基于GPS和GIS的土地整理现场调查系统研究

基于GPS和GIS的土地整理现场调查系统研究作者：贾文涛刘峻明汪懋华0引言调查评价是土地整理项目管理中的一项核心任务，贯穿于整个项目周期。调查的方式或手段多种多样，根据目标的不同可选用不同的手段，这些手段可以归纳为“天上看、地上查、网上管。”天上看，就是利用遥感（RS）技术手段大面积、快速获取项目区信息，经内业解译、外业核实后对项目做出客观评价。几年来，国土资源部土地整理中心致力于遥感技术在土地整理项目监测评价中的应用研究，取得了重大进展，“天上看”已成为土地整理项目的重要监管手段。但目前遥感技术的全面推广应用还存在一些制约因素，如高精度遥感数据成本较高、数据获取困难、对工作人员专业技能要求较高等，在土地整理日常管理工作当中，更多地还是直接到项目区现场进行调查，这就是所谓的“地上查”手段。“网上管”则是指利用网络平台，完成信息的采集、查询统计和处理工作，得出评价结果[1][2]。土地整理项目不同管理阶段现场调查工作的侧重点不同。例如，在项目选址申报阶段，申报单位和设计单位技术人员需要到现场调查项目区的自然资源条件、基础设施条件、社会经济状况和权属情况等。在项目竣工验收阶段，需要对项目建设任务完成情况、工程质量、资金使用情况、制度执行情况等进行全面评价，给出项目是否通过验收的结论。但无论哪个阶段的现场调查工作，都可以归纳、抽象为四项基本任务：一是地物识别，对项目有关信息做出真实性判断，解决有没有、是不是的问题；二是地物量测，对项目有关信息如面积、长度等做出准确性判断；三是信息采集，通过一定的手段获取地形、土壤等基础信息；四是现场记录，在调查过程中将调查评价成果（文本或图形信息）现场记录或绘制下来。当前通常采用的现场调查方法是拿着地形图、项目现状图、项目规划图等各类纸质资料，根据各个管理环节不同的调查目标需求，利用常规工具完成目视定位、实地调查、测量、记录工作。这种传统调查方法在现场实际操作中存在很大问题，主要表现在：[2][3]（1）定位难。如调查人员对项目区不熟悉，遇到阴雨天，则不知东南西北，辨不清方向；如没有特别明显的地物标识，则调查人员不知身在何处。因为准确定位难，实地与图件不能联动，从而导致很难辨识项目区确切界线范围以及各类地物的确切位置和布局，给调查评价工作带来很大困难。（2）测量难。不论是测面积、测长度，还是数点状工程的数量，传统的方法都存在效率低、时间长、难操作的缺点，工作开展非常不方便。特别是地形复杂、项目区面积大的情况下，这个问题更加突出。（3）记录难。实地调查记录的内容多、工作量大，而且在野外记录不方便。实地调查完成后进行内业整理时，统计、汇总工作量大而繁杂。同时，记录的信息与实际地物是分离的，不便于使用管理。由此可见，缺乏先进工具的辅助，必然导致调查工作效率低下、准确度不高的结果，无法为土地整理项目管理工作及时提供真实、可靠的基础信息，从而影响对项目做出客观、准确的决策。土地整理管理工作要想上台阶、上水平，就必须上手段，依靠先进的信息工程和农业工程技术作支撑，进一步提高管理决策工作的质量和效率。1系统总体设计本文旨在围绕土地整理项目科学管理目标，开发一套支持土地整理现场调查的低成本、便携式、便利用的先进技术工具，为土地整理现场调查工作中存在的问题提供一个系统的解决方案，使复杂的现场调查工作变得简单而高效。同时，通过先进技术手段在土地整理项目管理中的试点示范，进一步创新管理理念，改进管理方法，优化管理模式，提升管理水平，从而切实提高国家投资效益，实现土地整理国家目标。根据土地整理项目现场调查工作特点，将基于GPS和GIS的土地整理现场调查系统定义为以PDA或手持GPS设备等移动终端为运行平台的便携式辅助调查系统，它的基本原理是：利用GPS的定位、导航和GIS的一般数字地图操作功能，通过地理位置的变化实现项目区实地和电子图件的实时联动，对项目现场地物的真实性和相关信息的准确性进行实时判断，现场记录或绘制调查成果。