基礎(chǔ)GIS 平臺(tái)軟件和開發(fā)框架能力的制約。ArcGIS Runtime是目前常用的GIS基礎(chǔ)框架，因與國(guó)土調(diào)查匯交成果文件協(xié)議的兼容性而被廣泛使用。然而，其功能內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理未公開，對(duì)底層的優(yōu)化難度大[12]。

本文重點(diǎn)解決移動(dòng)環(huán)境下大規(guī)模矢量空間數(shù)據(jù)的組織、調(diào)度與渲染問(wèn)題，基于ArcGIS Runtime框架，以數(shù)據(jù)的組織方式研究為基礎(chǔ)，制定移動(dòng)環(huán)境下空間數(shù)據(jù)的調(diào)度策略，優(yōu)化空間數(shù)據(jù)的渲染效率，完成移動(dòng)環(huán)境下數(shù)據(jù)調(diào)度與渲染系統(tǒng)的開發(fā)，為提升移動(dòng)環(huán)境下空間數(shù)據(jù)渲染和查詢效率提供思路與工程實(shí)現(xiàn)方案。

1 技術(shù)路線

系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括兩部分（如圖1所示），分別在桌面端與移動(dòng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中完成。

圖1 技術(shù)路線圖

1）桌面端部分。首先在ArcGIS Pro中對(duì)省級(jí)小比例尺土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度的縮編處理，然后將縮編后的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理，得到矢量切片數(shù)據(jù)[13]（.vtpk 文件）。另外對(duì)省級(jí)小比例尺土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)處理，將原始數(shù)據(jù)生成為離線數(shù)據(jù)庫(kù)（.geodatabase 格式）并建立索引（R*樹索引）[14]，從而減小數(shù)據(jù)體積，方便移動(dòng)端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)用，提高數(shù)據(jù)檢索效率。

2）移動(dòng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)部分。一部分的內(nèi)容為在移動(dòng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)展示及數(shù)據(jù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)展示部分主要是通過(guò)國(guó)土調(diào)查土地利用符號(hào)庫(kù)對(duì)矢量切片數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，以及加載開放正射影像切片數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀電子地圖的顯示，若土地利用變更數(shù)據(jù)中有數(shù)據(jù)更新，則直接將其顯示在電子地圖上。數(shù)據(jù)應(yīng)用部分主要是通過(guò)讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)（包括省級(jí)小比例尺土地利用數(shù)據(jù)及土地利用變更數(shù)據(jù)）進(jìn)行檢索與統(tǒng)計(jì)。

3）數(shù)據(jù)傳輸部分。數(shù)據(jù)傳輸主要涉及初始數(shù)據(jù)傳輸（.geodatabase 與.vtpk）、正射影像切片數(shù)據(jù)傳輸、土地利用變更數(shù)據(jù)傳輸與其他中間可能需要添加或更改的數(shù)據(jù)傳輸。考慮到各數(shù)據(jù)的不同特點(diǎn)與不同需求，故采用不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：①初始數(shù)據(jù)傳輸：主要為桌面端處理后的.geodatabase 與.vtpk 文件，數(shù)據(jù)量較大，且軟件的初始運(yùn)行即需要此數(shù)據(jù)，故而采取數(shù)據(jù)拷貝的方式進(jìn)行傳輸，在軟件安裝之后立即將此部分?jǐn)?shù)據(jù)拷貝至移動(dòng)端設(shè)備中；②正射影像切片數(shù)據(jù)傳輸：此部分?jǐn)?shù)據(jù)并非軟件初始運(yùn)行所需數(shù)據(jù)，且考慮到此部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，不便存儲(chǔ)于移動(dòng)設(shè)備端，故采用服務(wù)的方式進(jìn)行傳輸，只可在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下獲取；③土地利用變更數(shù)據(jù)傳輸：此部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較小，在對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時(shí)，只修改移動(dòng)端設(shè)備內(nèi)部的此數(shù)據(jù)，待一次外業(yè)核查完成后，可將此部分?jǐn)?shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端（聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下）或采用數(shù)據(jù)拷貝的方式轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)進(jìn)行處理；④其他可能需要添加或更改的數(shù)據(jù)傳輸：若數(shù)據(jù)量較小，可將此數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端，移動(dòng)端設(shè)備在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，若數(shù)據(jù)量較大，可采取數(shù)據(jù)拷貝的方式進(jìn)行傳輸。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 適合移動(dòng)環(huán)境的國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)組織

