基于MobileGIS的管线智能数据采集系统设计与实现
2021-03-21张中源
张中源
摘要：利用MobileGIS技术空间数据加载功能，采用Java语言，利用卫星定位、GIS空间分析等技术，设计并实现管线智能数据采集系统，为测绘单位进行管线测绘提供更加便捷、智能的野外数据采集工具，最大限度地提高野外工作效率与成果质量。经过某实地项目生产测试证明，基于MobileGIS的管线智能调查系统在实际项目生产中发挥着重要作用，相比传统纸质录入方式，生产效率与成果质量提高30%以上。
关键词：Android MobileGIS ArcGIS 管线测绘 智能采集 地图瓦片
Design and Implementation of Pipeline Intelligent Data Acquisition System Based on MobileGIS
ZHANG Zhongyuan
（The Third Geodetic Team of the Ministry of Natural Resources of PRC， Chengdu， Sichuan Province， 610100 China）
Abstract： Using the spatial data loading function of MobileGIS technology， using Java language， satellite positioning， GIS spatial analysis and other technologies， the pipeline intelligent data acquisition system is designed and implemented to provide more convenient and intelligent field data acquisition tools for surveying and mapping units to conduct pipeline surveying and mapping， so as to maximize the efficiency of field work and the quality of results. The production test of a field project shows that the pipeline intelligent investigation system based on MobileGIS plays an important role in the actual project production. Compared with the traditional paper input method， the production efficiency and achievement quality are improved by more than 30%.
Key Words： Android; MobileGIS; ArcGIS; Pipeline mapping; Intelligent acquisition; Map tile
地下管線被称作城市的“血管”，伴随着我国城市化进程的加快，城市地下管线的建设也越来越复杂，相关政府职能部门也高度重视地下空间的开发利用。同时，随着社会的发展，信息技术水平的进步，对于外业测绘工作在数据获取的现势性和获取能力上也提出了更高的要求[1]。
近年来，随着智能手机在存储和计算能力上的快速发展，为移动GIS技术在智能终端设备上的应用创造了便利的条件[2，3]，基于位置服务的移动GIS系统改变了传统的信息采集方式，以智能手机为载体来实现传统测绘行业野外数据采集的智能化、便捷化成为可能[4-8]。目前有一些野外测绘数据采集过程中已经实现属性信息的简单录入，但在野外实现管线及附属物符号化详细显示、模板定制、空间分析以及结合语音识别等智能化功能实现较少。目前很多单位仍采用传统的管线数据采集方式，即在野外使用纸质绘制草图并记录主要属性，内业加班将纸质数据录入计算机，此种方式工作效率低下且数据容易出错，给后期内业工作带来诸多不便。
基于以上情况，本文结合笔者从事地下管线探测多年以来的野外作业经验和实践，建立基于MobileGIS技术的管线智能调查系统，实现管线要素信息的智能化录入、管线及附属物的分类符号化显示以及在线地图本地化等功能，为专业管线测绘单位提供便捷化的野外数据采集工具，极大地提高野外工作效率与成果质量。
1 关键技术
1.1 管线要素分类符号化技术
本文中管线要素空间图形数据在移动端以shp格式进行存储，管线要素线型及附属物的符号通过ArcGIS Pro创建的Mobile style样式进行实现。
首先通过ArcGIS Pro制作Mobile Style样式文件，该文件包括点符号与线样式。由于管线要素要实现不同管类不同符号化显示，在加载时需要以管类为唯一值加载，加载结果如图1所示。
DictionarySymbolStyle symbolStyle = new DictionarySymbolStyle（样式文件路径）;
symbolStyle.loadAsync（）;
Symbol source_currentSymbol = symbolStyle.getSymbolAsync（关键字）.get（）;
UniqueValueRenderer uniqueValueRenderer = new UniqueValueRenderer（）;
uniqueValueRenderer.getFieldNames（）.add（分类字段）;
List
currentValue.add（样式名）;
uniqueValueRenderer.getUniqueValues（）.add（new UniqueValueRenderer.UniqueValue（样式名， 样式名， currentSymbol， currentValue））;
1.2底图离在线一体化技术
