基于3S技术的地名外业调绘数据采集系统

赵帅华，赵双明，胡迎迎，喻国荣，付兵杰

基于3S技术的地名外业调绘数据采集系统

赵帅华1，赵双明1，胡迎迎2，喻国荣1，付兵杰1

（1.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079；2.湖北省地理国情监测中心，湖北 武汉 430071）

利用3S技术开发了地名外业调绘数据采集系统。该系统使用方便、灵活、高效，且花费较低，弥补了传统调绘方法的不足；并已在湖北省某地区地名普查外业数据采集中测试使用。结果表明，该系统有助于提高地名外业调绘的工作效率，可作为利用3S开发移动应用的一个参考。

3S；地名普查；实地调绘；数据采集系统

地名不仅是识别不同地域的简单符号，也是重要的地理和社会公共信息。地名信息不全、不新、不准确等问题日益严重，陈旧落伍的档案检索方式早已无法满足高科技信息时代的需要。为提高地名标准化管理和服务水平，迫切需要进行全面的地名普查。地名普查的重要流程之一是地名外业调绘，即对地名实体进行实地踏勘。调绘过程中需要采用现场踏勘的方式进行信息对照、核实，采集地名信息以及相关的多媒体信息、空间位置信息，并将采集的地名空间信息标注到工作草图上。传统的调绘方式在定位、地名信息录入、多媒体信息采集等方面存在诸多不便，费时费力。以3S技术为核心的信息工程技术的普及为地名信息实地采集提供了一种新方式。例如，RS提供的大比例尺多源数据可以方便地进行宏观决策，GIS可为空间数据分析、处理和表达提供技术支持[1]，在实地调查系统中利用GPS进行定位可提高所获取数据的精度[2-3]。

随着3S技术的发展，在很多行业出现了采用一种或多种3S技术设计的实地调查系统。由于传统的桌面和Web信息系统不能满足实时、便捷采集数据的需求[4-5]，也从侧面促进了实地调查系统的发展。智能终端等移动技术的成熟使外业工作人员可以随时随地获取数据并进行决策支持[6]。利用GPS技术，信息采集系统越来越多地被应用于精细农业[7]、农田土地平整地形测量[8]、面积实地测量等方面；利用GPS和GIS技术，实地调查系统在土地整理[9]、考古数据采集[10]和变量灌溉控制[11]等方面都有了很大发展；3S技术还被成功应用于昆虫数据收集[12-13]、葡萄园管理[14]、农作物[15-16]、卫生[17]等领域。随着2014年1月23日国务院《关于开展第二次全国地名普查的通知》[18]的发布，之前的一些研究无法完全符合新的实地调绘作业要求，如张伟[19]等基于移动GIS和LBS技术对地名快速采集方法进行了研究，但并未对地名实体的空间信息进行编辑处理。此外，上述系统往往以矢量图层为工作底图，并不能为调绘人员提供更为直观的实地环境信息；以遥感影像为底图可以提供更加清晰、真实的额外参考，但遥感影像往往尺寸较大，无法整合到移动GIS系统中使用[20]。本文开发的数据采集系统通过预处理对遥感影像进行压缩，再将遥感数据存储到移动设备中，可以方便利用遥感数据进行实地调绘。

1 系统设计

1.1 系统体系结构

地名外业调绘数据采集系统主要是为地名外业调绘提供一个集成的外业调绘工具，可以安装在任何基于Android操作系统（版本4.0或以上）的平板电脑或智能手机上。系统主要分为系统层、数据层、中间层以及应用层，体系结构如图1所示。

1.1.1 系统层

该层为系统提供底层操作系统和硬件平台。相比于iOS、Windows Phone和Symbian等平台，Android平台具有平台开放、硬件支持广泛、性价比高、开发方便、多媒体接口丰富等优势，且Android移动终端设备大多都集多媒体、定位及无线传输功能于一体[21]，因此系统选用基于Android操作系统的平板电脑作为实验系统平台，并选用广泛使用的开源工具Eclipse 4.4作为开发工具。

1.1.2 数据层

该层负责管理和储存不同种类的数据，包括矢量数据、栅格数据和多媒体数据等。对于地名普查的一 次外业调绘，需要有预先准备的遥感数据和其他矢量地图，并经预处理后存放在SD扩展卡中；调绘过程中采集到的图片、音视频数据也存放到SD扩展卡中，生成的属性数据直接保存到矢量数据中。

