精准土地调查技术系统数据通讯设计及实现

王慧青，王 庆

（东南大学 仪器科学与工程学院，南京 210096）

全面、及时、准确地掌握土地信息是编制土地、利用规划、严格土地管理、实施耕地保护、进行土地用途管制、集约节约用地，以及参与宏观调控的前提[1]。目前，我国城镇化、工业化快速发展，反映在土地利用上，用地类型、权属变化巨大。现行的城镇与农村、现状与地籍严格区分，精度统一划定，每年固定时间集中调查汇总的方式，对于当前地价不断攀升的现状以及城乡一体化的趋势，已显现出不尽合理之处。以“科技兴地”推动土地管理方式的重大转变，通过构建定量求精（精度高）、定性求准（准确度高）的“精准土地”调查技术系统，能及时准确地获取不同地形地貌、不同经济条件的区域内各种土地利用现状信息，保障区域土地资源安全，进行土地宏观调控。

“精准土地”通过差别化土地管理政策实现精细管理，基础均为多源数据精确获取和快速动态更新，即精准土地调查。为全面支撑“精准土地”体系建设，精准土地调查要保证数据与实地一致，数据要涵盖土地管理的各方面，保证各地土地利用变化数据的及时获取，要及时用最新调查成果更新原有数据。

本文构建的精准土地调查技术不是指某一单项技术，而是指由一系列技术集成起来的完整的技术体系。将 GPS、全站仪和遥感方法有机结合起来，通过不同的测量组合方式，形成不同精度的系列数据采集系统，满足不同区域的“精准”调查要求。将上述调查手段组合，与移动 GIS、无线通讯等技术紧密结合，就可以将野外数据采集，获取精确的地物边界，调查准确的地物属性，调查数据传输和共享等一系列野外工作整合成一个相互协调、相互支持的标准化的技术体系。

1 精准土地调查技术系统设计

精准土地实地调查系统由导航定位系统、实地调查系统、网络中继服务系统、室内监控及数据处理系统组成。导航定位系统实现GPS车辆导航，快速到达目的地；实地调查系统实现目标地块信息的采集、显示、编辑、存储、上报；网络中继服务系统实现调查数据的网络传输；室内监控及数据处理系统实时监测各客户端的工作状态，接受实地调查系统上传的调查数据，进行数据处理生成各种数据及报表。

（1）导航定位系统

该系统由车载GPS接收机主机和天线、卫星信号接收专用馈线、导航软件以及道路导航电子图、遥感影像数据、土地利用现状图等基础数据组成。车载GPS用于调查车行驶过程中的GPS定位，为调查车提供地理位置坐标；依据地理坐标、GPS导航软件及导航电子图实现道路交通导航，引导调查到达待调查区域，导航图内容、比例尺随着与目标接近程度而变化；导航电子图无法使用时，可利用土地利用现状图、遥感影像图导航，引导调查人员快速到达所需调查的地块现场。

（2）实地调查系统

实地调查系统包括GPS、全站仪、皮尺等常规测量设备，装载有土地实地调查软件的PDA手簿，也称为客户端。该系统能实现调查地块位置、面积等几何信息和属性信息的现场采集、存贮、传输。PDA手簿与GPS、全站仪等之间通过蓝牙通讯实现定位数据的实时采集；GPS接收机可以通过PDA手簿实现与固定基站或网络差分系统建立连接，获得高精度定位；所有外业采集数据可以通过PDA手簿中的网络传输模块实现上传。

（3）网络中继服务系统

网络中继服务系统包括GPRS/CDMA拨号器、SIM卡和拨号软件以及数据中转服务器。网络中继服务系统是一个数据接收和管理系统，在系统中起到信息中枢的作用，使得室内监控及数据处理系统与实地调查系统建立网络通讯连接，实现数据的传输。中心服务器装有防火墙，防止病毒入侵和其他非法用户进入。

（4）室内监控及数据处理系统

室内监控及数据处理系统由数据管理子系统、数据处理子系统、综合管理子系统、远程监控子系统和网络数据传输模块组成，实现对遥感影像、土地利用数据的综合管理、分层显示、土地利用对比分析以及对实地调查人员进行远程监控，实地调查信息的实时获取和即时分析等，生成各种数据及统计报表。

