基于移动 GIS 的村庄规划调研系统的研究与设计论文

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　　摘 要：本文针对村庄规划调研活动的需求,分析了传统调研采集方式存在的采集设备多样,数据复杂,关联不紧密,后 续维护困难等问题。对调研采集的过程和特点进行了梳理分析,提出了以移动 GIS 为基础,结合 GPS,移动影音采集,离线分 析等技术的离线移动工作方案。对相关的技术进行了扩展,解决了定位优化,图形采集,动态表单定制,信息中文化等重点问 题。实现了集离线地图管理,移动分析辅助,信息采集,成果统计共享等功能为一体的移动系统。


　　【Abstract】：In response to the needs of village planning and survey activities, this paper analyzes the traditional survey and collection methods of diverse collection equipment, complex data, not closely related, and difficult follow-up maintenance. The research and collection process and characteristics were sorted out and analyzed, and an offline mobile work plan based on mobile GIS combined with GPS, mobile video and audio collection, offline analysis and other technologies was proposed. Relevant technologies have been expanded to solve key issues such as positioning optimization, graphics collection, dynamic form customization, and GIS information sinicization. A mobile system that integrates offline map management, mobile analysis assistance, information collection, and results statistics sharing is realized.

　　【Key words】： research information collection;mobile GIS;graphics collection;mobile office;form customization

　　随着我国经济和社会发展水平的提高,以及城市化 水平的快速发展,农村的经济社会和人口等状况都已发 生了较大变化。为实现“美丽乡村”的建设目标,必须 科学合理地进行村庄规划。村庄规划编制和实施都要求 掌握第一手的村庄现状调研信息。由于我国的村庄地理 空间和人文特征的多样性,需调查的内容多而杂。目前 现场踏勘的主要方式基本为一份纸质卫星图、一支笔、 一台手机的调研方式,将村庄基本信息手动标记在图纸 上。由于纸质卫星图表达不清晰,手动标记信息杂乱, 且调研后期二次整理调研数据的工作量庞大,导致当前 调研方式存在调研周期长、调研所需工具多、村民意愿 表达不充分、调研结果整理复杂等问题。此外,规划编 制也存在方案设计难推演、编制过程难留痕等技术困 境。村庄规划一经批准,必须严格执行。现实情况是村庄规划存在落地难和监管难两个方面的问题,大部分村 庄规划仍是“纸上画画,墙上挂挂”的情况,规划的实 施和监督环节薄弱,基层规划管理力量薄弱,未能体现 规划的严肃性和权威性。

　　1 系统分析与设计

　　1.1 规划调研现状分析

　　1.1.1 存在问题

　　传统的规划调研底图数据可以利用已有的人口、路 网、宅基地、基础设施等现状信息数据 ;也可以充分利 用卫星遥感,航空摄影测量等技术手段获取最新的地理 信息数据。调研手段一般是图上标记或纸上记录,利用 移动设备采集照片等信息。但是这些获取村庄现状信息 的方式可能存在一定的局限性 ：


　　(1)村庄现状情况可能发生了巨大变化,包括村庄

　　迁移、合并,空心化等,导致原有数据不能如实反应村 庄现状 ;对于人文类的数据,如居民人口,公共设施使 用情况,文化产业状况,防灾情况等必须实地调研才能 保证数据的现势性。

　　(2)随着移动互联网技术的发展和移动设备的普 及,传统的依靠纸质图定位,手动标记的作业方式已经 落伍。传统作业方式既依靠手机或 GPS 手持机进行拍 照取证或定位,又依赖图纸资料提供地理信息数据,所 需设备和图纸资料较杂乱,操作步骤复杂繁琐,技术门 槛较高,不便于推广使用。

　　(3)调研后期信息的整理汇总,需要结合调研人员 调研的地点,轨迹,时间等信息,以便于数据的关联和 整理,并且调研过程需要能在时间和空间上回溯,传统 作业方式无法满足这个需求。

　　(4)调研的底图数据来源多样,包含了遥感影像, 三调,土地利用等各类数据,这些数据的坐标体系,信 息的详细程度,标注类型等可能会存在不一致的问题。

　　(5)传统的现场调研方式使数据的采集步骤复杂 化,数据量较大,数据类型较繁杂,采集的结果数据可 能存在冗余和缺失等问题,这些导致了数据的管理困 难,关联度不高,数据查询、调取和预览较为不便。

　　为了解决这些问题,有必要设计一套村庄规划调研 信息采集系统,实现采集功能的全集成和采集工作简便 化,实现现场采集数据的关联性,实时性,以及后续维 护管理的便利性 [1]。

