發布時間：2020-05-16所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要]從2016年起，地理國情信息獲取進入了常態化監測階段，而作為地理國情信息獲取的主要手段之一，外業調查與核查起著至關重要的作用。本文針對地理國情監測技術需求，融合北斗高精度定位技術、圖庫一體化技術、抗多路徑干擾技術、通道時延一致性技術以及
[摘要]從2016年起，地理國情信息獲取進入了常態化監測階段，而作為地理國情信息獲取的主要手段之一，外業調查與核查起著至關重要的作用。本文針對地理國情監測技術需求，融合北斗高精度定位技術、圖庫一體化技術、抗多路徑干擾技術、通道時延一致性技術以及云平臺技術等，研發外業調繪系統。從關鍵技術、裝備算法、信息系統平臺、工藝流程和推廣應用等方面開展研究和創新。為日后自然資源統一調查監測提供技術支撐。
[關鍵詞]地理國情;監測;外業調繪;一體化
0引言
地理國情主要是指地表自然和人文地理要素的空間分布、特征及其相互關系，是基本國情的重要組成部分[1-4]。因此，開展地理國情普查是一項重大國情國力調查，是全面獲取地理國情信息的重要手段，也是掌握地表自然、生態以及人類活動基本情況的基礎性工作[5-8]。
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地理國情監測自2016年以來步入了常態化監測階段，外業工作的效率以及準確度直接影響著整個工作的進展[9]。同時，隨著自然資源部的組建，土地變更調查、國土三調、水利調查、林業清查等自然資源調查需求越來越多，精度越來越高，要求越來越嚴，外業調查手段亟待更新，而現有技術主要存在以下問題：(1)兼容北斗的GNSS軟硬件裝備缺乏，長期依賴國外;(2)無法滿足高精度、快速定位、便于攜帶等外業調繪需求;(3)自動化與一體化程度不高，需要大量人工干預;(4)在數據的保密和管理上仍然受到各種限制，存在著安全隱患。為了打破國外技術壟斷，突破技術難題，自主創新面向地理國情監測外業調繪系統勢在必行。
1總體研究思路
本研究對地理國情野外調查系統、兼容北斗多頻多星高精度外業調繪平板、空間數據無損壓縮存儲方法、圖庫一體化、內外業一體化、云服務平臺等多項關鍵技術開展了研究，創造出一個可實現北斗高精度定位，服務于地理國情監測的外業調繪系統。
1.1基于北斗高精度定位技術外業調繪平板的研制
研制全星座北斗高精度外業調繪設備及信息系統，實現北斗高精度定位，支持多頻多星組合定位;解決地理國情監測外業調繪的技術難點[10]，完成基于北斗高精度定位技術的地理國情監測外業調繪設備的研制及信息系統開發。
1.2地理國情監測外業調查軟件研發
研發地理國情監測外業調查軟件支撐外業調查與核查，實現空間要素的樣本點采集、調查和核查、地理國情數據字典管理、屬性填寫、外業調繪軌跡采集、元數據采集、核查結果統計表格輸出等功能，為最終形成地理國情要素數據、地表覆蓋分類數據成果和遙感影像解譯樣本數據庫提供基礎。具體包括5大模塊：項目管理、矢(柵)數據顯示、解譯樣本采集、核查與更新、軌跡元數據記錄等。
1.3基于位置服務的云平臺設計
以測量的位置數據為基礎，通過云技術實現主機、外業調繪系統、服務器之間的交互，將數據生產、質檢、管理流程化，實現多任務、多PC、多平板終端一體化作業，實現數據動態同步更新、數據統一服務器管理。
1.4HiData地理信息圖庫一體化平臺研發
研發地理信息內外業生產的一體化解決方案，地圖展示、調繪、測量、制圖、入庫在一個外業調繪平板上即可完成。移動端和PC端協同作業，實現一個平臺、一套標準，無須轉換、直接入庫。圖發生變更時，庫也同步變更，反之亦然。
具體采用特征點方式設計。當數據為簡單的連續節點時，數據的存儲量會明顯增加擴展。地物數據的描述采用的是點構線、線構面、面構體的形式組成，故而將依次描述點、線、面。
數據文件不采用數據庫形式存儲，采用二進制文件存儲，能夠滿足數據的任意操作與頻繁修改。文件為多文件形式存在，分為*.hdb和*.idx文件。*.hdb分為文件頭和實體數據部分，*.idx記錄索引信息。數據采用多文件結構形式存儲，在執行創建的過程中建議設計采用文件夾方式存儲某個數據文件，避免數據過多導致用戶的使用困惑與操作困難，也避免數據復制過程中的缺失。
2關鍵技術
本研究融合了多項關鍵技術，包括：地理國情監測軟件研發技術、超小型北斗衛星天線技術、抗多路徑干擾及通道時延一致性技術以及HiData地理信息圖庫一體化技術等。現就地理國情監測軟件技術和HiData地理信息圖庫一體化技術進行詳細闡述。
2.1地理國情監測軟件研發技術
研發地理國情監測外業調查軟件支撐外業調查與核查。主要包括PC端和APP端，其功能包括：數據加密壓縮處理、核查與更新、數據采集編輯、解譯樣本采集與制作、軌跡與元數據記錄、檢查記錄表導出等。
(1)數據加密壓縮