2 基于XML的移动GIS工程文件实现

实地调查系统是以基于PDA手簿的嵌入式GIS软件支撑平台来实现数据采集、存贮、传输等功能。PDA手簿本身的处理速度、内存容量、显示水平等受到制约，且土地利用数据来源多种，格式多样，用户需求多样。为实现移动 GIS与监控系统的桌面GIS之间的数据传递，要求跨平台的异构数据间能相互识别，相互转换集成，为此引入工程（即工作空间）技术[2]。本文在分析移动GIS特性的基础上，结合元数据国际标准提出一种移动GIS工程管理设计方案，基于XML设计并实现了工程文件，使得各平台间不需要改变底层数据的存储和管理方式，即可实现分布异构数据的互操作。该文件的内容包括工程数据模型和地图数据模型以两部分。地图元数据模型主要包括图层名称、图层描述信息、图层可见、图层可编辑、图层显示范围[四角坐标]、渲染方式等字段。工程元数据模型主要包括工程名称、工程路径、坐标系投影方式、地图范围[四角坐标]、绘图比例尺、连接GPS设备标识、连接服务器IP/端口号等主要字段。

在提出工程文档结构设计的基础上，下一步工作则是如何在保存工程和打开工程过程中具体实现对工程数据的管理。其中，新建工程就是在PDA的磁盘上创建一个XML文档格式的工程文件，文件内容包括工程数据模型和地图数据模型。保存工程就是在系统做出配置修改，如改变图层颜色等，希望保存当前系统的所有状态所采取的操作，结果以XML文档格式存储；打开工程就是通过调入XML文档，直接打开保存前的位置和状态，方便快速操作。该过程的技术路线如图1所示。

图1 保存/打开工程的技术路线Fig.1 The technical line for saving/opening the project

3 基于ACE的嵌入式网络传输客户端设计

客户端移动GIS网络传输需求来源于以下几个方面：为了提高GPS定位精度，移动GIS需要接收来自基站的差分改正信息，同时上传自身定位数据；为了对外业工作的精细管理，移动GIS需要通过网络中继服务系统和室内监控中心进行双向通讯，一方面需要接收来自中心的任务发布信息，另一方面需要向中心上传现场信息。从以上情况看来，移动GIS客户端网络传输数据量大、数据类型多样，并且往往会和多种网络终端同时进行通讯[3][4]。

针对土地调查实际应用中对于移动GIS在网络通讯等多方面的需求，本文基于ACE的Reactor框架[5][6]，设计与开发了具有事件驱动特性的移动GIS网络传输框架，该框架为高效的事件多路分离和分派提供了可扩展的面向对象构架。

嵌入式GIS网络传输客户端模型总体的设计步骤如图2所示。

（1）创建发起连接事件的服务器 Connector，以处理所连接到达的事件；

（2）创建建立服务事件的服务器Svc_handler，以处理所连接到达后I/O句柄上的读写事件或特殊信号事件；

（3）在反应器上登记，当有相应的事件到达时，通知对应的事件服务器，同时传递它想要的用以处理该事件的事件服务器指针给反应器；

（4）反应器构架将自动地在内部维护一些表，将不同的事件类型与事件服务器关联起来，在用户已经登记的某个事件发生时，反应器发出对服务器中相应的方法回调。基于I/O句柄的事件由handle_input、handle_output、handle_exceptions 方法分派；

由于客户端要向监控中心上传图斑信息和GGA语句，并从服务中心获取RTCM信息[7]，所以在程序中需要事先约定与监控服务中心的传输数据类型标识来区分这几种不同类型数据的传输。客户端与监控服务中心间数据流程如图3、图4所示。

4 网络中继数据传输模式设计

室内监控系统和中继服务器建立面向连接的专用 Socket连接，中继服务器将外业定位数据和外业调查数据封装在数据包中，通过Socket连接发送到对方。室内监控系统遵循统一的数据包结构进行封装和解析。

室内监控系统和网络中继数据系统的通信协议过程为：

（1）建立连接后，室内监控系统登录中继服务器，将标识告知中心服务器。

（2）中继服务器在接收到登录信息后，建立室内监控系统和相应的Socket连接对方关系。若成功，则发送成功信息，否则发送失败的信息。

（3）室内监控系统在接收到上一部的就绪应答后，向中继服务器发送下载数据请求。如果接收失败信息，则释放连接资源，数据传递结束并返回错误信息。

（4）室内监控系统在接收到中继服务器的成功应答后，继续下载数据包，并等待中继服务器应答。如果在一定时间期限内始终没有接收到中继服务器应答，结束传递过程，并退出登录，重新建立连接。

（5） 室内监控系统可以在发送过程中，随时向中继服务器发送停止传递请求，中继服务器作出相应处理释放占用的资源；

（6） 在成功登录后，室内监控系统和中继服务器都可以随时向对方发送信息，告知对方自家将退出数据传递过程，接受方作出相应处理释放占用的资源。

图2 客户端网络传输时序图Fig.2 The timing diagram of client network transmission

图3 图斑的发送流程图Fig.3 The flow chart of feature sending

图4 差分信息的收发流程图Fig.4 The flow chart of sending and receiving of difference information

