基于GIS模型的区域地理信息实时测绘系统设计

于波，陈威昊

(1.延吉市规划勘测设计院，吉林 延吉 133000； 2.沈阳市城市测绘有限公司，辽宁 沈阳 110000)

1 引 言

随着数字技术的计算机信息技术的蓬勃发展，测绘工作面临着重要的发展机遇，随着测绘技术日新月异的发展以及社会建设对测绘成果的需求，对测绘工作智能化提出了更高的要求，只有更智能的测绘技术，才能更好地为社会各行各业提供保障服务[1～3]。

全球卫星导航定位系统的出现和相关计算机技术的融合创新，很好地解决了测绘工作中实时定位的问题[4]。测绘工作中重要的是采集各种地理信息，在不同的发展阶段，人们对地理信息的获取方式采用了不同的手段，随着新发展阶段的到来，人们逐渐提高了对测绘工作中地理信息获取的要求[5]。如文献[6]内提到的面向三维SAR的测绘技术，该技术在采集地理信息后，构建三维模型，通过加入高程向误差分量的仿真数据清楚了位置偏移误差，保证了模型的精确水平，三维SAR系统对测绘工作有很大帮助，但是在目前的应用环境下，远距离控制信号时延比较高，地理信息采集的速度也不能保证，测绘系统的通信水平需要进一步提高。文献[7]提到的基于无人机的测绘系统存在类似的问题，使用无人机技术采集大量三维信息，为测绘工作提供更完整、可靠的地理信息，但是并没有解决信号时延高的问题，系统的通信能力很难得到保障。本文提出基于GIS模型的区域地理信息实时测绘系统设计，解决现行测绘系统存在的时延问题。

2 基于GIS模型的区域地理信息实时测绘系统硬件设计

在系统硬件设计中，主要在原有的硬件结构基础上对部分功能进行优化，测绘系统硬件整体框架如图1所示。

图1 系统硬件框架图

考虑到测绘系统设计是为了提高通信水平，在硬件设计中，优化硬件部分的通信能力。对于区域地理信息的获取，主要依赖系统硬件的探测模块，探测模块中包含发射端和接收端，在此基础上，在探测模块增加一个功率放大电路和接收端前置放大电路[8]。接收端前置放大电路使用的运算放大器型号为AD827，该器件最高转换速率可达 300 V/us，功耗较低[9]。增益调节电路的设置能够同时达到保护电路和提高信号质量。

系统功能的实现离不开软件与硬件的合作，测绘系统软件部分处理的都是离散的电信号，对于产生的信号，设计数模转换电路将数字信号转换成模拟量，再经过模数转换电路，将探测到的回波信号转换成离散的数字信号，传递到软件部分执行下一步操作。

在获得区域地理信息后，信息的传输安全是一个重要问题，信号的传输离不开通信技术的支持，现阶段无线传输技术发展趋势良好，相比传统的有线传输模式，无线传输更加方便，覆盖的范围也更广泛[10]。在测绘系统硬件设计中，在硬件结构中加入无线传输模块，设计的无线传输模块由WiFi模块、静态随机存储器和GPRS模块组成。在无线传输模式的支持下，采用WiFi和GPRS双网通信的模式支撑系统通信功能的实现，在近距离区域内，以WiFi模块作为通信的主要支撑，在远距离区域，切换GPRS网络，实现远距离通信，通过这种灵活的通信模式保证了测绘系统在任意环境中就能实现无障碍通信。

3 基于GIS模型的区域地理信息实时测绘系统软件设计

3.1 GIS模型的接入方案设计

使用GIS模型作为测绘系统的区域地理信息绘制平台，设计测绘系统与GIS模型的接口方案，在测绘系统数据交换功能的支持下，采用AutoCAD提供标准的DXF数据交换文件，将获取的区域地理信息通过AutoCAD转换为DXF数据，导入到GIS模型中，通过图像绘制算法，绘制出区域地理模型。