1.1.3 中间层

该层用以连接数据层与应用层，包括Android数据接口、定位接口、多媒体接口以及移动端GIS开发工具集等。利用它们可以屏蔽应用组件和操作系统之间的交互细节，专注于功能模块的实现，提高开发效率。

1.1.4 应用层

该层建立在中间层之上，是系统功能应用的具体展示，包括地图浏览、地名调绘、定位导航、任务管理、数据导出、多媒体采集等功能。当要执行数据查询、编辑以及分析等功能时，由应用层提供用户交互界面支持具体操作。

1.2 功能设计

UML中的用例图可以有效捕获操作流向以及大部分系统功能需求[22]。地名外业调绘数据采集系统中的用例图包括6个模型：①地图浏览，包括地图漫游、放大缩小、显示隐藏；②定位导航，用户可以定位当前位置，并能借助高清底图导航到目标位置；③任务管理，用户可增加、修改、删除任务，便于更加灵活高效地开展工作；④地名调绘，用户能利用GIS技术新增和编辑地名实体要素（如点要素代表房屋建筑物等地名实体，线要素代表道路、河流等地名实体）信息；⑤多媒体采集，包括图片、音频和视频数据的采集；⑥数据导出，用户可将矢量数据和多媒体数据导出到电脑中显示（图2）。

图2 系统用例图

1.3 数据处理

地名外业调绘是地名普查中一项复杂的工作，涉及许多处理过程，第一步就是数据处理。系统的数据处理主要包括图层格式、图层字段以及多媒体文件命名3部分。

外业调绘所使用的数据类型和所生成的数据类型各异（如.jpg、.tiff、.dwg）导致了数据类型的不统一，给数据存储和数据转换带来很大不便。本文将所有数据类型统一转换为两种类型：.ini和.shp，并以WGS84为坐标系统（见表1），相应操作主要在ArcMap 10.2和UCMap地图配置程序中完成。

表1 图层格式说明

表2 图层字段设计

地名实体的属性字段包括地名代码，类别代码，标准地名，罗马字母拼写，民族文字，所在（跨）行政区，简称，别名，地理位置，语种，地理实体概况，地名的来历、含义及历史沿革，资料来源，多媒体信息和备注等[18]。一般地，为提高地名外业工作效率，外业调绘时只需记录其中关键项即可，其他字段可在内业处理中结合其他资料完成。调绘成果图的图层字段设计如表2所示。多媒体数据是指地名实体所对应的图片、音频和视频数据，系统分别为照片、录音和录像数据建立了保存路径单独存储。多媒体数据的命名格式设计为：“标准地名_地名类别_多媒体类型_4 位随机数.保存类型”，如街道口_0102_1_3297.jpg。

2 系统实现

本文基于Eclipse平台开发地名外业调绘数据采集系统，所使用的硬件和软件规格为： Windows7操作系统，Intel(R) Core(TM) i3 M380 2.53GHz处理器；Samsung SM-T530，Android 4.4操作系统，Inter Quard Core 1.2GHz，支持GPS和SD扩展；Eclipse 4.4；UCMap SDK for Android V6.0.0；UCMap地图配置程序；UCMap Raster Maker。

系统开发涉及数据压缩、地图配置、迭代测试等过程，其中最基本的两个过程为数据压缩和地图配置。

2.1 数据压缩

遥感数据的数据量大往往是阻碍其在移动设备上进行本地存储的主要原因，此外移动设备内存也不足以完全显示和计算遥感数据，使得很多实地调查系统无法充分利用高分辨率遥感数据。为解决这一问题，采用UCMap的Raster Maker工具对遥感影像进行压缩处理。

数据压缩可以最大化地利用遥感数据，加快数据显示，减少移动设备卡顿现象。在实际测试中发现，一幅原始栅格数据经过压缩处理后其文件大小可缩减1/2，且显示速度要快很多。虽然数据压缩较耗时，但对于地名普查而言，遥感影像覆盖区域较大，更换遥感影像地图并不频繁，一般只需进行一次压缩处理即可，因此通过压缩处理后遥感数据可用于地名外业调绘。