　　1.1.2 调研的需求

　　在现场调研的前期阶段主要是底图数据的制作和采 集标准的制定。如行政边界数据、三调数据、影像地图 数据等调研所需底图 ;统一坐标体系、标注符号,制定 采集内容等确保编制数据和标准一致。在中期现场踏勘 阶段,主要是在前期数据和标准基础上,采集现场调研 信息,如要素空间信息,属性信息,现场影音资料和问 卷记录等,并按采集标准进行标注,记录留痕。在后期 阶段主要是对调研数据进行分析,并完成成果输出。针 对前述问题进行分析和梳理,并结合现场调研的实际需 求,确定了数据调研采集的业务需求 ：

　　(1)定位目标 ：充分利用移动 GIS 技术和 GPS 技 术,实现快速定位,查找调研目标。根据相关的图层信 息,寻找可以利用的路网等数据,到达调研目标位置。

　　(2)数据分析 ：系统可使用通用的 GIS 数据,如 ArcGIS 的切片数据,geodatabase 矢量数据,Shp 数 据等。以降低数据使用的成本,避免异源数据转换的时 间消耗。采用地图数据的叠加分析,本地数据库查询统计等方式获取相关的要素信息 ;调阅本机的法律法规, 技术规范等文档信息确定地物的规划参考等信息 ;通过 现场询问或发放调研问卷二维码给相关人员以获取现场 调研信息。

　　(3) 数据调研采集 ：在确定现场要素信息后, 可以 根据现场情况在地图上标注点、线、面等要素,并根据 实际地物特点对要素进行符号化。将地物相关的信息录 入移动设备,采集录音、录像、照片等辅助信息 ;系统 功能应简单实用,必要的功能和数据不应该有太多的功 能层级 [2] ;同时, 也可通过扫描二维码实现电子宣传, 问卷调查等方式调动村民的参与热情。

　　(4)数据统计 ：每次采集都需要实时记录轨迹信 息,通过轨迹关联采集点,并生成采集日志信息,以便 于有据可查。采集完成后,会分类统计采集的点、线、 面要素所包含的类别数据,并记录到日志信息之中。

　　(5) 数据交换 ：完成任务以后, 可以打包并导出数 据。数据包括点、线、面采集数据,现场调研属性信 息,录音、录像、照片等辅助信息。建立每个点、线、 面要素和轨迹信息,现场记录等信息的关联。数据以通 用的 GeoJSON 为交换格式 [3],可以在 PC 端和服务器 端进行还原,以实现数据入库和管理功能。

　　1.2 方案研究与设计

　　1.2.1 技术设计

　　针对上述需求,以移动智能设备为载体, 结合移动 GIS 技术的特点,充分利用 LBS,移动办公等技术,构 建了村庄规划调研系统的技术体系。

　　(1) 移动 GIS。移动 GIS (Mobile GIS) 是以移动 互联网为支撑、以智能手机或平板电脑为终端、结合 GNSS 或基站为定位手段的 GIS 系统。移动 GIS 具有 导航定位,移动数据采集,移动办公以及数据传输的功 能。移动 GIS 最大的优势就是其摆脱了有线网络和 PC 桌面端的限制,通过无线网络与服务器进行信息交互, 是桌面 GIS 系统应用的扩展。但是其有限的带宽和计算 能力,对空间位置的依赖性,服务的实时性等缺陷限制 了其功能与性能的进一步发展。鉴于此,可以采用空间 数据去除冗余要素,要素属性结构简化, offline 的离 线 GIS 模式以及优化 GNSS 和基站定位的方式解决上 述问题 [4]。

　　(2) LBS 技术。基于位置的服务(Location Based Services, LBS),是利用各类型的定位技术来获取定位 设备当前的所在位置,通过移动互联网向定位设备提供 信息资源和基础服务。其特点包括 ：覆盖范围广,定位 精度高,操作简便,应用广泛等。但是其服务的提供依赖于移动网络的覆盖,并且在移动互联网环境下可能存 在隐私泄露的问题。鉴于此,可以在移动网络覆盖较好 的区域采用 LBS 提供综合定位服务,在网络状况较差 和不适合使用网络的区域切换到 GPS 定位。

　　(3) 移动办公。移动办公也可称为“3A 办公”,也叫 移动 OA, 即办公人员可在任何时间(Anytime)、任何地点 (Anywhere) 处理与业务相关的任何事情(Anything)。其 特点是随时随地办公,使用方便,高效快捷 ;随着智能 终端的技术发展,其功能也越来越强大 ;其功能较为灵 活先进,针对不同行业领域的业务需求,可以对移动办 公进行专业的定制开发。

