基于BDS的地理信息数据采集平台设计与实现

王孝青，武军郦，陈　明

(国家基础地理信息中心，北京　100830)



基于BDS的地理信息数据采集平台设计与实现

王孝青，武军郦，陈明

(国家基础地理信息中心，北京100830)

针对BDS在地理信息数据采集应用中，位置数据、影像底图和现场调绘等多类型数据的格式和坐标转换、自动匹配问题，提出了综合地理信息采集核查和自动处理方法，这种方法可以提高综合数据采集的多源性、准确性和高效性；论述了利用BDS构建的地理信息数据采集平台的设计思路和功能特点。测试表明：该平台支持多源数据、应用范围广，能够满足一般性的综合地理信息数据采集与底图调绘需求，可应用于地理国情普查与监测、野外数码调绘及其他行业外业数据采集应用。

BDS；地理信息；数据采集；地理国情普查

0　引言

北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)作为中国自主研发的卫星导航定位通信系统[1]，是继美国的全球定位系统(global positioning system，GPS)、俄罗斯的全球卫星导航系统格洛纳斯(global navigation satellite system，GLONASS)之后，第3个正式开始使用并且成熟运作的卫星导航系统[2]。2012年，我国BDS的导航系统已经正式面向所有亚太地区全面提供导航定位、授时等民用服务。预计我国将在2020年建成具有35颗卫星的BDS全球导航系统。届时，BDS将会在全球范围内全天候提供服务，为各类导航应用用户提供实时导航、准确定位、通讯授时服务，同时具备卫星短信通讯能力[3]。

卫星导航与地理信息产业一直密不可分，卫星定位导航系统在国家地理信息产业化进程中具有指导性地位，也是不可缺少的一个关键环节[4]。为了满足地理信息综合数据采集与应用需求，需要大力开展基于BDS的多源数据综合采集工作，包括位置信息、野外照片、视频、音频，以及现场调绘等多维动态信息。

本文基于BDS在测绘地理信息的应用，结合MapWinGIS技术[5-6]，研究设计符合新型测绘地理信息数据综合采集的应用模式，实现地理信息综合数据的自动获取与应用，为BDS产业化应用提供一种可行的解决方案和实现方法。

1　总体设计思路

基于BDS，结合地理信息系统(geographic information system，GIS)、遥感(remote sensing，RS)、网络、通讯等技术，设计和研制具有采集与核查、指挥与调度、安全管理、数据处理等功能的地理信息外业数据采集平台[7-8]，解决以BDS导航定位数据为核心地理信息采集数据在不同格式、不同比例尺等情况下的数据统一管理、服务提供及各种有共同特征的专业应用问题，提高作业效率、降低外业劳动强度、加快地理数据的快速更新。平台设计与实现总体思路如图1所示，主要包括BDS技术、硬件、标准协议研究、采集平台研制和应用测试。

图1　总体设计思路

2　主要功能及其技术研究

2.1数据采集核查

根据实际测绘地理信息外业数据采集应用的需要，在野外工作时采用平板电脑，配以合适精度的BDS接收模块、摄影头、音频设备，以及需要调绘的影像底图，到实地进行地图核查判调，快速定性、标记、修测、补测，并记载采集路径，整理出符合要求的结果数据提交内业。该功能旨在促使测绘地理信息野外数据流程采集信息化，实现无纸化、内外业一体化、标准化作业，提高作业效率，降低外业劳动强度，加快地理数据的快速更新。

2.2数据处理

该平台可将各类信息数据资源进行加载、管理、更新、维护，并对不同格式、不同坐标系统的地理信息数据提供数据坐标信息转换服务。支持多种坐标系统位置数据和底图数据的现场自动转换，包括单点/多点、单/多数据文件、大批量底图数据的格式和坐标转换。根据作业范围可实现影像数据的自动裁切、分级与快速浏览。

针对目前常用坐标转换需求，以及BDS坐标系统特点，平台支持1954北京坐标系、1980西安坐标系和中国国家大地坐标系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)之间的相互转换，可以实现3参数法、4参数法和7参数法转换。一般将BDS测量的CGCS2000坐标(X2000，Y2000，Z2000)通过空间转换模型转换为地方坐标系的空间直角坐标，例如1954北京坐标系(X54,Y54,Z54)。其7参数转换模型为

(1)

简写为

(2)

由于是线形模型可以改写为

(3)

式中：(x0,y0,z0)为3个平移参数；(α,β,γ) 为3个旋转角参数；k为尺度参数。将(X54,Y54,Z54) 转换为经纬度和大地高(B,L,H)，再由经纬度经高斯投影即可得到地方平面坐标系的坐标。

2.3安全管理

高精度的导航定位信息和基础地理信息数据属于有严格保密要求的涉密数据，当工作过程中不可避免地需要使用涉密信息数据时，除了要严格执行相关规章制度和保密规定要求外，还应采取技术手段保障数据安全[9-10]。对此，安全平台需通过技术手段进行身份认证、授权管理、数据加密、外发监控控制、终端监控审计和移动存储设备管理等多方位措施，形成整体、全方位的数据安全保护体系。

1)授权管理模块。授权管理模块作为平台的安全管理功能模块具有极其重要的作用，用户在使用涉密数据及应用平台终端前首先必须经过用户认证授权、终端注册后才可使用，在经注册过的安全终端内设立数据安全环境，涉密数据进入安全终端后即变成加密后信息，只有认证用户才有权限查看使用。

