基于GIS技術的內外業一體化水域調查建庫系統的設計與開發

蔣曉敏，宋林剛，鐘朝陽，方涯盼

（杭州中房信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

1 問題的提出

2005年的浙江省水域調查成果，為全省水域保護管理工作提供了重要基礎。但是，隨著技術的進步和需求的不斷引導，2019 年5月1日起施行的《浙江省水域保護辦法》（浙江省人民政府第375 號令）重新界定水域的范疇，對水域空間保護提出更高要求，原有成果已無法較好地滿足當前的管理需求，迫切需要開展新一輪水域調查。新一輪的水域調查，目的是全面摸清浙江省水域基礎信息和空間數據，厘清水域保護和岸線管控具體范圍，建立全省統一的水域基礎信息數據庫，實現水域數據動態更新，滿足水域保護規劃、涉水審批、水利工程建設以及河湖水域“強監管”對水域基礎信息的需求，為加強水域保護和高效管理奠定基礎。

做好水域調查工作，水域調查數據庫的建設是其中的核心環節。由于全省各地水域情況差異大，人員、技術力量參差不齊，現有掌握的資料和數據也不盡相同，因此采用傳統的方法進行數據采集建庫的作業模式不僅費時費力，而且數據成果質量難以控制[1]。因此，為提高水域調查數據庫建設的工作效率和成果質量，保證水域調查成果的全面、準確、客觀、現勢，充分利用現有數據成果，按照《浙江省水域調查技術導則（修訂版）》等相關技術要求，建設一套基于GIS技術的內外業一體化水域調查建庫系統，為開展新時期的水域調查建庫提供強有力的技術支持。

2 關鍵技術實現

2.1 移動GIS技術

國際上對移動GIS的定義為GIS、GPS、無線互聯網一體化技術。當前無線互聯網與移動智能終端相結合技術在人們生活和社會等方面應用非常廣泛，GPS、移動智能終端等技術的出現并與GIS技術相結合，能夠對GIS理論和技術有較大豐富，實現對GIS應用領域的拓展和完善。移動GIS能夠應用在各移動終端，隨著智能移動終端的快速發展和普及，目前大部分的移動終端具備GPS定位、移動通信、大容量存儲、導航、高分辨率攝影、攝像與錄音等智能功能[2]。因此，移動GIS在智能移動的應用，兩者完美結合，為智能化的外業調查實現提供技術支持和設備基礎，在實際應用中效果顯著，在國土調查、水域調查等領域得以延伸性應用。

2.2 等高線插值技術

在水域調查建庫過程中，在矢量化水庫等閉合水域要素的臨水線、水域面時，為降低矢量化難度、避免用戶頻繁交互，提高數據準確性，系統借助現有的等高線數據進行等高線插值自動生成水域面。等高線插值構面是指根據已知的等高線和指定高程，自動內插出一條與已知等高線相一致的閉合線并自動成面[3]。目前，等高線插值的方法有很多，諸如規則網格法、三角法、基于局部計算和決策的啟發式算法、拆分等高線局部內插算法等。綜合考慮建庫精度要求、操作方便性和實際場景應用性，系統采用選中的2條等高線進行雙向局部插值得到新的閉合線并自動構成面域。

圖1為等高線插值示意圖。圖1中存在2條等高線PA和PB，等高線PA上的點用A1、A2、A3…表示，等高線PB上的點用B1、B2、B3…表示，首先遍歷等高線PA上的每個點，分別以點A1、A2、A3…、An起點，向等高線PB做垂線得到線A1K1、A2K2、A3K3…、AnKn，該垂線距離也稱為等高距。其次，遍歷等高線PB上的每個點，分別以點B1、B2、B3…、Bn起點，向等高線PA做垂線得到線B1T1、B2T2、B3T3…、BnTn，最后自左向右遍歷所有垂線，根據指定的高程G，在每條垂線上根據距離比計算出代表高程G的點，分別記為O1、O2、O3…、On，并按照順序O1、O2、O3…、On連接成線即可。等高線一般都為首尾相連的封閉圖形，因此最后內插形成的也為一條閉合線，再根據閉合線直接構成面。

圖1 等高線插值示意圖

此外，采用此種方法進行等高線內插構面，當等高線2點間距離過大時，內插結果的平滑度不足且結果誤差較大。因此，系統在等高線插值算法中，當等高線2點間距離大于一定距離時，需進行點加密之后再采用上述算法進行插值。