采用空間換時間的思想，對于高分辨率影像，采用了多層次金字塔和壓縮技術，來減少IO和CPU運算，提高瀏覽流暢度。對于復雜密集的矢量數據，除了建立高效空間索引之外，還對數據進行分層壓縮，以最快速度來操作數據。具體基于霍夫曼重構算法的空間數據無損壓縮存儲方法，在不破壞數據、不降低影像分辨率的情況下數據壓縮率達85%以上，解決了云平臺環境下的野外調繪裝備大數據傳輸、安全保密、快速渲染等技術難題。其主要步驟包括：①根據待編碼信息的統計特征(熵)，按出現頻率的大小從下到上構建編碼樹;②按類似于前序遍歷的方法遞歸地遍歷編碼樹，對于連接左子樹的邊賦予邊碼為“0”，連接右樹的邊碼為“1”。反過來亦可;③計算從“根”到“葉”的編碼序列，得到某字符的編碼。如圖1所示：
(2)解譯樣本采集
遙感影像解譯樣本的采集，是為了直接形象地提供地表形態說明。每一個照片必須代表著某處的地表數據的類型，以及相對應的遙感影像圖切片位置。
先進行圖層分類設置，考慮到部分人員對某些應用類型不清楚其層級歸屬關系，系統設計提供了“圖層查找”方式優化操作體驗。在全部的圖層列表中只需輸入待查詢的地理國情要素或者地表覆蓋類型的拼音首字母、部分字母，即可快速定位至所需類型。
設置完地理國情分類后，下一個關鍵技術是實現樣本點坐標的采集。地理國情監測外業調查軟件采用北斗高精度定位坐標進行采集，數學基礎為CGCS2000國家大地坐標系。
采集樣本坐標后，如何關聯其對應的“地面照片”則是地理國情監測外業調查軟件下一個需要解決的關鍵問題。采用的模式是采用隱藏式屬性關聯法將拍攝的照片作為不顯示的屬性與樣本地物進行內部關聯。拍攝效果不佳的照片可刪除與地物的關聯關系。
由于目前傳感器在獲取方位角信息方面準確度仍未達到完美的效果。故在判斷方位角值時采用了GNSS定位數據計算模式與姿態傳感器方位角值雙方位角數據驗證模式，在兩者大小均為超限時，自動取值。一方超限時，另一數據源能保證數據有效性。
(3)核查與更新
點擊“核”字樣功能模式，可現場核查地理國情監測數據的信息正確與否。如有地理國情要素類型誤，地理國情監測外業調查軟件中設計了“移動”功能，一鍵操作即可完成分類的變換，選擇正確的類型，并判斷錄入的屬性完整正確后提交更改，核查功能即已完成。如有地物新增出現，現場更新采集，并輸入相應屬性即可。
(4)軌跡與元數據記錄
地理國情監測外業調查軟件默認按照5s間隔記錄軌跡信息，也可自行修改設置。系統每隔5s，會自動記錄一個定位點，點與點之間自動連接成軌跡線。
2.2HiData地理信息圖庫一體化技術
提供地理信息內外業生產的一體化解決方案：可以對數據進行分發、打印制圖、數據入庫等擴展應用，實現一個平臺完成地理信息數據生產、作業的流程化管理。給作業人員帶來全新的一體化操作體驗、流暢的海量數據編輯效果、靈活多變的GIS/CAD操作習慣、多源異構的地理信息數據處理等，極大地提高了作業效率。HiData地理信息圖庫一體化平臺邏輯視圖如圖2所示。
HiData地理信息圖庫一體化平臺核心組件模塊主要包括：多源異構數據管理模塊、圖形繪制模塊、界面交互模塊、數據管理模塊、圖形處理模塊、七巧板開發框架等6個模塊，具體功能如表1所示。
3技術指標分析
(1)外業調繪設備GNSS方面，利用支持四星座多頻的高精度接收機，兼容北斗、GPS、GLO-NASS、伽利略等衛星。定位精度由2m～5m提升到亞米級，整體精度提高50%～80%;
(2)數據保密壓縮方面，基于霍夫曼重構算法的空間數據無損壓縮存儲，保證了數據的加密特性，壓縮率由常規的30%～50%提高到85%以上;
(3)云平臺方面，研發了地理國情監測外業調查云平臺，實現對設備遠程管理、服務與支持;
(4)一體化技術方面，融合內外業信息采集一體化及地理信息圖庫一體化平臺，實現移動端和PC端協同作業，作業效率提升35%以上。
4成果應用
本項目研究成果在全國國土三調、全國地理國情普查、地理國情常態化監測，全國地名普查、地下管線普查、違法建筑查處、逾期臨建信息采集、生態保護紅線劃定、國土執法應急信息化保障等國家和地方重點項目得到推廣和應用。
目前我國多個行業，如：國土、電力、交通、石油、公安、地圖導航等領域在設施調查、規劃選址、管線輸配、巡查檢修、工程監理等方面均需要采集基礎地理信息數據和數據的更新維護。對便攜型定位設備需求十分迫切，大屏幕手持操作設備市場潛力巨大。因此，本項目的科技成果將會有很好的應用前景。
5結束語
本研究立足于北京市地理國情監測，形成了一整套外業調繪系統，該系統成熟穩定，適于野外作業，精度較高，數據加密型強，傳輸方便，內外業銜接緊密。并支持二次開發，提供可替換、可拆解的、可復用的組件化、插件式模塊;各個模塊可以基于不同行業的應用，進行搭配使用，可為日后自然資源調查監測、政府重大戰略、重點規劃和重要工程等提供服務。但是在實際應用中仍然存在一些問題，例如：用戶體驗有待更好提升。外業作業的環境條件差異大，用戶對平板操作要求越簡單越好，尤其是光線強、氣溫低的條件，用戶體驗需要進一步改進。下一步的工作就是充分考慮各類特殊的使用條件，滿足各類用戶使用要求。
SCISSCIAHCI