3.2 空间数据库集成结构设计

在测绘系统与GIS模型连接后，设计GIS与区域地理信息数据库的集成结构，考虑到测绘系统以测量、绘制为核心，需要空间分析能力以及图像数据管理、地理模型操作等功能，采用紧密集成的方式将GIS与地理信息数据库集成在一起，形成空间数据库。采用Visual Basic作为集成环境，通过数据环境、DAO和Active数据对象技术集成空间数据库，调度动态链接库，实现GIS与测绘系统之间的实时数据传递和数据表现，其结构形式如图2所示。

图2 测绘系统空间数据库的紧密集成方案

以GIS模型和空间数据库作为支撑，绘制区域图像。

3.3 数据实时处理算法设计

在区域图像绘制中，以采集的地理信息作为区域图像的提供方，以地图上点的经纬度作为参考，给定一个控制点集{q0，q1，…，qN}，设置起始控制点为q0，依次连接所有控制点，一直连到qN，将qN与起始控制点q0相连，确定多边形区域。

绘制图像中，已知控制点集合{p0，p1，…，pN}，其中pi(xi，yi)，p2(x2，y2)、p3(x3，y3)，令i=0，依次取点pi(xi，yi)、pi+1(xi+1，yi+1)、pi+2(xi+2，yi+2)、pi+3(xi+3，yi+3)，令pi=p0、pi+1=p1、pi+2=p2、pi+3=p3，如果x0

(1)

(2)

(3)

求解以下方程组：

(4)

计算出m1和m2的值。以上公式中l、a、m和v均为计算过程中的临时中间变量。

3.4 基于三次样条逼近技术的区域图像绘制算法

如果采集的地理信息提供的控制点个数为3n+1，其中n∈N，利用三次样条曲线从起始控制点依次用平滑曲线连接到终止控制点，再将起始控制点与终止控制点相连，，得到最后一个区间为[xN，x0]，令x0=x3、x0=x3，计算三次样条曲线的曲线函数。计算公式如下：

(5)

公式中x∈[x2，x3]。如果控制点数减少了两个，为3n+2，相应的区间为[xN-2，xN-1]和[xN-1，xN]。此时，令xN-2=x1、xN-1=x2、xN=x3，利用三次样条曲线的函数中的曲线函数：

(6)

公式6中x∈[x1，x2]，此时将式(5)与式(6)结合，即可得到最后的区域图像的边界函数。如果用户提供的控制点个数为3n，多出两个控制点，依次用曲线连接到倒数第三个控制点。在连接控制点后，相应的区间为[xN-2，xN-1]、[xN-1，xN]和[xN，x0]。此时，令xN-2=x0、xN-1=x1、xN=x2、x0=x3，同样利用三次样条曲线的函数计算，公式如下：

(7)

将式(5)、式(6)和式(7)结合在一起计算，即可绘制出曲线区域，形成区域图像。至此，基于GIS模型的区域地理信息实时测绘系统设计完成。

4 基于GIS模型的区域地理信息实时测绘系统实验研究

4.1 实验方案设计

区域地理信息实时测绘系统在设计完成后，需要对系统的实际功能进行研究测试，在研究中发现系统的不足，以便及时改进，完善系统功能。考虑系统由软件和硬件两部分组成，在实验研究中，也从系统的硬件和软件两部分入手设计实验方案，在硬件测试中，针对地理信息采集的性能，设计地理信息读取速度实验，设置顺序读取和随机读取两种信息读取状态，使用第三方软件监控系统运行过程，输出实验结果后，依据实验结果分析系统硬件应用水平；在系统软件测试部分，以系统通信信号的质量作为实验目标，设置不同的测量距离，采集系统运行过程中产生的通信信号，计算通信信号的延时时间和处理数据的大小。

为了突出设计的测绘系统的应用水平，实验以对比实验为主，在实验前，引入两种常规的测绘系统，分别是三维SAR的测绘系统和基于无人机的测绘系统，以实际地区地形为例，采集数据信息，模拟实验数据。数据模拟显示界面如图3所示。