3 系統架構設計

內外業一體化水域調查建庫系統包含內業建庫子系統和外業調查子系統，涉及圖斑調查、圖形編輯、外業實地調查、內外業數據傳輸、數據處理、成果導出等主要功能模塊?？紤]到系統的數據涉密性、系統可靠性以及可擴展性，綜合水域調查的業務需求，系統采用C/S模式的分層架構設計，基于ArcObjects組件進行開發，主要劃分為基礎設施層、數據庫層、組件層、應用層和用戶層，系統總體架構見圖2。

圖2 系統架構設計圖

（1）基礎設施層：該層是系統建設的基礎保障，主要包括軟件設施和硬件設施，其中軟件設施包括ArcGIS Desktop軟件、Access數據庫、SQLite數據庫、Microsoft Office或者WPS；硬件設施包括計算機設備、用于存儲數據的存儲設備、用于外業調查的平板設備以及其他一些設備。

（2）數據庫層：桌面端內業建庫子系統采用個人空間數據庫存儲矢量數據，移動端外業調查數據庫采用SQLite數據庫進行存儲需要外業調查的數據信息，外業調查的底圖、照片、錄音錄像等材料則用文件存儲數據庫，存儲、讀取方便。

（3）組件層：系統開發采用多種組件，內業建庫子系統采用DevExpress組件設計，空間數據的處理分析采用ArcObjects組件，統計報表、文檔報告需依賴于Office或者WPS組件。移動端外業調查子系統采用ArcGIS Runtime SDK for Android組件。

（4）應用層：該層是系統面向用戶的展現，對于內業建庫人員，使用的是內業建庫子系統，該系統采用C/S架構，基于ArcGIS二次開發；對于外業調查人員，使用是移動端外業調查子系統，采用MVC架構實現，滿足外業調查的需求。

（5）用戶層：該層是系統的服務對象，不同的服務對象通過不同方式訪問系統應用層以進行數據的訪問、編輯與分析等操作，主要包括內業建庫作業人員和外調調查人員。

4 系統功能設計與實現

貫徹“已有內容細化、變化內容更新、新增內容補充”的總體思想和“內外業一體化、分層協作作業”的建庫思路，秉持規范統一、便捷高效的原則進行內外業一體化水域調查建庫系統的設計，實現調查建庫的分工協作，提高建庫效率，保證建庫成果質量。

系統將內業建庫和外業調查相結合，包括內業建庫子系統和外業調查子系統，功能框架見圖3。內業建庫子系統主要實現對包括河道、湖泊、蓄滯洪區等7類調查對象的水域基礎信息、水域空間信息和工程信息的圖形采集與信息錄入，外業調查子系統通過實時定位、實地拍照、錄音錄像、屬性錄入、圖形編輯等功能實現對內業初建庫的補充和驗證。

圖3 功能框架圖

4.1 內業初建庫

內業初建庫（見圖4）主要是根據現有的數據成果和遙感影像等數據，通過內業建庫子系統進行數據處理、調查對象屬性信息錄入等操作，形成初始數據庫。對于內業無法確定屬性和邊界的要素，開展外業調查工作。

圖4 內業初建庫流程圖

（1）數據收集與導入。將用戶收集到的數據，包括第三次國土調查數據、水庫、河流、池塘等數據導入至系統數據庫。

（2）水域調查。針對河道、湖泊、其他水域、人工水道、山塘、水庫、蓄滯洪區、部分未分類的水域面數據以及類別為暗河、其他溝渠未分類的線性河道數據，根據調查列表，逐圖斑遍歷錄入屬性信息、編輯圖形形狀、未分類圖形類別歸屬。水域面圖斑列表處理完成后，根據水域面類別生成對于類型臨水線，如將水域面層中類別為河道的圖斑，提取圖斑邊界并轉為線，用行政區數據切割，同時對屬性賦值，成果生成至河道臨水線層中。臨水線生成完成后，根據設定的閾值，自動提取臨水線的重要拐點作為臨水線點，生成至對于類型的臨水線點圖層中。

（3）工程調查。根據數據類型分為工程線調查和工程點調查，針對水閘、泵站、攔水壩（堰）、碼頭、船閘、其他工程的工程數據，生成調查列表，逐條記錄遍歷進行圖形編輯、屬性編輯以及未分類圖形類別歸屬。