在野外绘制管线要素需要基于底图来判断实际位置，而日常使用的底图均为在线底图，由于野外网络信号的不稳定性，为方便野外使用在线底图数据，需要将在线底图数据下载到本地以及实现无缝加载在线与离线底图数据。
瓦片金字塔是采用倍率方法形成多分辨率层次，每层细分为大小相等的矩形瓦片，瓦片包含固定数据的采样点[9]。移动端使用的在线地图其实是由一个个地图瓦片按规律拼接而成的，不同层级的地图也有不同的瓦片构成，瓦片存储在对应发布商的服务器中，瓦片本身不带坐标，是根据其URL中的行列号及层级来进行显示。以下以国家天地图数据源为例。
（1）根据经纬度坐标计算瓦片行列号。按照ArcGIS地图瓦片的生产规则，根据范围换算出不同比例尺下的瓦片行列号范围[10]。行列号根据数据源的原点、地图比例尺、图片分辨率以及瓦片图片大小确定。
国家天地图数据源根据坐标计算行列号：
double n = Math.pow（2，zoom）;
int column_tile = （int）Math.floor（（lon + 180） / 360 * n）;
int row_tile = （int）（Math.floor（ （1 - Math.log（Math.tan（lat * Math.PI /180.0） + 1 / Math.cos（lat * Math.PI /180.0）） / Math.PI） / 2 * n））;
此处zoom指层级，lon指经度，lat指纬度。
（2）将瓦片下载到本地并按目錄组织。将层级与获取到的行列号按照天地图的url格式组织并进行瓦片下载，下载后在本地按层级/行/列进行存储（见图2）。
http：//{subDomain}.tianditu.com/DataServer？T=vec_c&x={col}&y={row}&l={level}
（3）加载瓦片时首先根据坐标计算行列号后查询本地是否有瓦片，有对应瓦片则加载本地数据，否则请求在线数据，以此来实现离在线地图的一体化无缝集成。
1.3模板定制与适配技术
由于管线样式及信息采集属性在各地均有差别，要实现在移动端进行属性采集必须做到模板适配，用户需在使用前制作对应模板，包括管点与管线字段及类型、枚举范围（字段的取值范围）、属性逻辑显示（如不同的附属设施需要用户采集不同的属性信息）、管线类型及颜色等模板。移动端在加载时需要根据不同的字段、管类、枚举范围等配置显示不同的属性信息与逻辑关系。
2 系统设计
2.1系统架构
本系统主要适用于测绘人员在野外作业使用，运行于Android系统手机或平板电脑终端上，结合卫星定位、空间分析、语音识别等技术为管线测绘人员在野外实现草图绘制与管线信息采集功能。系统主要由支持层、数据层、服务层以及表现层组成，如图3所示。
（1）支持层。由于Android系统的开源性及普适性，本系统设计运行于Android系统终端上。系统研发使用Android Studio进行开发，结合实际工作的需求，开发平台采用ArcGIS Runtime for Android平台。
（2）数据层。主要包括在野外使用的在线或离线的底图数据，以及信息采集产生的图形数据、属性数据与多媒体数据。
（3）服务层。主要为系统表现出提供接口服务，主要包括空间分析、数据查询、地理位置以及地图加载显示等服务，在表现层上直接调用对应接口实现业务功能。
（4）表现层。表现层直接展示给用户，与用户实现交互操作。主要包括工程管理、数据加载、要素编辑以及属性查询等辅助工具。
2.2系统功能设计
系统功能模块主要由工程管理、数据加载、要素编辑以及辅助工具等4个功能模块，如图4所示。
（1）工程管理。主要用来根据模板新建工程或对本机中的所有工程进行管理。系统会自动显示工程中的管线及附属物数量、工程的创建信息等，也便于后期对工作量的进一步统计。具体包括新建工程、切换工程、分享工程及删除工程操作。
（2）数据加载。主要用于加载在线或离线栅格底图以及加载本机中的矢量数据。系统支持天地图、ArcGIS地图等在线数据，支持tpk、vtpk、mmpk、tif、img、shp、geodatabase等多种离线栅格或矢量数据，系统支持对天地图、ArcGIS底图离线下载到本机以及无缝加载在线与离线底图数据。在矢量数据加载中，系统支持对矢量数据按字段组合进行自定义标注，用户可以对矢量数据进行自定义符号化。
（3）要素编辑。该功能为系统的主要业务操作，使用最频繁。用户选择地图位置与对应管类即可输入管线主要属性，系统实时对管线要素及附属物进行分类符号化表示，让用户感官更直接，同时降低了软件的使用技术门槛。系统提供属性继承、AI语音识别等功能来辅助用户实现更便捷的信息录入操作。系统支持线上加点、接已有点等多种复杂GIS操作，提供照片、音频、视频等多媒体信息的录入，扩展了外业属性的格式，极大地方便外业测绘人员操作。
（4）辅助工具。主要为测绘人员在野外提供空间量算、坐标定位、轨迹记录、地名搜索以及系统设置等辅助工具。系统为便于后期维护，支持异常日志记录功能，当系统属性异常时，研发人员直接查看本地的异常日志即可查找异常原因。
3 典型应用实例
本系统以成都市某地区地下管线探测项目为例进行野外数据采集应用。系统运行在Android6.0以上的手机或平板电脑终端上，完全代替传统通过纸质记录的方式，具体工作界面如图5所示。作业人员在现场实时绘制管线图并录入相关属性，导出成果即为数据库。作业人员在实际作业的过程中还进行了硬件集成方面的小创新，将手机通过腕带固定在手臂上，为野外作业带来极大的方便。经过实地管线数据采集验证了系统设计的合理性与工程化应用的可操作性。
4 结语
本文所涉及的管线智能数据采集系统采用分层架构，提高了系统数据加载与处理的能力，同时结合实际应用需求采用了语音识别、模板适配、底图离在线、属性继承等多种技术，更能符合一线作业人员的使用习惯，大大提高了软件的通用性。经过实际生产测试，相比较传统的在野外纸质记录信息、内业加班录入信息而言，本系统可以一键成库，日均减少作业人员内业加班时间2h以上，其生产效率与成果质量提升30%以上。
参考文献
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