2.2 地图配置

系统所用地图数据包括一幅遥感影像和多幅矢量地图。为了更好地利用遥感影像和矢量数据，并简化系统数据输入操作，利用UCMap地图配置程序将遥感影像和矢量地图整合到一起，生成统一的.ini格式文件供系统调用。地图配置过程如图3所示。

图3 地图配置流程图

2.3 系统功能实现

利用Eclipse 4.4和Java语言，实现地名外业调绘数据采集系统的主要功能。

2.3.1 地图浏览与定位导航

地图浏览主要包括地图的漫游和放大缩小。由于当前移动终端主要是触屏操作，因此系统主界面除了设置放大、缩小功能按钮外（图4a），还支持触屏拖动、放大、缩小等手势。

定位导航包括固定视角定位和自由视角导航。固定视角定位可将地图视图以当前定位点强制居中显示，有助于调绘人员快速定位到当前实际位置；自由视角导航不会将视图按定位点强制居中显示，可方便调绘人员通过判断当前位置与目标区域进行自主导航。定位视角转换按钮如图4a中左下角图标所示。

2.3.2 地名调绘

地名调绘是系统的核心部分，包括地名信息的采集与编辑。其中新增地名信息的步骤为：①添加新任务或从待做任务列表中选择一项任务（图4a）；②选择目标图层（图4b）；③在目标图层上绘制图形；④填写地名属性基础信息（图4c、4d）；⑤采集地名多媒体信息（图4e）；⑥保存并退出。修改地名信息包括修改属性信息和修改空间几何信息两部分，其中修改空间几何信息包括新增结点、删除结点和移动结点等操作，如图4f右侧浮动功能图标所示。

图4 系统部分功能界面

2.3.3 任务管理

任务管理包括普查目录和普查结果（图4a、4f）。对于外业任务，不仅可提前做整体部署，也可根据实际需要做临时调整。整体部署需预先将任务清单以特定格式储存到系统中，使用时便可直接读取任务。系统也支持临时添加任务，以应对实际情况。任务完成后在普查结果中可对其进行查看、再次编辑或删除。

2.3.4 数据导出

数据导出包括矢量数据导出和多媒体数据导出。系统支持随时将普查结果以矢量图层的形式导出。通过屏幕左侧的数据导出图标，可以将普查完成的任务以shp格式导出至SD卡中，方便后续拷贝到电脑上供内业处理。

3 系统评估

以湖北省某地区第二次全国地名普查为测试案例对该地名外业调绘数据采集系统进行了应用研究。根据湖北省地名分类实际情况，将所涉及的地名实体类型分为点类和线类。该地区测试使用的遥感影像原始大小为4.24 GB，经数据压缩后大小变为2.03 GB，数据量减少约1/2，显示速度也非常流畅，未出现视图卡顿的情况。离线定位时，定位精度在3～9 m，满足地名普查规定的测量误差小于20 m的要求。通过如图5所示的操作流程，调绘人员准确高效地完成了相应地名信息采集任务，与传统采集方式相比，提高了工作效率。

系统测试表明，3S技术能显著提升地名普查项目中外业调绘工作的质量和效率。系统能解决一系列实际问题并使复杂的实地调绘工作变得更高效，如在调绘过程中，调绘人员能轻易地判定位置和方向、识别任务边界等。

图5 地名信息采集操作流程图

4 结 语

本文以Android移动设备为终端，利用UCMap、Eclipse和Java编程语言，设计开发了地名外业调绘数据采集系统。该系统提供了全面的功能，支持单击和触屏操作，适合当前主流移动平台。本文所开发的系统实现了数据在平板电脑等移动设备上的整合；通过数据格式转换、数据互操作以及直接数据访问等方式，为地名外业调绘提供了基础数据，有助于促进基于统一标准的移动设备和工作站之间的数据共享；提供了可用于地名普查项目的外业调绘系统，并实现了多源数据整合、空间查询和空间定位等功能；可帮助用户在地名外业调绘中获得科学信息技术支持。本文基于3S技术并运用于移动设备的方法可作为技术框架应用于其他相关应用中。该系统在数据无线传输、在线数据获取、语音识别输入等方面还可以进一步完善。

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P208

B

1672-4623（2017）05-0063-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0052.0

赵帅华，硕士研究生，研究方向为地理信息系统和数字图像处理。

2016-10-20。