数字化巡查系统在天津市河道网格化管理中的开发与应用

周 军

（天津市北三河管理处，天津 301800)

随着天津市社会经济建设的快速发展，河道管理体系不断完善，在工程、环境、水行政、防汛调度等管理方面积累了大量的基础信息，由于这些信息分散在各个职能部门，信息共享和利用程度不高。当今，利用计算机进行信息化管理，已成为信息化水务建设中常用的一项重要手段。随着GPS（全球定位系统）、GIS（地理信息系统）及移动终端技术的普及，使得通过GPS与GIS技术对巡检人员的工作情况和整个管辖区域的状态进行实施监督管理成为可能。目前，巡查基础数据的获得主要依靠河道巡查人员现场收集与上报，但这一巡检模式工作数据量大、工作效率低，巡检人员是否按照既定的时间和路线完成巡检任务，在巡查记录中无法体现；同时，巡检发现的问题也得不到及时处理。针对上述问题，天津市对河道网格化管理开展了技术研究，并在此基础上开发出河道巡查巡视管理系统。实现河道网格化管理是整个系统构建的基础，此研究是天津市首个针对河道巡查信息平台的技术研究。

1 河道网格化管理思想

借鉴城市网格化管理[1]的思路，将巡查河道按照一定的标准划分成若干单元网格。划分思路是将网格化思想与关键点控制思想结合起来，在电子地图中分解河道并布置关键点，用一个网格代表一个分解后的河段，并在每个网格中布置关键点即在每个河段中设定重点巡查工程，从而实现由整体到网格再到点的管理。将河道进行网格化处理[2]后得到的直接成果，包括河道细分管理、自动签到、精确导航定位。

1.1 河道细分管理

将所有河道按各个河道管理所的管辖范围进行分段，而且细分到左、右堤岸。每个细分河段建立由巡查任务下发、河道巡查、问题上报、上级批复、问题处理、处理结果核查组成的闭环管理体系。

1.2 自动签到

按照建筑物类别，在河道各个堤段设置关键点，并以点为圆心设置半径，实现当巡查人员在此半径之内移动终端自动签到的功能。

1.3 精确导航定位

通过细分河道分段，在每个细分河段定位比整条河道的定位要精确得多。

2 地理数据预处理技术

河道管理中地理数据量大，处理数据成本很高。如，一幅典型的比例尺为1：25 000 的地形图需要100 万～300 万对坐标，才能使获得的数字地图的几何精度达到一定的要求。同时，直接处理海量数据耗时长、效率低。要实现河道的网格化管理，需将各条河道根据不同管理单位的管辖范围细分成多条河段，且上、下游河段首尾相接。在数字化多边形地图时，同一点可能被数字化许多次，即使很仔细，但由于仪器本身的精度和操作上的问题，不能保证上游河段的终点与下游河段的起点经过数字化后具有相同的坐标。为此，需要实现数据误差纠正的技术方法，以达到网格化管理的目的。

2.1 地图数据压缩技术分析与算法实现

为了解决海量地图数据处理成本高的难题，研究并实现了对地图数据进行预处理压缩的技术方法。以下3种方法，被应用到地图数据压缩中。

（1）间隔取点法[3]。每隔k 个点取一点，或舍去那些离已选点比规定距离更近的点，但首末点一定要保留，取点过程如图1所示。

（2）垂距法和偏角法[4]。这两种方法是按垂距或偏角的限差选取符合或超过限差的点，取点过程如图2所示。

（3）道格拉斯-普克法[5]。该方法试图保持曲线走向和允许制图人员规定合理的限差，其执行过程如图3所示。

图1 间隔取点法示意

图2 垂距法和偏角法示意

针对河道地理数据的应用要求，分析比较上述3个方法：①间隔取点法很容易将一些关键点除掉，这样不利于河道巡查工作中自动签到功能的实现。②垂距法和偏角法比间隔取点法要好一些，但是不能保证数据压缩后河段的趋势与原河段相同。③对河道地理信息来说，由于道格拉斯-普克法弥补了间隔取点法、垂距法、偏角法的缺点，所以在地图数据预处理压缩中采用此法。

具体算法的实现，有以下5个步骤：①首未点相连；②计算中间各点到直线的距离；③删去距离小于临界值的点；④在留下的点中，选择距离最大的点，将曲线分成两段；⑤重复①—④，依次类推。

图3 道格拉斯-普克法示意

针对道格拉斯-普克法采用数值计算中二分法的思想，编制数据压缩程序，很好地解决了海量数据处理成本高的问题。

2.2 地图数据匹配技术分析与算法实现

为了将离散的河段无缝地连接起来，研究并实现了对地图数据进行匹配的技术方法。研究采用顶点匹配与数字接边技术[6]来矫正误差。

（1）顶点匹配法。该方法是用匹配程序对多边形文件进行处理。经处理后，在多边形生成时若发现少数顶点不匹配，经查明原因后可辅以交互编辑的方法处理。

（2）数字接边法。在数字化地图时，一般是一幅一幅地进行，有时一幅图还需分块进行。由于操作误差，相邻图幅公共图廓线（或分块线）两侧本应相互连接的地图要素会发生错位，这是不可避免的。因此，在拼幅或合幅时均须对这些分幅数字地图在公共边上进行相同地图要素的匹配，如图4所示。