國(guó)土空間數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)方式是數(shù)據(jù)調(diào)度的基礎(chǔ)，本文在策略上采取“分區(qū)域存儲(chǔ)、整體控制”的方式來(lái)組織大規(guī)模的空間數(shù)據(jù)。技術(shù)上采用制圖數(shù)據(jù)與空間實(shí)體數(shù)據(jù)分離的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，并分別對(duì)兩類進(jìn)行優(yōu)化。

1）“分區(qū)域存儲(chǔ)、整體控制”的策略。省級(jí)國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)量巨大，如全湖北省共包括103 個(gè)區(qū)∕縣，單個(gè)區(qū)∕縣包含從十幾萬(wàn)到接近百萬(wàn)個(gè)要素不等，且每條要素有接近30 個(gè)字段，一般移動(dòng)設(shè)備無(wú)法支持該規(guī)模數(shù)據(jù)的加載和運(yùn)算。因此，本文從文件上對(duì)各區(qū)縣數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)，并通過(guò)文件名進(jìn)行關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)通過(guò)配置文件的形式獲取到存儲(chǔ)的所有區(qū)∕縣文件，對(duì)其進(jìn)行操作。若數(shù)據(jù)不適合根據(jù)行政區(qū)域劃分，也可根據(jù)其他形式劃分，如對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行格網(wǎng)劃分等，數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖2 所示。所有的數(shù)據(jù)文件在設(shè)備上以市為文件夾進(jìn)行組織，所有層級(jí)及文件名通過(guò)配置文件進(jìn)行讀取，并在配置文件中添加系統(tǒng)初始加載數(shù)據(jù)的文件名及位置，在進(jìn)行數(shù)據(jù)切換展示時(shí)修改配置文件中的此字段值，以保證每次系統(tǒng)重新打開時(shí)加載數(shù)據(jù)為上次退出時(shí)的數(shù)據(jù)。

圖2 國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

2）制圖數(shù)據(jù)和空間實(shí)體數(shù)據(jù)的分離和優(yōu)化。制圖數(shù)據(jù)是空間實(shí)體數(shù)據(jù)的產(chǎn)品，制圖數(shù)據(jù)服務(wù)地圖渲染。空間實(shí)體數(shù)據(jù)是國(guó)土要素的數(shù)字化存儲(chǔ)，服務(wù)于檢索和空間計(jì)算。因此，兩類數(shù)據(jù)優(yōu)化策略不同，制圖數(shù)據(jù)的優(yōu)化目標(biāo)是在保證視覺效果前提下，盡量減少渲染數(shù)量，本文采用矢量切片和層級(jí)細(xì)節(jié)模型策略，前者解決內(nèi)存調(diào)度問(wèn)題，后者提供必要的顯示細(xì)節(jié)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用MBTiles。

空間實(shí)體數(shù)據(jù)優(yōu)化目標(biāo)是提升運(yùn)算效率，措施是構(gòu)建預(yù)置中間數(shù)據(jù)成果以減少運(yùn)算次數(shù)，包括空間索引和專題索引的構(gòu)建。本文使用SpatiaLite 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間實(shí)體數(shù)據(jù)，并構(gòu)建高效的R樹索引和全文索引（SQLite Full Text Search）。

本文采用的配置文件為JSON 格式，配置文件中需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑(在設(shè)備中的文件夾路徑)、系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)組織層級(jí)等信息。將此類信息寫入到配置文件中，可以使數(shù)據(jù)與程序分離，降低兩者的耦合度，保證系統(tǒng)與不同類型數(shù)據(jù)的適配，并提高本系統(tǒng)的靈活性和可移植性，在數(shù)據(jù)類型及劃分方式存在較大差異時(shí)，也可以保證在基本不修改源碼的情況下直接使用本系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)調(diào)度策略

近年來(lái)移動(dòng)設(shè)備在性能上有較大提升，但與大型服務(wù)器和桌面設(shè)備相比，仍然存在CPU 處理能力弱、內(nèi)存容量小、輔助存儲(chǔ)器讀寫速度慢等問(wèn)題，這也導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備對(duì)大數(shù)據(jù)量矢量空間數(shù)據(jù)的存取速度慢。根據(jù)2.1 節(jié)“分區(qū)域存儲(chǔ)、整體控制”策略，通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)度算法優(yōu)化地圖渲染、空間檢索和專題檢索效率，具體措施如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)調(diào)度策略圖

