基于GIS技术的内外业一体化水域调查建库系统的设计与开发

蒋晓敏，宋林刚，钟朝阳，方涯盼

（杭州中房信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

1 问题的提出

2005年的浙江省水域调查成果，为全省水域保护管理工作提供了重要基础。但是，随着技术的进步和需求的不断引导，2019 年5月1日起施行的《浙江省水域保护办法》（浙江省人民政府第375 号令）重新界定水域的范畴，对水域空间保护提出更高要求，原有成果已无法较好地满足当前的管理需求，迫切需要开展新一轮水域调查。新一轮的水域调查，目的是全面摸清浙江省水域基础信息和空间数据，厘清水域保护和岸线管控具体范围，建立全省统一的水域基础信息数据库，实现水域数据动态更新，满足水域保护规划、涉水审批、水利工程建设以及河湖水域“强监管”对水域基础信息的需求，为加强水域保护和高效管理奠定基础。

做好水域调查工作，水域调查数据库的建设是其中的核心环节。由于全省各地水域情况差异大，人员、技术力量参差不齐，现有掌握的资料和数据也不尽相同，因此采用传统的方法进行数据采集建库的作业模式不仅费时费力，而且数据成果质量难以控制[1]。因此，为提高水域调查数据库建设的工作效率和成果质量，保证水域调查成果的全面、准确、客观、现势，充分利用现有数据成果，按照《浙江省水域调查技术导则（修订版）》等相关技术要求，建设一套基于GIS技术的内外业一体化水域调查建库系统，为开展新时期的水域调查建库提供强有力的技术支持。

2 关键技术实现

2.1 移动GIS技术

国际上对移动GIS的定义为GIS、GPS、无线互联网一体化技术。当前无线互联网与移动智能终端相结合技术在人们生活和社会等方面应用非常广泛，GPS、移动智能终端等技术的出现并与GIS技术相结合，能够对GIS理论和技术有较大丰富，实现对GIS应用领域的拓展和完善。移动GIS能够应用在各移动终端，随着智能移动终端的快速发展和普及，目前大部分的移动终端具备GPS定位、移动通信、大容量存储、导航、高分辨率摄影、摄像与录音等智能功能[2]。因此，移动GIS在智能移动的应用，两者完美结合，为智能化的外业调查实现提供技术支持和设备基础，在实际应用中效果显著，在国土调查、水域调查等领域得以延伸性应用。

2.2 等高线插值技术

在水域调查建库过程中，在矢量化水库等闭合水域要素的临水线、水域面时，为降低矢量化难度、避免用户频繁交互，提高数据准确性，系统借助现有的等高线数据进行等高线插值自动生成水域面。等高线插值构面是指根据已知的等高线和指定高程，自动内插出一条与已知等高线相一致的闭合线并自动成面[3]。目前，等高线插值的方法有很多，诸如规则网格法、三角法、基于局部计算和决策的启发式算法、拆分等高线局部内插算法等。综合考虑建库精度要求、操作方便性和实际场景应用性，系统采用选中的2条等高线进行双向局部插值得到新的闭合线并自动构成面域。

图1为等高线插值示意图。图1中存在2条等高线PA和PB，等高线PA上的点用A1、A2、A3…表示，等高线PB上的点用B1、B2、B3…表示，首先遍历等高线PA上的每个点，分别以点A1、A2、A3…、An起点，向等高线PB做垂线得到线A1K1、A2K2、A3K3…、AnKn，该垂线距离也称为等高距。其次，遍历等高线PB上的每个点，分别以点B1、B2、B3…、Bn起点，向等高线PA做垂线得到线B1T1、B2T2、B3T3…、BnTn，最后自左向右遍历所有垂线，根据指定的高程G，在每条垂线上根据距离比计算出代表高程G的点，分别记为O1、O2、O3…、On，并按照顺序O1、O2、O3…、On连接成线即可。等高线一般都为首尾相连的封闭图形，因此最后内插形成的也为一条闭合线，再根据闭合线直接构成面。

图1 等高线插值示意图

此外，采用此种方法进行等高线内插构面，当等高线2点间距离过大时，内插结果的平滑度不足且结果误差较大。因此，系统在等高线插值算法中，当等高线2点间距离大于一定距离时，需进行点加密之后再采用上述算法进行插值。