2)数据安全审计模块。数据安全审计模块用于监视并记录对应用平台终端中的涉密数据所进行的各类操作行为，并记入审计数据库中以便日后进行查询、分析、过滤，实现对涉密数据使用用户的操作进行监控和审计。可以监控和审计用户对数据使用时间、修改和删除等操作记录。若监视到违规操作，即可报警通知管理人员，为安全管理人员及时地发现和制止用户违规操作行为提供技术支持。能够有效弥补相关规章制度在实际操作中的不足，为载有涉密数据的终端应用平台的安全使用提供有力保障。

2.4指挥调度

平台将带位置信息的多源信息组成规范信息，从中提取需要回传的信息，经过信息编码，通过无线网络或卫星通讯技术实时回传采集成果，同时可接收调度指令，达到监控与管理的目的，从而可实现协调指挥。

3　主要特点分析

3.1支持多源信息采集

1)支持BDS、GPS、罗盘、陀螺仪等设备，具备导航定位路径记录功能。

2)支持通用的tif、img、GeoTIFF、shp、mdb等栅格、矢量格式数据的直接加载。可输出GDB、DXF、SHP等常规软件兼容的数据，方便与其他系统进行数据交换。

3)支持点、线、面等多种方式的地理要素快速标注、涂鸦功能，提供自定义CC码功能，可方便地进行编辑。

4)支持500万个像素的高清分辨率拍照、视频录制。

3.2支持自动数据处理

1)自动获取经纬度、高程、方位角、时间、俯仰角、横滚角等指标数据。

2)自动裁切遥感影像，能够实现采集照片、裁切影像的整理与属性编辑。

3)多尺度影像处理生成金字塔，实现海量影像数据加载和快速浏览。

4)支持1954北京坐标系、1980西安坐标系和CGCS2000转换。

3.3支持多类型业务的软件复用

1)面向对象、组件与WebService等技术提高了软件复用性，组件开发者只用调用相关接口即可实现相应功能，大大提高了开发效率。

2)采用全插件式体系结构，不仅复用相关的功能模块，还支持资源的重用，包括：符号库、风格库、界面库、图标等资源。

3)项目的研制成果可以应用在地理国情监测、地理数据动态更新以及测绘应急服务中。

4　平台测试

4.1测试方法

采用实际数据对平台进行基本功能测试。首先内业准备底图数据，创建地表覆盖等工作数据图层，进行任务划分；然后到外业根据相关数据及任务进行数据调绘、核查、样本采集等工作，检验软件是否符合工作流程，是否可正常快速方便地完成任务工作，是否可长时间正常运行；并对调绘数据进行分析、存档。

外业测试分别采用车行、步行、静态方式进行测试。对于不同的采集方式进行测试结果分析，判断在不同模式下地理信息数据采集准确性和平台运行稳定性。车行、步行、定点静态测试速度分别约为40、0.05、0 km/h。车行测试在慢行车道环境下测试，步行测试在人行道行走测试，定点静态在路边定点测试。

4.2结果分析

经过数据处理与分析，得到不同测试方案的测试结果，统计了平均可见卫星数、采集点数，以及BDS定位结果与高分辨率底图偏移点数及其所占比例。统计结果如表1所示。

表1　测试结果统计

由测试结果可见：车行测试中BDS定位轨迹较为准确，与底图吻合较好；而步行由于速度较慢，行走在有遮挡的人行道，BDS定位轨迹稍差，与底图吻合较差；由于定点静态测试在路边，有一定的遮挡，测试结果最差，但是能够满足一般性地图调绘。结果表明，该平台能够实现不同运动状态下BDS定位结果与底图的自适应转换、匹配、显示，2者匹配速度和精度能够满足多种环境下一般性底图调绘和多源地理信息采集。

数据采集准确性会受到硬件配置、BDS接收模块性能、运动速度、测试环境的影响，若要进行高精度亚m级地理信息位置采集，需要进一步开展BDS差分定位终端集成或辅助BDS定位系统研制。

5　结束语

本文考虑了高精度地理信息数据采集更新中存在的重大安全隐患，采用我国自主研发的BDS实现了地理信息采集平台，具备数据采集核查、数据处理、指挥调度、安全管理等功能，解决了多源数据综合采集、影像数据坐标与BDS定位结果的自适应转换与匹配问题，为动态综合安全测绘模式提供了一种技术参考。研究成果将会有助于丰富测绘地理信息的技术体系，加速BDS产业化进程，并有效提升我国地理信息产业化科技和服务水平。

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[10] 钱成越，薛原.基于北斗导航系统的移动导航定位终端设计[J].现代计算，2010(6)：165-167.

Design and implementation of geographic information acquisition platform based on BDS

WANG Xiaoqing，WU Junli，CHEN Ming

(National Geomatics Center of China，Beijing 100830，China)

Based on the BDS navigation system，and combined the GIS，RS，network and communication technology，the paper developed the geographic information acquisition platform based on BDS for data collection and application of geographic information. It realized the multi-source data acquisition，data processing，security management，command and dispatch，and other main functions，and investigated the key technologies of the platform. After analyzing the main characteristics of the platform，function test and outdoor test，the results showed that，the platform could support multi-source data and wide range of use for geographic conditions monitoring，field digital mapping and outside data collection services in other industries.

BDS；geographic information；data acquisition；geographic condition census

2016-02-17

国家自然科学基金项目(41504020)；2015年国家测绘地理信息局基础测绘项目(基于北斗导航系统数据采集应用平台研制与应用)。

王孝青(1983—)，女，山东济宁人，硕士，工程师，研究方向为GNSS地理信息数据的采集与处理技术。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160320.

P228

A

2095-4999(2016)03-0100-04

引文格式：王孝青，武军郦，陈明.基于BDS的地理信息数据采集平台设计与实现[J].导航定位学报，2017，4(3)：100-103.(WANG Xiaoqing，WU Junli，CHEN Ming.Design and implementation of geographic information acquisition platform based on BDS[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，4(3)：100-103.)