图4 数字接边示意

3 河道网格化管理解决方案及系统实现

为了实现河道网格化管理，研究并总结了一套解决方案，其中使用了多种技术手段，包括：采用Sky1ine G1obe作为三维电子地图开发平台；采用B-S架构；采用MYSQL作为后台数据库；采用J2EE架构作为编程开发平台；采用Java Deve1opment Kit，An⁃droid SDK平台开发移动端Android应用程序。

这里，只简要介绍与河道网格化管理有直接关系的技术实现，包括Sky1ine G1obe 的二次开发、An⁃droid系统的应用开发、桌面系统的专题图开发。

3.1 基于Sky1ine G1obe的二次开发

河道巡查巡视工作涉及天津境内19 条一级行洪河道、外环河及海堤，共计2 200余km堤防。依据网格化思想，在Sky1ine G1obe 平台上将所有河道共分为268 个河段，其中点位数量1 045 个，共分为3类，其中堤防点位667 个、水闸77 个、口门301 个。通过电子地图，系统可以实现如下功能。

（1）实现三维基础场景。由于河道巡查对象都是建筑物，应用三维模型可以直观地表现出各个建筑物的基本情况。搭建三维基础场景可以提供很好的扩展性，为平台将来的升级、长期应用打下良好基础。

（2）与移动端系统相配合，实现河道巡查过程中自动签到、精确定位功能。

（3）在电子地图中显示堤防或水利工程的巡查信息，实现信息实时共享功能，这些信息包括问题的文字描述、现场照片、录像等。

3.2 基于Android系统的应用开发

智能移动设备选用搭载Android 系统的智能手机或平板电脑，实现自动签到、多媒体数据采集、任务下发等功能，具体实现如图5所示。

（1）任务下发。根据巡检人员的工作范围，系统自动将任务内容下发至巡查手持终端，并对相应河段制定任务的计划周期与持续周期，既满足了对巡查时间管理，又保证了对巡查频次的要求，同时还可以查询各条河段的任务计划及历史任务。

（2）巡查签到。巡查巡视任务确定后，为保证巡检人员按照规定线路行进，系统根据被巡查河道的重要程度布置关键巡检签到点位。当巡查人员抵达预定巡检地点时，系统自动进行任务签到操作，记录相关巡检信息；对于重点点位，如口门及水闸实施情况，设定手动签到点位，需巡检人员记录工况信息后才能完成点位巡查。同时，巡检签到的位置是巡检人员轨迹的依据，系统将根据巡检签到位置记录自动生成巡检轨迹。

（3）精确定位。系统自动将巡检签到点信息发送至巡检人员手机端，并显示每个签到点的名称和位置信息。当巡检人员还没有抵达预定巡检地点时，系统进入巡检项目导航流程，提示相关巡检信息，引导巡检人员抵达任务制定的巡检位置。

（4）信息录入并上传。当巡查人员发现管理问题时，可随时利用手机端进行录入操作，添加相关照片、录像等现场多媒体信息。当信息录入完毕后，将自动反馈至中央服务器，形成历史存档，问题记录也会共享至系统桌面端，由管理人员进行处理。

3.3 桌面系统开发

图5 移动端系统实现

为实现对河道工程、水环境、水政、防汛调度、河长制等巡查工作的管理，桌面端系统制定了严谨、闭合的工作流程，通过巡查巡视管理平台进行数字化、流程化管理，可以便捷地进行数据的查询。专题图模块主要满足管理部门对巡检数据共享的业务需求。通过对专题图的管理，在Sky1ine G1obe平台上为各个管理部门制定了专门的电子地图图层，实现了针对特定部门的数据传递，并且针对特定权限的用户开放所有类别的数据信息。目前，主要分为工管、水保、水政、水调四项管理任务的专题，每个专题中都可以查看与各自相关的各类上报问题的发生位置与情况描述。

4 结语

通过地理信息系统、移动端系统、桌面端系统相互配合的方式，实现了河道的网格化管理，解决了传统巡查工作中存在的工作监督不力、问题描述不清、流程复杂、各部门沟通不畅、巡检手段传统、重要信息实时性差等问题。目前，该系统已在天津市水务局5个业务处室、5个河道（海堤）处、10个区县管理部门和单位运行使用近2年，为工程、防汛、水资源、河长制、水政监察等管理搭建了信息共享平台，有效地提高了巡检人员工作的主动性和工作完结率，提高了管理部门对巡检任务下达完成过程进行的质量监控，满足了对巡检过程中存在问题进行反馈和考评的需要，使巡查发现问题后的上报反馈、问题处置的及时性、快速性、真实性等得到了显著提升，在规范化巡查、自动化管理方面取得了长足进步。

[1]郑士源，徐辉，王浣尘.网格及网格化管理综述[J].系统工程，2005，23（3）：1.

[2]王喜，杨华，范况生.城市网格化管理系统的关键技术及示范应用研究[J].测绘科学，2006，31（4）：117.

[3]张宏.地理信息系统算法基础[M].北京：科学出版社，2010.

[4]胡艳.矢量地图数据无损压缩算法的研究[D].郑州：中国人民解放军信息工程大学，2009.

[5]贾利峰，齐华.矢量曲线压缩算法与实现[J].铁道勘察，2005，（2）：20.

[6]闫浩文.计算机地图制图原理与算法基础[M].北京：科学出版社，2007.