1）對(duì)于每個(gè)區(qū)∕縣，為其構(gòu)建一個(gè)獨(dú)立的.vtpk 文件，并針對(duì)渲染效率優(yōu)化，根據(jù)分級(jí)別（基于比例尺）進(jìn)行保持拓?fù)潢P(guān)系的化簡(jiǎn)；為其構(gòu)建一個(gè)獨(dú)立.geodatabase 文件，并預(yù)先構(gòu)建R 樹索引和倒排索引，提升數(shù)據(jù)檢索效率。所有數(shù)據(jù)文件在移動(dòng)設(shè)備上以市為文件夾進(jìn)行組織，所有市名及縣名均存儲(chǔ)在配置文件中，并在配置文件中添加app 初始加載數(shù)據(jù)的市名及縣名，在切換展示數(shù)據(jù)時(shí)修改配置文件中的初始加載數(shù)據(jù)的市縣名，以保證每次app 重新打開時(shí)顯示數(shù)據(jù)為上次退出時(shí)的數(shù)據(jù)。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)存使用比例，動(dòng)態(tài)控制緩存區(qū)縣數(shù)。數(shù)據(jù)加載是國(guó)土調(diào)查移動(dòng)系統(tǒng)的主要效率瓶頸，數(shù)據(jù)調(diào)度應(yīng)在保持必需數(shù)據(jù)前提下，預(yù)判下步操作所需數(shù)據(jù)，并使用異步任務(wù)提前加載數(shù)據(jù)。移動(dòng)終端屏幕較小，在初始顯示時(shí)也不需要加載整個(gè)圖幅數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上再對(duì)分塊后數(shù)據(jù)建索引，在顯示時(shí)只需要讀入所需塊中的數(shù)據(jù)，再次減少讀入的數(shù)據(jù)量，可提高訪問(wèn)效率。

2.3 專題索引構(gòu)建及檢索

專題檢索涉及多個(gè)圖層的多個(gè)字段，要采用全文檢索技術(shù)，技術(shù)流程如圖4 所示，其中，移動(dòng)端基于SQLite Full Text Search（FTS）技術(shù)構(gòu)建索引[15]。由于空間數(shù)據(jù)GDB以縣為單位組織，故單獨(dú)構(gòu)建SQLite表存儲(chǔ)待檢索字段內(nèi)容（合并為單個(gè)文本字段），并構(gòu)建單字索引，創(chuàng)建好獨(dú)立的索引文件。檢索時(shí)，采用SQLite FTS API 進(jìn)行檢索，獲取指向?qū)?yīng)要素的信息，并針對(duì)對(duì)應(yīng)的GDB 文件進(jìn)行Feature 獲取。需注意的是，要在縣GDB中對(duì)唯一編碼構(gòu)建專題索引，以提升獲取整個(gè)空間要素信息的效率。

圖4 專題索引構(gòu)建與檢索流程

全文檢索包括兩個(gè)步驟：在SQLlite中的全文檢索和在.geodatabase中的快速搜索，具體如圖5所示。

圖5 全文檢索流程

1）全文檢索對(duì)query 分詞采取兩種策略：策略一，根據(jù)query 的空格分割為多個(gè)terms，進(jìn)行FTS match，若結(jié)果數(shù)大于0，則結(jié)束當(dāng)前FTS match；策略二，若策略一未獲得結(jié)果，則將query 拆分為單字進(jìn)行FTS match。

2）FTS match 結(jié)果為三元組（adminCode，feature class，BSM），根據(jù)此三元組從對(duì)應(yīng)的.geodabase 文件中檢索對(duì)應(yīng)的空間要素，需要對(duì)源數(shù)據(jù)中.gdb 的BSM構(gòu)建屬性索引，以提高步驟2的檢索效率。

3 實(shí)驗(yàn)及討論

本文以湖北省第三次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開發(fā)湖北省國(guó)土調(diào)查移動(dòng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（如圖6），軟件選型如表1所示。

