移动端地理国情监测内外业一体化系统设计

李 帅 陶维重 任思思

（黑龙江地理信息工程院，黑龙江 哈尔滨 150081）

0.引言

地理国情监测技术是综合利用GNSS、RS、GIS等现代测绘技术和其他相关科学调查技术，结合历史档案和调查成果数据，对地形地貌、地理要素、地表覆盖等进行常态化、专业化监测，并对其分布特征、变化规律、发展趋势等进行统计分析，形成反映各类资源、环境、生态、经济要素的空间分布及其发展变化规律的监测数据、地图图形和研究报告等，从地理空间的角度客观、综合展示国情国力[2，3]。地理国情监测成果是国家政府机构制定和实施国家发展战略规划的重要依据，也是开展国土空间“双评价”、生态环境保护、自然资源调查监测、应急保障服务工作的重要数据基础。

外业调绘是地理国情监测项目的一项基础性工作。但是，随着我国经济高速发展、信息化体系不断完善，国情监测数据的现势性和准确性的要求也越来越高，以往的纸质调绘、内外业分工的作业模式已经难以满足新形势下各项业务的需求，亟待向电子调绘、内外业一体化的方向发展[4，5]。目前，国内一些高等院校、科研单位和相关公司已经对基于移动终端的信息采集技术进行了大量研究，并在测绘、电力、交通、水利、林业等行业得到应用[6-10]。但是这些研究大都致力于外业信息采集，难以实现内外业一体化。

本文主要通过深入研究地理国情监测外业核查工作基本作业流程，紧随信息化测绘背景下内外业一体化发展趋势，基于国产Android平板深度定制开发，设计了一款基于安卓智能平板设备的内外业一体化系统（以下简称内外业一体化系统），为地理国情监测项目外业核查工作提供一套切实可行的技术方法。

1. 系统框架设计

1.1 系统总体设计

系统采用ArcGIS平台提供的跨平台解决方案，综合移动端、桌面端及服务器端开发技术，基于ArcGIS Runtime SDK for Android、ArcGIS Server 和ArcGIS Engine进行二次开发。系统包括移动端外业调绘核查系统和桌面端数据处理辅助系统两大模块。

1.2 系统数据处理流程

内外业一体化系统的数据传递过程是“服务器—移动终端—服务器”模式。首先，将制作好的地理国情监测底图数据存储在服务器端企业级地理数据库中，以服务的形式进行发布。然后，外业作业人员通过无线局域网从服务器端缓存矢量底图数据，影像底图数据则直接从服务器端拷贝到移动端，并在野外开展调绘核查、照片采集和数据更新工作。最后，将外业调绘成果上传到服务器中，为下一步内业编辑工作提供依据。整个数据流程（如图1所示）：

1.3 系统总体框架

内外业一体化系统采用三层体系架构，包括用户表现层、业务逻辑层和数据访问层。位于底层的数据访问层主要实现影像和矢量数据的读写操作；业务逻辑层是三层体系架构的中间层，在数据交换中起到了承上启下的作用[11]；应用层主要实现用户的界面交互和系统的核心业务功能[12]。总体框架设计（如图2所示）：

图1 系统数据处理流程

图2 系统总体框架

2.关键技术

2.1 Android系统

Android系统由谷歌公司开发，是当前广泛使用的移动端操作系统之一，2019年第二季度，Android系统的市场占有比例高达77.14%，远远高于IOS的22.83%。

Android系统采用Linux内核，采用四层分层架构：从高到低依次为Applications应用程序层、Application Framework 应用程序框架层、Libraries + Android Runtime系统运行库层和Linux内核层[13]。

2.2 ArcGIS Server

ArcGIS Server是基于网络的WebGIS服务器，它通过HTTP协议公开服务，满足Web服务请求，可以将本地GIS资源发布成各种设备和应用程序中使用的Web服务，包括Map Service、Raster Service、Feature Service、GeoCode Service、Geometry Service等。