　　1.2.2 系统架构设计

　　ArcGIS 是目前最通用的 GIS 平台,其移动 SDK 支 持主流的移动端平台,较好的支持离线数据,数据能跨 平台共享,能满足信息采集系统对 GIS 功能的需求 [5]。 针对上述特点,以 IOS 和 Android 移动平台为基础,结 合 ArcGIS 的 IOS 和 Android 移动端 SDK, 进行了系 统的功能和技术设计 [6]。

　　系统总体架构如图 1 所示,可从上到下可分为 5 个 层次 [7] ：

　　(1) 应用层 ：包括系统可以使用的功能,这些功能 的实现需要调用业务层的各种业务接口实现相应的功能。

　　(2) 业务层 ：该层调用服务层进行逻辑组合, 以完 成各类业务,如轨迹记录,查询分析,信息采集,日志 统计等业务 ;

　　(3) 服务层 ：该层以移动支撑层为基础,调用数据 层的各类数据,完成数据转换,调用,持久化,修改, 编辑等服务。

　　(4) 数据层 ：该层包含了系统所需的各类数据, 包 括 GIS 数据,文档数据,IO 数据,缓存数据等。

　　(5) 支撑层 ：该层是整个系统的支撑基础, 包括了 软硬件环境,提供了整个系统运行的基础。

　　2 系统实现

　　2.1 功能实现

　　2.1.1 离线地图功能

　　离线地图文件采用 tpk 切片包,geodatabase 数据 包, shp 文件三种格式。tpk 切片包文件加载速度快, 显示效果好,但是不包含属性信息,且切片包体积较大, 因此可以作为影像底图。geodatabase 数据包包括属性 信息,作为普通图层可以用于显示,查询分析等。shp 图层文件加载时需要实时渲染,较为繁琐,所以该文件 被用作属性查询分析的辅助图层 [8]。

　　离线地图文件制作前先进行脱密处理,去除敏感地 物、属性和标注等信息,对地图坐标进行偏移加密处 理,然后再生成离线文件数据包 [9]。

　　离线地图文件按村庄分组,每个村庄地图数据包括 村庄底图,现状图层,规划图层,基础图层等。用户可 以选择相应的村庄进行调研,村庄切换后自动加载该村 庄底图并居中显示,图层树自动加载该村庄的所有图层 数据。

　　2.1.2 分析辅助功能

　　离线图层基于 GeodatabaseFeatureTable 类进行 查询分析,可进行字段和几何要素查询。考虑到系统维 护升级等原因,将图上选择查询,关键字查询,图层分 析等功能统一用 GeodatabaseFeatureTable 进行功能 封装,通过异步回调方式返回处理结果。从回调中获取 Feature 对象,然后根据需求进行渲染显示,或显示查 询分析结果 [10]。


　　系统集成 pdf 文档浏览功能, 所有 pdf 文档按类别 组织管理,用户可以调阅规划文档和法律法规资料,以 便对现场要素信息进行判断。

　　2.1.3 信息采集功能

　　通过 GPS 定位或图上查询的方式定位相关地物, 通过建立点、线、面等 Geometry 对象进行标注,并通过 Symbol 对象对标注进行符号化。现状和规划点、 线、面等地物信息都有对应的采集信息类型,信息判读 采用三种方式 ：①通过离线查询分析功能和文档浏览功 能对现场要素信息进行判读并填报 ;②系统集成问卷调 查二维码,调研对象扫码可以打开调查问卷,通过问卷 的方式可以采集更多相关信息。③通过现场判断和现场 询问方式判断实地信息,采集照片视频信息并现场填写 相关表单。

　　2.1.4 成果展示分析功能

　　所有的调研采集都必须记录调研轨迹,通过启动 GPS 并记录坐标点和坐标采集时间来形成轨迹。在系统 内部形成了村庄信息,轨迹记录,调研记录,调研采集 信息,图形信息,照片视频材料相关联的调研数据,形 成有效的数据管理体系和调研活动回溯机制 [11]。每条 轨迹信息可以有多次调研采集记录,所有的轨迹都可以 在离线地图中显示预览,并能综合统计出采集成果报 表。信息数据的 ER 图 (Entity Relationship Diagram 实体 - 联系图 ) 如图 2 所示。


