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上海地理国情外业调查系统研究

Abstract: Aiming at the demands of the first national Geographic Conditions Census, referencing relating technological regulations, this paper analyses and concludes the software Demands and settings of Geographic Conditions Fieldwork In...

作者:曹成敏来源:2014测绘学会|2014年12月29日

Abstract: Aiming at the demands of the first national Geographic Conditions Census, referencing relating technological regulations, this paper analyses and concludes the software Demands and settings of Geographic Conditions Fieldwork Investigation System.

Keywords: Geographic Conditions Census; Fieldwork Investigation; Demand Analysis

 

1 前言

地理国情外业调查系统主要用于第一次全国地理国情普查中的外业调查工作,功能包括外业调查时底图的展示、遥感影像解译样本照片的拍摄、影像实例的截取、元数据库的建立和相关属性信息的自动获取等内容。该系统应当在满足国家相关规范要求的基础上实现且不局限于上述功能,并考虑野外作业的特点需求,最大限度做到便捷、精确、高效、稳定。

2 系统需求分析

2.1系统基本目标

该软件系统主要针对地理国情普查外业调查工作内容,需要按规范标准完成外业调查作业基本内容,能够满足外业过程中可能遇到如属性调整、边界更改、问题记录等需求,并能够运行于便携式平板电脑或者嵌入式设备上。

上海地区各类测绘成果数据丰富,更新周期短,现势性强,外业作业底图拟采用数字底图形式。因此,软件需要有加载、操作大量数据的能力。此外,外业调查作为地理国情普查前期数据处理的重要环节之一(图1),该软件的输入输出数据格式需要与相关环节其他软件能够衔接匹配,尽量避免多次的数据格式转换。

 

1外业调查环节示意图

2.2 系统功能概述

外业调查系统需要包含以下几方面的功能:

1、底图展示功能。

需要能够同时展示航空数字正射影像、地表覆盖分类数据和地理国情要素数据,能够根据需要标注相关属性信息并能根据设定的符号库对底图进行符号化。

2、空间数据及属性数据现场核查功能。

系统应当提供修改地表覆盖和地理要素空间及属性信息的功能,外业调查时能根据需要在底图上进行标注和涂鸦,方便内业整理时正确修改属性信息。

3、遥感影像解译样本数据采集功能。

主要包括样本点的照片拍摄与影像实例裁切,同时能够获取样本拍摄点的GPS位置信息以及照片和影像实例的相关参数。

4、元数据及轨迹记录功能。

能够实时记录并保存外业轨迹数据,并能够按照规范记录相关外业元数据信息。

图2展示了外业作业流程中各个功能组件之间的相互关系:

 

2 外业调查流程图

2.3 一般设计约束

2.3.1 硬件约束

1)该系统必须运行在拥有支持EXIF相片格式并能清晰反应拍摄实体及其周围环境的摄像装置的设备上,摄像头像素以200万至1000万为宜。

2)设备必须配备GPS定位模块,位置定位精度控制在15m以内。

3)设备必须支持USB数据传输,并拥有较大的数据存储空间以存放大体量底图数据。设备内存应当满足展示航空数字正射影像图的要求。

2.3.2 平台需求

该软件应当至少适用于主流的平板电脑所使用的平台系统,包括ios、安卓、windows平台。

2.3.3 接口要求

系统应当包括GPS定位模块的接口和常用类型数据库的读取、存储、操作接口。

2.4 主体功能需求

2.4.1 外业调查底图展示功能

1、矢量数据展示功能

外业调查过程中所涉及到的矢量数据主要包括地表分类覆盖数据、地理国情要素数据、遥感影像解译样本点点位数据和轨迹元数据。

1)符号化

该系统应当能够为点状要素采用不用符号配置,线状要素采用不同颜色和线型进行配置,面状要素采用注记标注的方式展示。该系统中应当包含符合《地理国情普查底图制作技术规定》中附录所规定的,或是根据国家标准图式规范自行制作的符号库。