（4）水面線調查。從第三次國土調查數據成果數據中提取水域相關地類數據提取至水面層，對提取的水域面進行分類和水域編碼的自動賦值，根據處理結果生成調查列表，逐圖斑遍歷進行屬性錄入、圖形編輯以及分類歸屬。水面圖斑完成后，生成對應的水面線，并根據水面線類別逐條水面線進行屬性和圖形的編輯，最終生成河道、湖泊、其他水域、人工水道、山塘、水庫、蓄滯洪區水面線。

（5）管理范圍線調查。根據湖泊水域面、河道水域面、山塘水域面、水庫水域面、其他水域面、人工水道水域面、蓄滯洪區水域面），設置一定緩沖距離生成相應類別管理范圍線。遍歷管理范圍線列表，進行管理范圍線的屬性和圖形編輯。

（6）臨水線與臨水線點調查。根據生成的臨水線和臨水線點生成調查列表，遍歷進行臨水線或者臨水線點的圖形與屬性編輯。

（7）水域中心線調查。根據水域面自動生成水域中心線，形成水域中心線調查列表，逐要素遍歷進行屬性和圖形信息的修改與完善。

4.2 外業調查

完成內業初建庫后，將內業標記為外業調查的水域基礎要素、水域空間要素和工程要素提取至外業調查圖層，并導入至移動平板中進行實地調查，主要流程見圖5。

圖5 外業調查流程圖

（1）數據準備。為提高外業調查子系統地圖加載與瀏覽的速度，將遙感影像、第三次國土調查數據成果等數據進行切片處理。

（2）任務分組。根據該縣的鄉鎮范圍進行任務分組，支持多人同時作業，提取內業初始數據庫過程中標記為外業調查的數據，生成外業調查數據庫，連同切片數據一起推送至平板端。

（3）外業實地調查。平板端在最新衛星影像和GPS 輔助下進行外業實地調查，外業調查人員根據調查列表，逐要素通過實時定位、調查信息錄入、圖形采集或者邊界修改，并通過拍照、錄音錄像記錄證明材料，實時記錄外業調查人員的軌跡、拍照點、拍照方位和角度，此調查方式改變了傳統手工記錄的外業調查方式，不僅提高調查效率、節約調查時間，更重要的是保障調查成果的真實性和準確性。

4.3 內業成果建庫

外業調查完成后，將成果導回至內業建庫子系統，根據外業調查成果進行數據庫的補充、完善和處理，最終形成符合技術規范的數據庫，圖6為內業成果建庫流程圖。

圖6 內業成果建庫流程圖

（1）外業調查成果導回至內業。將外業實地采集的照片、錄音等多媒體證明材料導入內業建庫子系統。

（2）完善數據庫。根據外業成果完善數據庫，遍歷外業調查圖斑列表，在其外業調查信息、照片、錄音錄像等輔助下，逐圖斑進行圖斑屬性信息的補充完善以及圖形邊界的調整。

（3）數據處理。外業信息更新完成后，基于約束規則進行屬性的批量預處理，包括根據空間關系疊加賦值、規則計算賦值[4]。為建庫操作方便以及保證圖層間的拓撲一致性，本系統對標準數據庫的圖層根據進行分類歸納，采用同種類型數據存放在同一個圖層中進行操作，例如泵站、船閘、攔水壩、碼頭等點狀工程要素都存放在工程點圖層中并標記圖斑類別，當建庫完成后，再將工程點圖層數據根據標記的類別進行分類。若一個縣域是多個鄉鎮協同作業，還需進行各鄉鎮的數據庫追加合并處理，最終建成以縣級為單位的數據庫。

（4）成果導出。按照《浙江省水域調查技術導則（修訂版）》的數據庫標準導出成果數據庫。

5 結 語

水域調查建庫是一項大工程，是細化第三次國土調查的重要內容之一，也是做好新時期水利工作“補短板、強監管、走前列”的重要基礎保障?；贕IS技術的內外業一體化水域調查建庫系統的建設，為水域調查內業建庫和外業實地調查提供了極大的便利，將繁瑣、枯燥的水域調查工作變得更簡單、高效，從而創新了以往純人力矢量化數據和圖紙化外業調查的工作模式。此外，移動端外業調查設備可以通過藍牙連接高精度GPS定位終端，實現亞米級定位，完成外業修補測工作，實地采集數據可以滿足建庫的精度要求。該系統在嘉興、臺州等市的水域調查工作中已成功應用，實踐證明利用內外業一體化水域調查建庫系統進行水域調查建庫，在提高工作效率的同時，也能很好地保證數據成果的規范性和統一性，為后續開展水域調查提供強有力的技術支持與保障。