　　2.2 关键技术

　　2.2.1 GPS 定位优化

　　由于离线底图的坐标是数据提供方经过加密加偏 处理的,而 GPS 数据的原始坐标系是 WGS84 坐标系, 在外业要素采集和 GPS 定位的时, GPS 原始数据是不 能直接在底图上叠加显示的,必须要进行校正处理。考 虑到坐标转换的成本和现实情况制约,可以将 GPS 数 据直接在 WGS84 坐标系下进行投影转换,转换后的坐 标加上改正量(该改正量是在本区域内, WGS84 投影 坐标与离线地图投影坐标的差值), 再加上离线地图的 偏移量近视而成 [12],其坐标处理流程如图 3 所示。

　　如果实地测试发现 GPS 定位坐标误差较大时,也 可以采用系统集成的坐标校正功能,直接将 GPS 定位 标注拖动到图上真实地物位置,系统会自动计算改正值。由于地图覆盖范围以村庄为单位,坐标误差在可接 受范围之内,一般不超过 10m。

　　2.2.2 图形符号化

　　调研采集的图形数据需要同步到空间数据库,以便 能在 PC 端共享和管理, 所以基于兼容性考虑, 图形数 据以 GeoJson 的格式进行交换。图形符号基于 ArcGIS 的符号系统进行定制,将定制的符号按特征规则转换为 JSON 格式文件,在移动端基于该文件符号特征进行图 形符号化渲染,图形符号对象以JSON 格式进行存储交 换 [13]。数据同步到空间数据库时,再将 GeoJson 图形 和 JSON 符号还原为 Geometry 对象。这样实现了移动 端图形符号与 PC 端的图形符号的统一。

　　2.2.3 可定制表单

　　调研采集的信息内容与采集的点、线、面相关联, 同时也与现状、规划信息类型相关联,每一类表单内容 各不相同,如果采用移动端传统的原生表单方式定制采 集表将会是非常繁琐的工作,且采集内容变化,系统也 要进行修改,系统维护工作也会非常复杂。因此,系统 设计了表单可定制功能,只需要将按照格式设计的表单 配置文件导入移动端,系统会自动加载表单并动态渲染 表单内容。如果表单有变化,只需将修改后的表单配置 文件重新导入移动端即可, 无需修改系统代码 [14]。配 置文件是由若干个格式一致的节点组成,每个节点表示表单中的一个交互控件行,其动态表单配 置信息如图 4 所示,节点配置内容如表 1 所示。

　　2.2.4 图形信息中文化

　　由于 SDK 限制,在 PC 端设置好的包含中文字段 和属性信息的图层制作成离线数据之后,在移动端加 载后相关信息会显示为乱码,极大影响了功能的正常使 用。基于此,在制作离线地图时,图层全部采用英文字 段,为每个需要展示信息的图层设计了配置文件。配置 文件包含需要显示的字段,需要显示的英文字段和其对 应的中文字段。移动端在显示图层信息时,根据配置文 件显示相应的字段,并将英文字段替换为所对应的中文 字段 [15]。考虑到每个图层可以单独配置且不影响其他 图层,采用了图层对应图层配置文件的形式。采用此种 转换文本的方式响应速度较快,文本信息加载显示几乎 在 100 ~ 500ms 之内完成。

　　3 系统应用

　　移动端以离线工作模式为基础,支持多用户使用 ; 用户可一键切换村庄,村庄的底图会自动加载,图层也 会自动切换到村庄相关的图层数据并分组 ;用户可对村 庄地图进行基本地图操作,如设置透明度、叠加、隐藏等,并对地图上目标进行查询分析,如图 5 所示。


　　查阅相关文档进行现场要素信息辅助判断 ;启动 GPS 功能记录调研的轨迹,并实现轨迹的回放和调研信 息查看 ;在现场可采集地物的点、线、面等信息(如图 6 所示),并记录地物要素的属性信息,可通过发放问 卷调查的二维码采集相关信息,并对采集的图形数据符 号化、辅助采集照片视频等信息(如图 7 所示),最后 形成调研结果。

　　系统采集的信息可以按轨迹汇总,系统能分析统计 所有调研结果的时长、路程、现状和规划等信息并形成 报表结果,如图 8 所示。

　　4 结语

　　本系统以基于 ArcGIS 的移动 GIS 技术为基础,优化了 GPS 定位功能,扩展了动态表单加载和中文字段 显示等功能,实现了离线模式下的村庄规划调研信息采 集功能。系统运行稳定,使用简便,基本满足外业调研信 息采集工作需求。下一步,系统需进一步汇总相关数据, 建立空间数据库并对村庄规划相关信息进行深度挖掘。


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