2)实时数据展示

对于作业过程中已经完成的样本点以及轨迹信息应当能够根据需要以清晰明确的方式展示在图面上,方便作业人员复看确认。

3)数据与图层

该软件应当支持图层开关与显示顺序操作,并能够根据需要加载导入数据库以外的其他辅助数据。

2、栅格数据展示功能

外业调查过程中涉及的栅格数据即为高分辨率的航空数字正射影像数据。

1)数据金字塔

系统需要能够在加载影像数据时建立影像金字塔,并支持根据金字塔优化影像展示交互效果,以提高用户拖动、缩放底图的显示效率。

3、其他底图功能

1)外业调查信息与标注

内业对于地表覆盖分类数据的地物类型以及地理国情要素数据的地物位置、形状、属性等有疑问时以及外业调查记录均可放入外业调查图层。该图层可以有多种表现形式,按照矢量数据图层表达,包括面层、线层、点层,也可以按照涂鸦的形式表达等,只要能满足外业调查和内业编辑与整理的需求即可。

此外,除了根据标准将地理国情信息分类码(CC)与生产标记信息(TAG)以醒目的形式标注到底图上,还应当能够根据需要自行选择属性字段进行标注。

2)坐标系统定制

按照国家标准,数字普查底图应当采用国家2000大地坐标系,但由于上海的测绘成果采用上海平面坐标系统,需要软件有定制坐标参数的功能,避免内业整理时进行多次坐标和投影转换。

2.4.2遥感影像样本数据采集功能

遥感影像样本数据采集应当是该系统最为核心的功能之一。根据《遥感影像解译样本数据规定》的要求,遥感影像解译样本数据主要由样本点地面照片、遥感影像实例和关系型数据库组成。

1、地面照片采集功能

1)样本拍摄

要求系统能够快速调用设备中的照相模块进行样本点拍摄,照片存储的命名应当符合《遥感影像解译样本数据技术规定》的要求。

2)属性记录与浏览修改

照片需要记录的属性信息应能够及时记录,并能够以便捷的形式浏览查看,并提供修改功能以防属性信息不全或者出错时,作业人员能够手动修改。照片数据属性存储格式应符合《遥感影像解译样本数据技术规定》的要求。

2、遥感影像实例裁切功能

1)影像实例裁切

要求系统提供以样本点为中心,截取511*511或者1023*1023像素的影像实例功能,采样点单独影像截取时应当提供可选择尺寸的截取框,方便作业员选取、确认正确的截取范围。内业整理时,提供批量遥感影像实例截取功能,以提高样本库建立的效率。

2)属性记录与浏览修改

与地面照片相同,影像实例的属性信息也需要提供提取、保存、浏览、修改的功能。影像实例元数据属性存储格式应符合《遥感影像解译样本数据技术规定》的要求。

3、定位相关功能

1)坐标定位与转换

采样点属性数据中有大量和当前设备的坐标点位有关,要求软件能够实时获得设备的GPS定位信息。由于一般通用的GPS设备模块中所采用的都是WGS84坐标系统,因此软件要求能够实现WGS84坐标系与底图坐标系(一般为国家2000大地坐标系)自动转换的功能。

2)轨迹信息保存

要求软件能让用户选择按距离或是时间保存GPS定位坐标轨迹,能以通用坐标串形式统一保存、导出,并能够在底图上展示。

2.4.3 地表覆盖与地理要素核查功能

除了遥感影像样本解译数据采集以外,外业调查中还包括了地表覆盖分类调查、地理国情要素调查和对新增或变化图斑、要素的补测补调。这要求系统能够提供相关实体的属性信息浏览并能够在外业核查时进行必要的属性查询、批注和修改。

2.4.4 数据管理功能

1、数据加载与保存

该软件应当能够加载常用的影像数据格式,如tif、img、jpg、ecw等;应能加载常用的mdb数据库以及其中存放的shp形式的矢量数据。

要求该软件能够以符合国家规定的形式命名文件、元数据表,并按要求组织关系数据表、存储属性信息、存放文件。数据成果主要包括样本数据库、地面照片和影像实例截图、原始轨迹数据,要求都能够以通用格式导出,与后续任务使用的软件做好衔接。

