基于GIS的测量标志在线监测管护系统建设研究

谢 文,于文兵

(湖南省水文地质环境地质调查监测所,湖南 长沙 410100)

0 引言

测量标志是城市建设进行控制测量的基础,是国家的重要基础设施,在维护国家测绘基准安全、经济建设、生态建设以及国防建设等众多方面发挥着重要的作用[1]。但由于社会各方面对其保护工作重视不足、宣传不到位,加上维护管理工作方式落后、效率低下,导致全国各地许多测量标志遭受不同程度的破坏,完好率逐年下降。因此,如何高效管理测量标志成为自然资源部门亟待解决的问题之一[2]。2020年11月,自然资源部下发了《关于加强测量标志保护工作的通知》文件,文件明确要求要采用当前先进技术,提高测量标志信息化管理水平。为落实通知要求,本文利用GIS、智能传感、GNSS 、物联网、云计算、大数据等技术相结合对测量标志实行分类保护制度,基于天地图提供的地理信息服务框架,搭建智能、快速、高效的测量标志在线监测管护系统,加强测量标志实时监测能力,助力测量标志异常情况下的早发现、快响应,提升测量标志管理保护水平,更好地为城市经济社会可持续发展提供强有力的测绘保障。

1 建设原则

以规范和创新管理作为本次测量标志在线监测管护系统建设项目总体设计的出发点和落脚点;深化需求分析,做好需求调查,以“需求为导向、应用促发展”作为项目总体设计指导性方针;技术框架的选择要突出实用性、安全性、先进性原则,重点采用成熟技术,做到节约、实用,不片面追求技术的先进性;要强化资源整合,注重统筹开发,一方面对测量标准点之记、点成果、相关的文档成果等进行收集、整理和处理,另一方面要统筹好新建系统和原有系统间的关系,实现测量标志成果的互联互通、共享交换[3]。

2 总体设计

2.1 系统框架设计

测量标志在线监测管护系统采用面向服务的体系架构(SOA)。整个设计采用面向对象方法,分为5大核心层：基础设施层、数据层、服务层、应用层以及用户层。

1)基础设施层为系统运行提供各类软硬件基础设施,包括服务器资源、存储资源、网络资源、GIS软件、数据库软件等。

2)数据层为系统运行提供各类数据支撑：一方面调用天地图提供的地理信息数据,如电子地图、影像图、行政区划图等;另一方面通过收集、汇聚、处理等方式,形成设备数据、测量标准基础数据、异常信息数据以及其他数据等。

3)服务层是为了提高系统开发模块的利用效率,将常用功能封装成各种服务,如地图服务、传感器接口服务、报表引擎、Web服务以及文件服务等。

4)应用层是系统功能模块的窗口,包括9大核心功能,如监测点位图形可视化、测量标准信息管理、传感器设备管理、实施动态监测等。

5)用户层为用户提供系统终端,用户通过应用层直接访问管理测量标志信息和监测信息,主要包括测量标准管理用户和巡查用户。

系统框架设计如图1所示。

图1 测量标志在线监测管护系统框架设计Fig.1 Frame design of survey mark on-line monitoring management and protection system

2.2 系统网络架构设计

为了高效地实现测量标志传感数据的采集、接收和处理,利用NB-IoT窄带蜂窝物联网技术,对整个网络架构进行设计,主要包括数据上传、数据转发以及数据接收3方面内容。数据上传是在测量标志上部署倾角传感器,通过倾角传感器定期采集测量标志信息或突发报警信息,并利用中国电信NB-IoT窄带蜂窝物联网,将数据上传到中国电信物联网开放平台中。数据转发是利用中国电信物联网开放平台,对传感器进行注册、设备管理并将上传的数据转发给测量标志在线监测管护系统。数据接收是测量标志在线监测管护系统利用中国电信物联网开放平台提供的API和SDK,开发数据接收接口,实现数据的实时接收,同时还可以利用API修改倾角传感器参数[4]。系统网络架构设计如图2所示。

图2 测量标志在线监测管护系统网络架构设计Fig.2 Network architecture design of survey mark on-line monitoring management and protection system

2.3 功能模块设计

系统采用B/S结构,利用Java语言进行开发,功能模块设计工具采用Axure,GIS相关功能使用ArcGIS For JavaScript进行开发。系统功能模块设计如图3所示。