3 系统架构设计

内外业一体化水域调查建库系统包含内业建库子系统和外业调查子系统，涉及图斑调查、图形编辑、外业实地调查、内外业数据传输、数据处理、成果导出等主要功能模块。考虑到系统的数据涉密性、系统可靠性以及可扩展性，综合水域调查的业务需求，系统采用C/S模式的分层架构设计，基于ArcObjects组件进行开发，主要划分为基础设施层、数据库层、组件层、应用层和用户层，系统总体架构见图2。

图2 系统架构设计图

（1）基础设施层：该层是系统建设的基础保障，主要包括软件设施和硬件设施，其中软件设施包括ArcGIS Desktop软件、Access数据库、SQLite数据库、Microsoft Office或者WPS；硬件设施包括计算机设备、用于存储数据的存储设备、用于外业调查的平板设备以及其他一些设备。

（2）数据库层：桌面端内业建库子系统采用个人空间数据库存储矢量数据，移动端外业调查数据库采用SQLite数据库进行存储需要外业调查的数据信息，外业调查的底图、照片、录音录像等材料则用文件存储数据库，存储、读取方便。

（3）组件层：系统开发采用多种组件，内业建库子系统采用DevExpress组件设计，空间数据的处理分析采用ArcObjects组件，统计报表、文档报告需依赖于Office或者WPS组件。移动端外业调查子系统采用ArcGIS Runtime SDK for Android组件。

（4）应用层：该层是系统面向用户的展现，对于内业建库人员，使用的是内业建库子系统，该系统采用C/S架构，基于ArcGIS二次开发；对于外业调查人员，使用是移动端外业调查子系统，采用MVC架构实现，满足外业调查的需求。

（5）用户层：该层是系统的服务对象，不同的服务对象通过不同方式访问系统应用层以进行数据的访问、编辑与分析等操作，主要包括内业建库作业人员和外调调查人员。

4 系统功能设计与实现

贯彻“已有内容细化、变化内容更新、新增内容补充”的总体思想和“内外业一体化、分层协作作业”的建库思路，秉持规范统一、便捷高效的原则进行内外业一体化水域调查建库系统的设计，实现调查建库的分工协作，提高建库效率，保证建库成果质量。

系统将内业建库和外业调查相结合，包括内业建库子系统和外业调查子系统，功能框架见图3。内业建库子系统主要实现对包括河道、湖泊、蓄滞洪区等7类调查对象的水域基础信息、水域空间信息和工程信息的图形采集与信息录入，外业调查子系统通过实时定位、实地拍照、录音录像、属性录入、图形编辑等功能实现对内业初建库的补充和验证。

图3 功能框架图

4.1 内业初建库

内业初建库（见图4）主要是根据现有的数据成果和遥感影像等数据，通过内业建库子系统进行数据处理、调查对象属性信息录入等操作，形成初始数据库。对于内业无法确定属性和边界的要素，开展外业调查工作。

图4 内业初建库流程图

（1）数据收集与导入。将用户收集到的数据，包括第三次国土调查数据、水库、河流、池塘等数据导入至系统数据库。

（2）水域调查。针对河道、湖泊、其他水域、人工水道、山塘、水库、蓄滞洪区、部分未分类的水域面数据以及类别为暗河、其他沟渠未分类的线性河道数据，根据调查列表，逐图斑遍历录入属性信息、编辑图形形状、未分类图形类别归属。水域面图斑列表处理完成后，根据水域面类别生成对于类型临水线，如将水域面层中类别为河道的图斑，提取图斑边界并转为线，用行政区数据切割，同时对属性赋值，成果生成至河道临水线层中。临水线生成完成后，根据设定的阈值，自动提取临水线的重要拐点作为临水线点，生成至对于类型的临水线点图层中。

（3）工程调查。根据数据类型分为工程线调查和工程点调查，针对水闸、泵站、拦水坝（堰）、码头、船闸、其他工程的工程数据，生成调查列表，逐条记录遍历进行图形编辑、属性编辑以及未分类图形类别归属。