2.3 ArcGIS Runtime SDKs

ArcGIS Runtime SDKs是一整套用于快速构建GIS应用程序并部署到不同平台的应用程序开发包，涵盖了主流移动端和桌面端操作系统。支持的主要功能有：离线数据、地图浏览、地图查询、地图定位、数据展示、外业数据采集、数据编辑、数据同步、路径规划、地理编码、视域分析、视线分析等。

2.4 数据离线

根据应用场景的不同，ArcGIS平台提供了两种数据离线模式[14]：基于服务的离线模式和基于桌面的模式。前者是指通过连接到基于ArcGIS Server、Portal for ArcGIS或ArcGIS Online的已启用同步功能的要素服务，将地图数据或矢量数据从服务器下载到移动设备，支持离线编辑。后者是指使用ArcGIS for Desktop生成用于离线使用的数据，不支持离线编辑。为实现内外业一体化编辑，本文采用基于服务的离线模式，网络环境为局域网。

2.5 ArcGIS版本技术

测绘数据生产过程中，常常需要多用户同时编辑地理数据库，并且需要有地理数据库的事务来处理视图，使用这些视图可以确保用户与其同事相互合作的编辑以及编辑更新之后的结果可以实时显现。ArcGIS推出的版本技术可以满足这类需求。ArcGIS版本是ArcSDE软件在多用户关系型数据库基础上的一种机制，依托于ArcSDE提供的长事务处理工具[15]，可以实现不同用户在各自独立的编辑会话中分别对数据进行操作，无需对生产版本进行锁定，因此不会影响到其他用户的操作。利用ArcGIS版本技术可实现多人协同编辑。

2.6 移动端多图层符号模型

目前一些成熟的商业GIS桌面软件都有一套完善的符号体系，但对移动端的支持仍然存在局限，通常只支持简单的标记、线型和填充符号，无法满足地形图图式规范要求，严重制约了电子化调绘的推广应用。国内外常见的解决方案是将符号化的矢量数据转换成栅格切片，打包之后在移动端加载显示：该方案能够完整保留符号化效果，但是矢量数据转换成了图片，无法对数据进行编辑。多图层符号模型的基本原理是将多个单一符号图层叠加，形成新的复合符号。本文基于ArcGIS Runtime支持的多图层符号模型实现了对复杂符号的支持，自主研发了符合地理国情监测项目图式规范的移动端符号库，实现了矢量数据的动态化符号渲染，解决了移动端矢量数据符号化显示的关键问题。

2.7 基于表达式语言的智能化标注技术

采用基于表达式语言的智能化标注技术，支持对矢量图层属性字段的数学计算、文本操作和逻辑判断，实现矢量图层的智能化文本标注；支持对文本标注的放置位置、放置规则、字体样式等进行动态设置。智能化标注满足了外业调绘对属性直观查看的需求，显著提高了作业效率。

2.8 遥感影像高效压缩技术

地理国情项目采用的高分辨率遥感影像数据量巨大，对移动设备的存储和计算能力提出了较高要求。本文通过研发基于JPEG压缩编码的遥感影像压缩处理工具，在“视觉保真”的同时，实现了遥感影像数据的5～10倍左右高比例压缩，解决了按县、市级行政单元划分测区时遥感影像底图数据量过大的问题。同时，通过生成影像金字塔和计算统计数据，显著提高了遥感影像的加载速度。

2.9 野外厘米级高精度定位技术

通过WIFI或蓝牙无线连接的方式，接入便携式高精度定位设备。通过将高精度定位设备接入省级CORS网络，基于网络RTK技术实现实时或近实时厘米级高精度定位，在外业调绘的同时，进行新增地物的补测，压缩了传统测绘先调绘、后补测的作业工序，有效节约了成本。

3.系统功能模块设计

3.1 系统功能结构图

本系统功能结构（如图3所示）：

3.2 数据管理模块

数据管理模块是移动端与服务器端数据交换的桥梁，主要通过数据离线下载和数据在线同步功能实现数据传递。图层管理功能实现图层的开关、透明度设置、标注显示开关、缩放至图层等功能，另外，实现对栅格图层渲染方式的设置。