图3 测量标志在线监测管护系统功能模块设计Fig.3 Design of functional modules of survey mark on-line monitoring management and protection system

3 关键技术

3.1 天地图地理信息服务框架API接口调用

天地图是我国公开的公众地理信息服务平台,具有电子地图、影像图、行政区划图等多种不同类型的地理信息资源,能够为公众提供在线地图服务API接口以及位置服务接口[5]。本文对接天地图API应用接口,以地理信息数据为底图,叠加测量标志数据,实现测量标志的“一张图”展示,同时还利用天地图的位置服务对测量标志进行定位,具有精度高、操作简单等优点。

3.2 基于 SOA 架构实现平台的稳定可用

采用SOA架构,能够在服务松耦合基础上,充分对已有的服务进行复用,从而减少代码的修改量,有效避免软件代码出现盘根错节的现象。SOA架构通过服务契约进行架构设计,不再局限于某个具体语言框架,能够直接与服务对接,将服务作为IT与测量标志业务的桥梁,从而让业务要求更高效的得到响应。同时,它还具有良好的稳定性、可扩展性、开放性等优点,能够满足后期系统需求的扩充[6]。

3.3 基于B/S架构模式构建

基于B/S架构进行系统功能的开发,即利用Web浏览器,在任何时间、任务机器上都可以访问系统。系统采用Web2.0思想,将测量标志在线监测管护功能设计得易使用、易操作,让各类用户更容易上手[7]。在此基础上,还利用GIS技术,通过图形化的方式提供各种操作手段,使得测量标志信息表现方式更直观、更清晰、效率更高,让用户使用系统具有良好的体验感。

4 系统实现

4.1 监测点位图形可视化

通过调用天地图的电子地图、影像图以及行政区划图等,实现测绘标志位置、传感器位置等在地图上进行展示,同时提供地图基本操作、专题图层控制、地图打印、地图标绘以及地图对比等。地图基本操作提供地图放大、缩小、全图展示、全屏展示以及地图平移等。专题图层控制支持对不同级别的测量标志专题图层的展示、关闭、透明度调整、顺序调整等。地图打印是用户可对电子地图的地图打印参数信息进行配置。支持用户增加、修改以及删除打印参数信息。地图标绘是用户对电子地图的地图标绘自定义样式信息进行配置。支持用户增加、修改以及删除标绘样式信息。地图对比包括分屏对比和卷帘对比两种,分屏对比是将窗口分为左右两屏,每个图提供8个操作点作为地图移动按钮,两个地图屏幕分别提供地图选择列表,最多选择两个地图执行叠加操作,后选择的地图显示到地图的最前面,两个地图范围同步移动。卷帘对比是将地图分为遮罩层和对比层。遮罩层在地图的上部,可以在遮罩层列表中选中需要叠加的地图,后选择的地图显示在遮罩层的最上层;对比层在地图的下部,作为与遮罩层的对比,可以在对比层中选择需要对比的地图,后选择的地图显示在对比层的最上部。监测点位展示界面图如图4所示。

图4 监测点位展示界面图Fig.4 Interface of monitoring point display

4.2 实时动态监测

主要包括监测信息地图展示和实时监测数据统计分析展示两方面内容。监测信息地图展示是对倾角传感器数据进行24 h不间断接收,并在地图上实时显示测量标志监测和指标信息,如测量标志正常数量、疑似异常数量以及测量标志的正常数量比率等,同时通过输入关键字或选择查询条件的方式对需要查看的测量标志及传感器设备进行搜索查询,搜索条件包括测量标志编号、传感器设备IMEI、当前状态等信息。实时监测数据统计分析展示是系统利用实时监测数据形成可视化动态监测统计图,以更加动态的画面为相关业务人员及领导提供实时数据依据展示,如统计近7日的保护装置以及监测设备的异常情况,年度异常统计,并通过折线图进行直观展示。

4.3 测量标志信息管理

对测量标志信息进行有效管理,实现测量标志的增、删、改、查等操作。测量标志新增是在测量标志专题地图上添加测量标志,添加相应的点位信息和基础信息,如点名、等级、经纬度、所处位置等。测量标志删除是具有删除权限的用户(通常为管理员或超级管理员)可以直接删除测量标志的相关信息。删除后,系统即无法恢复该标志的相关信息。测量标志查询支持通过选择条件和输入关键字对测量标志进行查询,查询信息包括测量标志点号、点名、坐落等信息。