图3 数据模拟显示界面

在数据模拟完成后，提交信息到实验数据库中，为各个测绘系统提供地图浏览功能，以便测绘系统在相同的实验环境下采集地理信息。在上述内容准备完成后，研究测绘系统的硬件性能和软件性能。

4.2 信息传输速度实验结果与分析

在信息传输速度实验中，以实验数据集中的地理信息作为目标，使用不同的测绘系统读取地理信息，使用第三方软件监督测绘系统运行过程中，输出顺序读取状态下和随机读取状态下传输读取速度。实验结果具体内容如图4所示。

图4 不同测绘系统的信息传输速度实验结果

图中显示的实线表示顺序读取状态下测绘系统硬件信息读取速度，虚线表示随机存取速度。对比观察图中结果，基于三维SAR的测绘系统在读取地理信息时，由图4(a)可知，该方法，顺序读取时速度变化有明显波动变化，整体处于较低的水平，平均读取速度为 31.6 MB/s，在随机读取状态下，多次随机读取速度相近，没有出现比较大的变化，平均读取速度为 76.8 MB/s，读取速度较快，由此可知，随机状态下测绘系统地理信息读取速度有明显的提升。

由图4(a)、图4(b)可知，基于无人机的测绘系统在读取地理信息时，读取速度结果与基于三维SAR的测绘系统读取地理信息方法相似。

在三种测绘系统中，如图4(c)所示，本文提出的测绘系统地理信息两种读取速度均最快，且随机读取速度高于顺序读取速度。从随机存取时间指标和CPU利用率指标实验结果可知，三组实验结果中，本文提出的测绘系统地理信息读取方法，随机存取时间最短，CPU利用率最低，说明提出的测绘系统在读取地理信息时，具有节省资源、速度快的特点。

4.3 通信信号质量实验结果与分析

通信信号质量实验场景在室内环境搭建，模拟区域地理信息实时测绘的测试距离，为了保证实验的公平公正，对通信信号特征进行设置，设置采样率为 2 MHz，每个周期包含 65 536个采样点，持续时间为 5 ms，每个周期内包含 10 000个有效数据点，信号的时域特性和频域特性符合图5所示的情况。

图5 通信信号的时域特征和频域特征

完成实验环境的搭建后，开始通信信号质量实验，搭建的实验环境在室内 10 m2范围内，将测绘系统和目标布置在WiFi信号的覆盖范围内，将测绘系统安装在计算机上，按照设定的周期发送通信信号，系统的接收端再采集回波信号，在一次实验完成后，调整测量距离，得到多组实验结果。通信信号质量实验结果具体内容如表1所示。

不同测绘系统通信信号质量实验结果 表1

通过表中数据可知，随着测试距离的增加，测绘系统的信号延时也在不断增加，接收数据量在不断减小，对比三组实验结果数据可知，提出的基于GIS模型的实时测绘系统信号时延最低，在正常的信号时延变化范围内，与其相比，另外两组实验结果并不理想，时延高，接收的数据量也比较少，说明通信质量受到时延的影响较大，数据的安全性和完整性难以保证。将上述结果与信号传输速度实验结果结合在一起分析可知，设计的基于GIS模型的测绘系统通信信号质量高，信号传输速度快，提出的测绘系统优于常规的测绘系统。

5 结 语

本文以区域地理信息实时测绘系统为研究目标，在相关研究资料和技术的支持下，设计了基于GIS模型的区域地理信息实时测绘系统，从硬件和软件两方面对系统进行的性能上的优化，并在系统设计完成后，以常规的测绘系统为研究对象，从系统软件和硬件两方面设计对比实验，在实验结束后，通过实验结果证明了设计的基于GIS模型的测绘系统具有高水平的通信能力，能够为区域地理信息实时测绘项目作出贡献。但是，在系统的设计过程中，受到开发技术和研究时间的限制，系统的部分功能并没有得到完整的验证，在用户体验和操作灵敏上还需要进行更进一步的研究与分析，在后续研究中，将从用户体验和用户操作满意度两个方面展开研究与验证，进一步完善测绘系统的各项功能，为测绘工作提供一定的技术支持。