5 室内监控及数据处理系统实现及应用

室内监控及数据处理系统是一个综合土地利用调查业务的信息处理系统。在系统开发中，采用了组件对象技术[8]，使用SuperMapObjects 512 GIS组件。SuperMap Objects 基于Microsoft的COM组件技术标准，以ActiveX控件的方式提供了数据输入、数据处理、空间数据存储与管理到空间分析、地图排版输出等包括各个环节的六个组件，这些组件可根据不同的功能需求自由组合，具有很强的伸缩性。

室内监控及数据处理系统分为以下三层：

（1）表示层：系统的上层应用和界面显示，包括底图显示、外业数据实时导入、绘图操作、属性编辑、基站设置、PDA 定位、车辆定位等。

（2）业务处理层：该层是系统的核心，实现了土地调查过程中各项业务的数据流程，包括空间数据处理、属性数据处理、实时监控分析、通讯服务和数据访问控制等。

（3）数据通信层：该层主要有两大模块，分别是网络通讯模块和数据库连接，用于实现空间数据和属性数据的读写操作以及调查数据的网络传输。图5显示了基于GPRS网络的外业采集数据实时发送至室内监控系统的效果图。

东南大学自主研发的精准土地调查技术系统在天津市国土管理的日常业务中得到较好应用。利用该系统，完成某区1：2000比例尺的房产专题图的质量检查与修补测；在天津市城乡结合部、公路干线两侧、村庄周围及基本农田保护区等以及巡查区开展日常土地巡查执法工作，有效地掌握了实际用地情况，对违法违规用地行为形成了极大的威慑；进行某开发区年度新增建设用地的土地利用现状变更调查，降低外业数据采集劳动强度，提高数据采集工作效率，实现了“二调”工作中土地利用现状数据的检查与更新，确保了数据的可靠性、质量和精度。

图5 实时显示外业调查数据效果图Fig.5 The real-time display effect figure of field surveying data

6 结束语

土地资源的宏观调控、严格管理、科学规划、合理利用以及执法监察等国土资源管理重点业务均需要准确、翔实的土地基础数据支持。本文提出的集成3S（GPS/GIS/RS）、PDA、无线通讯等技术的精准土地调查技术系统，为土地调查野外数据采集提供了全新的作业模式。在网络传输框架设计与实现时，下一步应该重点研究如何将3G网络与移动GIS无线传输的需求进行紧密结合，提高移动GIS在多媒体信息共享、地图实时共享等方面的性能。

（References）：

[1] YU Guan-nan, WANG Qing, YU Xian-wen, et ac. Design and realization of land-use survey system based on GPS/TSI/PDA[C]// The 1stInternational Conference on Information Science and Engineering. Nanjing, China, 2009: 96-99.

[2] 连健，李小娟，张扬，等. 基于XML的GIS工程研究与开发[J]. 首都师范大学学报(自然科学版)，2008，29(2)：72-84.LIAN Jian, LI Xiaojuan, ZHANG Yang, et ac. Research and development of GIS project based on XML[J]. Journal of Capital Normal University (Natural Science Edition), 2008, 29(2): 72-84.

[3] 蔡文雯. 提高移动GIS复用性及高效性的软件框架的设计与实现[D]. 南京：东南大学，2009.CAI Wen-wen. Design and realization of software to improve mobile GIS reusability and efficiency[D]. Nanjing: Southeast University, 2009.

[4] SUN Yu-ting, ZHANG Shu-liang, ZHANG Yi-ming, et ac. Design and implementation of integration framework for terminal-oriented mobile GIS data collection[J]. IEEE Computer Society, 2008, 28: 151-157.

[5] 李菲，潘树国，王庆，等. VRS 网络差分系统数据通讯结构设计[J]. 中国惯性技术学报，2008，16(5)：582-585 LI Fei, PAN Shu-guo, WANG Qing, et al. Design of network data transport for VRS system[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2008, 16(5): 582-585.

[6] SUN Qing-hui, Wang Xiao-li, Chi Tian-he, et ac. Integrated system based on wireless communication technology and mobile GIS[J]. IEEE Computer Society, 2005(4): 963-966.

[7] Harald Gebhard. Networked transport of RTCM via internet protocol[M]. Frankfurt, Germany: Federal Agency for Cartography and Geodesy (BKG), 2003.

[8] 张俊杰，白松浩，龙志强. 基于组件GIS的空管综合信息系统设计研究[J]. 微计算机信息，2007，23 ( 3)：27-29.ZHANG Jun-jie, BAI Song-hao, LONG Zhi-qiang. Research and design of integrated information system of ATC based on the component GIS microcomputer information[J]. Control & Automation, 2007, 23 (3): 27-29.