3.3 地图定位模块

地图定位模块包括定位开关、方向开关、轨迹开关、定位设置等功能。地图定位模块是内外业一体化系统的一个重要辅助功能，不仅能够帮助外业工作人员准确判断空间位置和方向，还可以实现GPS历史轨迹回放。

图3 系统功能结构

3.4 调绘核查模块

调绘核查是地理国情监测外业的一项重要工作，该模块主要包括原笔迹标绘、样本照片采集、外业核查、橡皮擦、路线规划、量测等功能。原笔迹标绘实现手写笔迹的录入；样本照片采集功能实现现场照片采集，同时记录拍照的位置和方位信息；路线规划功能可以帮助外业人员在出测前提前规划行走路线，避免不必要的行程；测量工具实现简单的距离和面积量算。

3.5 数据编辑模块

数据编辑模块包括矢量编辑和属性编辑。其中，矢量编辑包括点、线、面要素的新增、删除、节点编辑等基本操作以及要素的裁切、合并、分割、延伸、打断、修形等高级编辑操作，属性编辑主要实现地物属性信息的录入和修改。在编辑的过程中，实现回退功能，对节点捕捉开关状态及捕捉容差进行设置。

3.6 桌面端辅助模块

桌面端辅助模块主要完成数据前期预处理、数据导出和后处理。数据前期预处理实现矢量数据的格式转换，将SHP、MDB、GDB数据格式转换为移动端支持的.geodatabase数据格式；实现影像底图数据的预处理，对TIFF或ERDAS IMAGINE格式的栅格数据进行高保真压缩，并计算金字塔和统计数据。数据后处理实现样本照片处理和解译样本库制作等功能，主要包括样本照片的经纬度、方位角等EXIF信息的写入，遥感影像解译样本小图片的自动裁剪，解译样本数据库的制作等功能。

4.系统主要创新点

（1）基于ArcGIS Engine开发了桌面端辅助程序，帮助工作人员完成数据前期处理及调绘底图制作，完成调绘后，又辅助工作人员进行调绘成果的导出、整理和检查，减少内外业之间工序衔接的工作量。

（2）结合ArcGIS Server技术，将空间数据以要素服务的形式发布，通过要素服务可以将数据从服务器离线缓存到移动端，并且在外业调绘工作完成后，可以直接将外业修改内容同步回传给服务器，无需额外的格式转换工作。同时，利用ArcGIS版本技术，还支持多人同时离线编辑的工作模式，允许同一小组内的多个移动终端与同一台服务器交互，并对同一要素的不同部分进行修改，以及并发进行数据离线缓存和在线同步回传。

（3）利用移动终端的硬件集成优势，实现了定位和调绘核查功能。目前，主流的Android平板设备都普遍配置了各类传感器，本系统利用Android开放的相关接口调用GPS、陀螺仪、相机、电容笔等传感器设备，实现了实时定位定向、样本点照片信息采集、原笔迹标绘等常用功能，实现无纸化调绘，提高外业人员工作效率。

（4）利用ArcGIS Runtime SDK原生对.geodatabase格式离线矢量空间数据库的支持，实现了离线数据存储和编辑功能。通过ArcGIS Runtime SDK提供的空间数据操作引擎和自定义算法，实现简单的要素增、删、查、改功能和较为复杂的几何拓扑操作，方便外业人员在现场进行简单的形状编辑和属性录入，真正实现内外业一体化编辑。

5.结束语

本文主要研究了地理国情监测内外业一体化工作流程，详细介绍了内外业一体化系统的设计思路、关键技术和主要创新点。目前，该系统已经在多个省市的地理国情监测项目中得到应用，得到了一线作业人员的广泛好评，后续将在以下几个方面对系统功能进一步完善：（1）实现对不同分辨率、不同Android版本的平板设备自动化适配；（2）增加常用的移动端数据质量检查功能；（3）结合高德地图、百度地图的离线导航包，实现移动端离线导航功能。

内外业一体化是测绘行业发展的必然趋势，本文设计的移动端地理国情监测内外业一体化系统实现了内外业工作流程之间的无缝衔接、降低了劳动强度、提高了工作效率、节约了社会成本，对促进传统测绘技术革新和模式转变具有重要意义，有着广泛的应用前景。