（4）水面线调查。从第三次国土调查数据成果数据中提取水域相关地类数据提取至水面层，对提取的水域面进行分类和水域编码的自动赋值，根据处理结果生成调查列表，逐图斑遍历进行属性录入、图形编辑以及分类归属。水面图斑完成后，生成对应的水面线，并根据水面线类别逐条水面线进行属性和图形的编辑，最终生成河道、湖泊、其他水域、人工水道、山塘、水库、蓄滞洪区水面线。

（5）管理范围线调查。根据湖泊水域面、河道水域面、山塘水域面、水库水域面、其他水域面、人工水道水域面、蓄滞洪区水域面），设置一定缓冲距离生成相应类别管理范围线。遍历管理范围线列表，进行管理范围线的属性和图形编辑。

（6）临水线与临水线点调查。根据生成的临水线和临水线点生成调查列表，遍历进行临水线或者临水线点的图形与属性编辑。

（7）水域中心线调查。根据水域面自动生成水域中心线，形成水域中心线调查列表，逐要素遍历进行属性和图形信息的修改与完善。

4.2 外业调查

完成内业初建库后，将内业标记为外业调查的水域基础要素、水域空间要素和工程要素提取至外业调查图层，并导入至移动平板中进行实地调查，主要流程见图5。

图5 外业调查流程图

（1）数据准备。为提高外业调查子系统地图加载与浏览的速度，将遥感影像、第三次国土调查数据成果等数据进行切片处理。

（2）任务分组。根据该县的乡镇范围进行任务分组，支持多人同时作业，提取内业初始数据库过程中标记为外业调查的数据，生成外业调查数据库，连同切片数据一起推送至平板端。

（3）外业实地调查。平板端在最新卫星影像和GPS 辅助下进行外业实地调查，外业调查人员根据调查列表，逐要素通过实时定位、调查信息录入、图形采集或者边界修改，并通过拍照、录音录像记录证明材料，实时记录外业调查人员的轨迹、拍照点、拍照方位和角度，此调查方式改变了传统手工记录的外业调查方式，不仅提高调查效率、节约调查时间，更重要的是保障调查成果的真实性和准确性。

4.3 内业成果建库

外业调查完成后，将成果导回至内业建库子系统，根据外业调查成果进行数据库的补充、完善和处理，最终形成符合技术规范的数据库，图6为内业成果建库流程图。

图6 内业成果建库流程图

（1）外业调查成果导回至内业。将外业实地采集的照片、录音等多媒体证明材料导入内业建库子系统。

（2）完善数据库。根据外业成果完善数据库，遍历外业调查图斑列表，在其外业调查信息、照片、录音录像等辅助下，逐图斑进行图斑属性信息的补充完善以及图形边界的调整。

（3）数据处理。外业信息更新完成后，基于约束规则进行属性的批量预处理，包括根据空间关系叠加赋值、规则计算赋值[4]。为建库操作方便以及保证图层间的拓扑一致性，本系统对标准数据库的图层根据进行分类归纳，采用同种类型数据存放在同一个图层中进行操作，例如泵站、船闸、拦水坝、码头等点状工程要素都存放在工程点图层中并标记图斑类别，当建库完成后，再将工程点图层数据根据标记的类别进行分类。若一个县域是多个乡镇协同作业，还需进行各乡镇的数据库追加合并处理，最终建成以县级为单位的数据库。

（4）成果导出。按照《浙江省水域调查技术导则（修订版）》的数据库标准导出成果数据库。

5 结 语

水域调查建库是一项大工程，是细化第三次国土调查的重要内容之一，也是做好新时期水利工作“补短板、强监管、走前列”的重要基础保障。基于GIS技术的内外业一体化水域调查建库系统的建设，为水域调查内业建库和外业实地调查提供了极大的便利，将繁琐、枯燥的水域调查工作变得更简单、高效，从而创新了以往纯人力矢量化数据和图纸化外业调查的工作模式。此外，移动端外业调查设备可以通过蓝牙连接高精度GPS定位终端，实现亚米级定位，完成外业修补测工作，实地采集数据可以满足建库的精度要求。该系统在嘉兴、台州等市的水域调查工作中已成功应用，实践证明利用内外业一体化水域调查建库系统进行水域调查建库，在提高工作效率的同时，也能很好地保证数据成果的规范性和统一性，为后续开展水域调查提供强有力的技术支持与保障。