2、数学基础核查

软件应当判断所加载的正射影像图与矢量数据的投影、平面坐标系是否一致,照片以及GPS定位数据是否为WGS84坐标,如果不符合要求,应当提示作业人员进行修正。

3、遥感影像解译样本数据库建设

遥感影像解译样本数据库主要包括PHOTO、SMPIMG以及PHOTO_IMG三张关系数据表。

1)数据表PHOTO

PHOTO数据表包含地面照片的18个属性和文件名共19个字段,各字段定义见表1

1 数据表PHOTO的结构

序号

字段名称

说明

数据类型

单位

可否为空

1

PHID

照片的标识符

文本(32)

 

否,主键

2

FILE

照片文件名

文本(64)

 

3

PHTM

拍摄时间

日期型

 

4

LONG

拍摄点经度

浮点型

十进制度

5

LAT

拍摄点纬度

浮点型

十进制度

6

DOP

位置定位平面精度水平

浮点型

7

ALT

拍摄点高程

浮点型

8

MMODE

定位方法

文本(8)

 

9

SAT

定位时观测到的卫星数量

整型

10

AZIM

照片方位角

浮点型

十进制度

11

AZIMR

照片方位角的参照方向

文本(1)

 

12

AZIMP

方位角准确程度

浮点型

十进制度

13

DIST

拍摄距离

整型

14

TILT

相机俯仰角

浮点型

十进制度

15

ROLL

相机横滚角

浮点型

十进制度

16

CC

照片主体所属的地理国情信息类型代码

文本(6)

 

17

REMARK

样点地理环境描述

文本(255)

 

18

CREATOR

拍摄者

文本(16)

 

19

FOCAL

35mm等效焦距

浮点型

毫米

2)数据表SMPIMG

SMPIMG数据表包含遥感影像实例的13个属性和文件名共14个字段,各字段定义见表2

数据表SMPIMG的结构

序号

字段名称

说明

数据类型

单位

可否为空

1

IMGID

遥感影像实例标识符

文本(64)

 

否,主键

2

IMGFILE

遥感影像实例文件名

文本(64)

 

3

SRCTYPE

影像类型

文本(3)

 

4

SRCRES

影像分辨率

浮点型

5

SRCTIME

影像拍摄时间

文本(19)

 

6

SRCBAND

影像波段数

短整型

7

LULONG

左上角经度

浮点型

 

8

LULAT

左上角纬度

浮点型

 

9

RULONG

右上角经度

浮点型

 

10

RULAT

右上角纬度

浮点型

 

11

LBLONG

左下角经度

浮点型

 

12

LBLAT

左下角纬度

浮点型

 

13

RBLONG

右下角经度

浮点型

 

14

RBLAT

右下角纬度

浮点型

 

 

3)关系表PHOTO_IMG

关系表PHOTO_IMG定义数据表PHOTO和SMPIMG之间的多对多关系,并记录这种关系建立的一些信息,共包括5个字段。

关系表PHOTO_IMG的结构

序号

字段名称

说明

数据类型

可否为空

1

PHID

地面照片的标识符

文本(32)

否,外键

2

IMGID

遥感影像实例标识符

文本(64)

否,外键

3

OPERATOR

建立两者对应关系的操作员姓名

文本(16)

4

EXAMINER

质量负责人姓名

文本(16)

5

FDATE

最后检查完成日期

日期

4)数据表之间的关系

三个数据表之间的关系如图3所示:

 

遥感解译样本数据库表间关系

2.5 主体功能汇总表

该软件主体功能需求如表4所示:

主体功能汇总表

主要功能模块

次级功能分解

具体说明

外业调查底图展示

矢量数据展示功能

包括符号化、实时数据展示和数据与图层操作等功能

栅格数据展示功能

建立影像数据金字塔

其他底图功能

包括调查信息与标注展示、坐标系定制功能

样本数据采集功能

地面照片采集功能

包括基本拍摄和属性记录与浏览修改功能

遥感影像实例裁切功能

包括影像实例裁切、拍摄点及视野范围标绘、属性记录与浏览修改等功能

定位相关功能

包括坐标定位与转换、轨迹信息保存功能

地表覆盖与地理要素核查功能

地表覆盖与地理要素属性的查询、修改

以属性修改功能为主,边界修改功能可附带

数据管理功能

数据加载与保存

能够加载tif、img、jpg、ecw等影像数据;能加载mdb数据库

数学基础核查

检查投影、平面坐标系是否一致、正确

遥感影像解译样本数据库

按照标准建立遥感影像解译样本数据库

 

