内外业一体化的遥感解译样本采集系统

张冲 秦岭 梁福广 王赢乐

（河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003）

1 引言

近年来，随着地理信息系统、人工智能、图像理解、模式识别等相关理论技术发展，国内外在遥感自动解译研究方面已经取得很多成果[1]。目前国内遥感解译技术已开始广泛应用于军事、农业、环保、交通、地质灾害等多个领域[2]。但是，遥感自动解译精度却经常因不能满足使用要求而需要采取大量人工干预，研究分析表明解译精度的主要影响因素之一就是所用样本的采集精度，提高样本采集精度可有效提升遥感解译效率。

为此，本文研究并实现了一套以移动GIS、WEB GIS、空间数据库等作为技术支持，以天地图·河南为基础底图，以农业保险作为应用切入的内外业一体化遥感解译样本采集系统，为农业保险承保、理赔等阶段提供解译样本采集及审核服务，保证样本采集精度和后期解译准确性，为农业保险精确承保和理赔提供有力保障。

2 关键技术

2.1 基于位置的服务（LBS）技术

基于位置的服务是通过电信运营商通信网络或外部定位方式（GNSS）获取移动终端用户的位置信息（地理坐标），在GIS 平台支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务[3]。根据定位过程中测量和计算实体不同，定位技术分为反向链路定位技术和正向链路定位技术，本文结合两种定位技术，充分发挥二者优势，以提高定位精度。

2.2 基于多传感器的拍照方位角获取技术

通过同时调用移动端内置陀螺仪、加速器等传感器，获取相关参数并计算拍照实时方位角，当手机姿态发生变化时获取传感器旋转矩阵M[4]。矩阵原型为：

最终通过矩阵值获取移动设备的方位参数信息（value[0],value[1],value[0]）。

将value 数组值转换为角度，可求解移动设备的正确姿态信息。

3 系统实现

3.1 总体架构

系统总体模式采用B（浏览器）M（移动端）/S（服务器）技术架构。服务器端用于空间数据及业务数据存储、服务发布及管理等工作，考虑系统对空间数据及空间分析需求较大，数据库采用空间分析功能相对强大的PostgreSQL 数据库，空间数据服务采用ARCGIS SERVER 进行发布和管理；移动端承载外业样本采集模块，以Android 为系统应用平台，采用ARCGIS for Android、SQLite、LBS 等移动端技术构建，实现对样本信息采集、修改、上传、查看以及地图数据离线下载等功能，同时为保证外业拍摄照片真实性，采用基于多传感器的拍照方位角获取技术，计算并获取拍照方位角，配合拍照位置，验证照片真实性；浏览器端为内业样本审核模块，实现对移动端采集上传样本的审核、统计、导出及用户信息管理等功能。此外，系统还调用了天地图·河南作为系统基础地图，以丰富系统数据源，提高样本采集效率。系统框架如图1 所示。

图1 系统框架图

3.2 技术设计要点

（1）基于方位角和LBS 的照片正确性控制设计

为了保证样本照片的正确性，采用方位角计算方法对样本照片进行规范，通过基于多传感器的拍照方位角获取技术，获取照片方位角a，通过LBS 和地图采点分别获取采集员和样本位置，并进一步计算采集员、样本连线的方位角b；设置阈值对角度差值c进行限制，实现对样本照片的规范化控制。

（2）基于距离的采样位置规范设计

为保证采集样本的真实性，系统设计采用LBS 定位技术，使用距离约束的方式，对样本采集过程进行控制。通过LBS 和地图采点分别获取采集员和样本位置，并计算两者距离L（如图2 所示）；设置阈值对L进行限制，实现对样本采集位置进行规范。

图2 照片控制原理

（3）基于村级行政区的样本均匀分布控制设计

为保证采集样本的均匀分布，系统依据样本总量和单位面积样本量的要求，计算获得村级行政区样本量阈值，通过采集样本量和阈值对比，对样本分布的均匀性做出评判，为样本审核提供参考。

3.3 数据库设计

结合系统数据库要求的特殊性，将数据库设计分为空间数据库设计和业务数据库设计。空间数据库设计包括点状样本、面状样本、行政区域、样本规划数据等空间数据表设计。业务数据库设计包括用户信息表、日志表、样本照片表等非空间数据表的设计。