4.4 保护装置位移预警

主要实现对监测点传感器监测报警信息的管理,通过传感器监测结果对所监测的测量标志保护装置状态进行预警,并对预警级别、预警信息以及预警记录进行管理。当平台监测到传感器出现预警信息时,平台自动进行预警。系统在地图上以列表的形式对传感器的预警数据进行展示,展示内容包括报警传感器IMEI、关联测量标志点号、预警状态、预警信息、预警时间、预警处理状态、预警处理时间并支持根据属性条件对预警信息进行查询。当发现异常时,巡查人员实地巡查解决传感器报警后,可以点击上报异常按钮,跳转到上报异常界面,填写相关信息,上传处理结果现场图片[8]。

4.5 保护装置位移提醒

对保护装置的异常状态进行预警提醒,预警方式包含颜色标识提醒、系统消息提醒、广播提醒以及短信提醒等。短信提醒主要实现将异常信息以短信形式直接发送至指定管理员和受托管的巡查员的手机,通知巡查员迅速到达实地进行查看。系统消息提醒系统以消息和字幕滚动的方式对传感器报警信息进行快速提醒。提醒内容预设为：位于XX(地点)的传感器设备(设备编号：XXXX)疑似XXX(具体情况),请尽快赶至现场进行查看,并进行反馈。

4.6 报表管理

根据日常管理需求开发工作报表,如监测信息历史明细表、测量标志异常历史明细表、监测设备异常历史明细表等,配合强大的查询统计以及分析功能可以为不同部门、不同人员提供各种数据和报表支持。监测信息历史明细表是对持续监测到的所有测量标志信息进行记录,包括是否正常以及是否异常等信息。测量标志异常历史明细表是对持续监测到的所有监测设备异常信息进行记录,包括设备在线情况和离线情况等信息。监测设备异常历史明细表是对持续监测到的所有监测设备异常信息进行记录,包括设备在线情况和离线情况等信息。

4.7 用户管理

实现系统用户的增删改查以及用户使用权限的设置,用户包括普通管理员用户以及巡查人员用户。其中,巡查人员用户应与测量标志相关联,支持直接对巡查人员所负责的测量标志进行绑定,巡查人员只能看到以及接收到指定测量标志的相关信息,同时支持查看和上传巡查委托协议。

5 系统应用

测量标志在线监测管护系统已在长沙市成功投入运营,经过一段时间的运行,取得了三点应用成效：

一是提高了测量标志的管理效率与准确性。过去,测量标志管理是基于传统的手工检查和记录,往往导致了数据的遗漏和错误。系统运行后,测量标志的管理变得自动化、数字化,使得数据更新的速度和准确性都得到了显著的提高。通过系统的实时监测和动态反馈,市政府能够迅速了解到每一个测量标志的状态,从而更加精确地进行规划和调整。

二是加强了紧急预警与响应能力。系统内置的预警功能确保了在测量标志出现异常状态时,相关人员能够第一时间获得通知。如,当某一测量标志的传感器数据显示出异常偏移时,系统自动触发预警,巡查人员会通过短信、系统消息和其他提醒方式迅速得知,大大缩短了响应时间,并确保问题得到及时处理。

三是促进了数据化管理和决策。系统提供了丰富的数据资源,支撑了各级管理者进行数据驱动的决策。系统生成的报表,如监测信息历史明细表、测量标志异常历史明细表等,让管理人员能够全面了解测量标志的运行状况,从而制定更为科学和合理的管理策略和计划。

6 结束语

本文根据测量标志管理的业务需求,利用GIS空间技术优势,结合NB-loT、云计算及大数据分析等技术,搭建测量标志在线监测管护系统,极大提高了测量标志管理的科学化、信息化。系统的建设是将智能传感器设备引入测量标志保护监管工作中,是现代技术与传统管理之间的完美结合,是基础测绘工作的一大改革,也是测量标志保护工作的新时代里程碑,不仅强化了测量标志实时监测能力,提升测量标志管理保护水平,也为经济社会可持续发展提供了强有力的测绘保障,同时也为测量标志保护工作提供了“智慧方案”。