圖6 湖北省國(guó)土調(diào)查移動(dòng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

表1 軟件選型表

實(shí)驗(yàn)策略具體如下：

1）數(shù)據(jù)縮編。基于省級(jí)小比例尺土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行縮編，保證在各比例尺下地圖的展示要素不會(huì)過(guò)分擁擠，且縮編前后土地利用類型分布面積的視覺對(duì)比一致。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)移動(dòng)軟硬件環(huán)境下國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，采用化簡(jiǎn)、壓縮等方式實(shí)現(xiàn)湖北省“三調(diào)”數(shù)據(jù)的移動(dòng)端存儲(chǔ)，針對(duì)電子地圖展示用數(shù)據(jù)、檢索與統(tǒng)計(jì)用數(shù)據(jù)、土地變更數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)分別設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。

3）數(shù)據(jù)展示。根據(jù)縮編后土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行電子地圖的展示，建立標(biāo)準(zhǔn)國(guó)土調(diào)查土地利用符號(hào)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)符號(hào)自動(dòng)配置和注記自動(dòng)配置功能，支持用戶修改符號(hào)及自定義符號(hào)，并實(shí)現(xiàn)電子地圖樣式的同步更新。

4）數(shù)據(jù)應(yīng)用。支持對(duì)國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)的檢索、量算及統(tǒng)計(jì)，其中查詢包括橫向查詢與縱向查詢，統(tǒng)計(jì)包括橫向統(tǒng)計(jì)與縱向統(tǒng)計(jì)，橫向指空間維度，縱向指時(shí)間維度。使用HUAWEI M6 平板進(jìn)行測(cè)試（型號(hào)：VRD-W10，處理器：Huawei Kirin 980，RAM：6 G，ROM：128 G，分辨率：2 560×1 600），數(shù)據(jù)采用湖北省襄樊市（今襄陽(yáng)市）棗陽(yáng)市全國(guó)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)，共包含283 272 個(gè)要素。結(jié)合用戶日常使用常用操作，模擬用戶實(shí)際操作，將本系統(tǒng)與未采用數(shù)據(jù)緩存與數(shù)據(jù)預(yù)取的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。用戶首先打開系統(tǒng)模擬日常操作1 min，為系統(tǒng)預(yù)熱，然后記錄下用戶接下來(lái)連續(xù)操作30次用時(shí)，其中每次用時(shí)是指操作后從發(fā)送瓦片請(qǐng)求到完成瓦片渲染用時(shí)，用時(shí)記錄如圖7 所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，不含緩存與預(yù)取的系統(tǒng)平均用時(shí)為936.5 ms，本系統(tǒng)平均用時(shí)為581.5 ms，效率提升約37.9%。

圖7 平移操作測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)通過(guò)上述內(nèi)容的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了新型的、線上線下一體化的、支持移動(dòng)辦公的湖北省國(guó)土調(diào)查移動(dòng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設(shè)，從而能夠提高湖北省國(guó)土調(diào)查工作效率，保障湖北省“三調(diào)”順利推進(jìn)。系統(tǒng)功能多樣，能夠滿足移動(dòng)辦公的場(chǎng)景；運(yùn)行效率高，地圖渲染與數(shù)據(jù)查詢速度快；擴(kuò)展性高，易于添加定制功能。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)移動(dòng)環(huán)境下空間數(shù)據(jù)調(diào)度及渲染的研究，設(shè)計(jì)了完整的空間數(shù)據(jù)組織方案及空間數(shù)據(jù)調(diào)度方案，通過(guò)數(shù)據(jù)緩存與數(shù)據(jù)預(yù)取兩方面實(shí)現(xiàn)了矢量切片渲染效率的優(yōu)化，并基于國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)背景及Android 系統(tǒng)進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)，測(cè)試了本文方案的可行性，為今后此方面的研究提供了參考，為此方面的工程實(shí)現(xiàn)提供了可行性案例。

本系統(tǒng)拋棄原有傳統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，采用更現(xiàn)代的設(shè)計(jì)形式，使得界面清晰新穎。針對(duì)不同數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)不同加載與存儲(chǔ)方式，確保了效率與功能兼?zhèn)洹?gòu)建專題索引與空間索引兩種索引提升了檢索效率，確保檢索時(shí)間＜3 s。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)具有極高的實(shí)踐意義。