3.4 移动样本采集系统功能设计

移动样本采集系统功能设计如图3 所示。

图3 移动样本采集系统功能设计

（1）图层管理

用户可以根据需要打开或关闭任意图层。

（2）用户信息管理

可根据需要实现对用户个人信息查看、密码修改、密码重置等操作。

（3）地图基础功能

包括地图快速缩放、快速定位、量算、地图标注等功能。

（4）样本采集

样本采集模块主要包括点状样本采集和面状样本采集，分别满足不同应用场景需要，样本采集使用LBS 技术优化位置定位，采用基于多传感器的拍照方位角获取技术规范样本照片；同时为保证采集准确性还增加了样本位置与采集员位置距离检校功能，进一步规范采集员行为（当样本位置与采集员位置大于一定距离时，系统将提示采集员无法采集）。

（5）样本信息点查

提供对已采集样本进行点击查询功能，方便采集员掌握样本信息。

（6）样本管理

离线上传：对采集时因网络状态差等原因无法及时上传的样本提供管理和上传功能。

再核查：对样本审核系统未审核通过的样本提供再次进行核查、调整、再上传功能。

（7）离线影像下载

系统覆盖整个河南省，且多应用于乡村网络信号不佳地区，为提高作业效率，系统提供了按县区最新时相离线影像下载功能，以满足作业所需地图数据。系统功能界面如图4 所示。

图4 系统功能界面

3.5 样本核查系统功能设计

内业样本审核系统功能设计如图5 所示。

图5 内业样本审核系统功能设计

（1）样本概览

审核员登录后根据该模块可了解当日提交样本量、待审核样本量和审核通过样本量，通过热力图和聚合图可查看样本分布情况，通过统计图表可以了解各县区、乡镇的样本情况，还可及时掌握最新提交动态。

（2）样本审核

通过级联行政区可以定位到相应样本区，结合地图和统计信息对样本分布进行整体了解，此外还能查看单个样本照片和具体信息，如样本存在问题可以退回移动端用户进行复查，若样本不具备参考价值可设置为问题样本，符合要求的样本可以审核通过，以便进行导出。地图审核界面如图6 所示。

（3）用户管理

系统用户主要分为管理员、审核员和采集员，该模块主要实现用户创建删除、权限配置、激活禁用等。

（4）日志管理

主要对用户访问、操作等信息进行记录，可以查询分析，系统安全保障以及错误排查。

（5）系统配置

主要对最新月度影像和样本规划等数据进行更新配置。

图6 地图审核界面

4 实验验证

4.1 实验设计

本文以开封市祥符区为实验区域，对系统采集方式和传统采集方式进行了采集效率、样本正确率及内业审核效率等方面的对比。其中，传统采集基于商业软件（奥维互动地图）进行位置和信息采集，使用移动设备自带工程相机进行拍照；内业审核处理为全人工作业。

开封市祥符区总面积1291 平方公里，辖15 个乡镇，实验要求每个乡镇需采集样本点数不小于100 个，采样时样本与采集员的距离不得大于1000m。

4.2 实验结果对比

本文对上述实验结果进行以下对比：

（1）采集效率

系统完成整个祥符区样本采集共花费4 天，采集样本点2332 个，样本采集完成后直接上传服务区无需后续处理，且采集样本分布均匀。用传统采集方式完成整个祥符区样本采集共花费8.5天，采集样本点1843个，样本采集完成后需进行数据格式转换、照片人工匹配等大量处理工作，且无法控制样本的均匀分布。

（2）样本正确率

系统使用采集、审核同步进行的方式开展工作，内业核查人员可及时发现错误样本，反馈给采样人员重新采集，最终采样准确率可以达到98%以上。传统采集方式缺乏实时审核机制，最终采样正确率只有90%左右。

（3）内业审核效率

系统采集、审核同步进行，采集结束时审核工作也基本结束，可直接进行后续解译工作，具体审核时间分散在采集过程中，不单独占用时间。传统采集方式内业审核需要矢量数据合并、照片对应及审核工作，祥符区完成审核需用时3天。实验结果对比如表1所示。

表1 实验结果对比

实验表明，本系统可至少提高50%采集效率，且能保证样本点均匀分布，提升样本正确率8 个百分点，同时避免了额外样本审核时间，此外本系统可有效控制采集时样本与采集员的间距，提高样本可靠度。

5 结束语

本系统目前已在实际生产中投入使用，在实际生产中移动样本采集系统的使用有效提高了外业人员采集效率和精度，解决了外业采集难监管难题；另外，通过移动样本采集系统和样本审核系统双检校保证了最终样本成果质量，确保了遥感影像后期解译精度。