 

 

3 其他功能需求

3.1 用户界面与交互

对于软件界面操作风格没有限制,以方便外业操作为宜,软件交互需要满足以下两个要求:

1)要求提供底图拖拽、缩放浏览的功能,底图展示应当尽量布局在用户基础界面中。

2)考虑到外业调查工作特性,用户基础界面中应当提供地表覆盖核查样本点采集、编辑和实体属性浏览、编辑的快捷按钮,以提高工作效率。

3)应当提供软件的工程文件,用以保存当前作业的配置、图面状态等,方便用户下次使用时快速回到上一次关闭的状态。

3.2 安全需求

地理国情普查外业调查所涉及的数据为国家保密信息,应当充分考虑数据安全和保密性。要求采用“管理员-普通账户”的两层账户管理系统。管理员有权限创建普通账户,并能对系统中所有数据进行操作;普通账户只有对于自身项目数据有操作权限。外业调查须保证账户底图数据安全,防止外泄。

3.3 精度需求

软件输出数据成果数学精度应当满足相关规范要求,部分数据精度受制于所使用的设备硬件,如GPS定位精度、照片分辨率等,当硬件设备达不到要求或是硬件设备受损时,应当提醒作业员及时更换设备。

3.4 性能需求

根据地理国情普查外业调查的业务特性,作业时一般都会加载大量数据,应当至少保证加载2GB正射影像数据和500MB矢量数据且硬件设备满足要求时软件能够操作流畅。硬件设备应当有10GB以上的存储空间和2GB的内存保证软件流畅运行。另外,软件应能保证长时间运行不影响其流畅程度。

3.5 故障处理功能

软件在编辑过程中应当提供确认保存以及撤销功能,以免作业人员误操作。

对于使用过程中软件的崩溃、卡死故障应做好相应的数据保护措施,尽量减少因为程序崩溃而损失的数据。

3.6 可维护与可定制性

软件安装维护方式应该简单便捷,各个功能模块应当相对独立,方便设计人员进行日常修正维护。

软件可以提供可定制的工具栏,以应对不同的需求。

4 软件总体架构

根据需求,该软件总体设计架构如下图所示:

 

图4 软件总体设计架构

5 小结

上海地理国情外业调查系统是针对第一次全国地理国情普查的需求,参考现有的国家技术标准和行业技术规范,充分考虑上海市的特点,对内业采集的国情普查数据的边界、属性等信息进行外业实地抽样核查和结果统计,检验内业判读解译的正确率。补充完善内业判读工作中存在疑问的或信息内容不完整的国情普查数据。同时选择具有代表性和典型性的地物类型,实地对遥感影像解译样本数据进行采集。作业过程中系统将承受长时间、高强度使用,大量的拍摄、定位、记录等操作要求系统具有较高的稳定性和续航能力。

 

参考文献

[1]《第一次全国地理国情普查总体方案》(国务院普查办,2013)

[2]《第一次全国地理国情普查实施方案》(国务院普查办,2013)

[3]《上海市第一次地理国情普查和监测实施方案》(上海普监办,2013)

[4]《地理国情普查内容与指标》(国务院普查办,GDPJ01-2013)

[5]《地理国情普查数据规定与采集要求》(国务院普查办,GDPJ03-2013)

[6]《地理国情调查底图制作技术规定》(国务院普查办,GDPJ10-2013)

[7]《地理国情普查外业调查技术规定》(国务院普查办,GDPJ11-2013)

[8]《遥感影像解译样本数据技术规定》(国务院普查办,GDPJ06-2013)

[9]《地理国情普查数据生产元数据规定》(国务院普查办,GDPJ 04-2013)

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