根据所选移动终端的不同，系统分为三个版本：PDA版、GPS手机版、高精度GPS版。平台不同，精度不同，可满足不同用户的不同需求[2][4]。为了完成土地整理现场调查任务，GPS-GIS辅助现场调查系统应该是集成GPS和GIS的一般功能、又能满足土地整理现场调查工作专业需求、以PDA等移动终端为基础平台的便携式系统。该系统应具备的功能如图1所示。该系统是一个典型的移动GIS，系统开发的核心技术是嵌入式GIS开发技术。移动GIS是一种应用服务系统，其定义有狭义与广义之分，狭义的移动GIS是指运行于移动终端(如PDA)并具有桌面GIS功能的GIS，它不存在与服务器的交互，是一种离线运行模式。广义的移动GIS是一种集成系统，是GIS、GPS、移动通信、互联网服务、多媒体技术等的集成。移动GIS运行于各种移动终端上，具有移动性；移动GIS作为一种应用服务系统，应能及时响应用户的请求，具有动态（实时）性；移动GIS可集成定位技术，用于实时确定用户的当前位置和相关信息，具有对位置信息的关联性；移动GIS可嵌入到不同的移动终端上，如手机、掌上电脑、车载终端等，适于不同形式用户使用。[5][6][7]。2关键技术实现2.1GPS现场定位与位置配准系统设定两种模式获取GPS位置信息：自动模式和手工模式。在自动模式下，系统每隔1秒就自动从GPS接收机获取位置信息；在手工模式下，用户必须按下某个键后才会得到GPS位置信息。GPS定位所得出的结果属于WGS84坐标，而在工程上实用的大多是国家坐标系，或者是独立坐标系。独立坐标系一般是在国家坐标系基础上形成的，因此，GPS定位结果的使用中就有与国家坐标系间的坐标转换问题，以进行位置配准。一般要通过两步转换：首先将WGS84的大地坐标（L，B）转换为对应于WGS84椭球的高斯平面坐标（X84、Y84），然后再经过平面坐标转换，将高斯平面坐标（X84、Y84）强制附合到本地高斯平面坐标系统。土地整理项目规划图和现状图等基础图件所采用的坐标系统通常是北京54坐标系、西安80坐标系，地图坐标系由大地基准面和地图投影确定，大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的大地基准面，北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的IAG75地球椭球体建立了我国新的大地坐标系——西安80坐标系。其中北京54坐标系采用的椭球体是Krassovsky，参数为长半轴a=6378245m，扁率f=1/298.30，西安80坐标系采用的椭球体是IAG75，参数为长半轴a=6378140m。而GPS采用的WGS84坐标系，其椭球体参数为a=6378137m，f=1/298.257。[8][9]要将GPS位置配准到土地整理项目规划图或现状图上，必须进行坐标变换。常用的变换方法有七参数模型、三参数模型、四参数模型等。七参数模型需要求解空间坐标x、y、z三个分量的旋转角度和平移量以及一个尺度参数，需要3个以上的公共点；三参数模型只需要求解x、y、z三个分量的平移量，只需一个公共点即可；四参数模型实际上是一个平面变换模型，需要求解旋转角和x、y分量的平移量以及一个尺度系数，需要两个以上公共点。土地整理项目空间范围一般都是在十几公里以内，在这个尺度下，三个模型结果差别很小。在本系统中采用四参数模型法进行变换。求解四参数的步骤如下：（1）选定两个以上的公共点，它们的WGS84坐标和北京54或西安80坐标是已知的；（2）由WGS84椭球参数，将公共点的WGS84坐标（B，L，H）换算到空间直角坐标（X1，Y1，Z1）；（3）由北京54坐标或西安80坐标椭球参数，将（X1，Y1，Z1）变换到大地坐标（B2，L2，H2）；（4）将大地坐标（B2，L2，H2）用高斯克吕格投影变换到北京54或者西安80坐标系中，得到（Xa，Ya，Za）；（5）不考虑高程因素，求算两个平面坐标系之间的转换参数。其中（Xb，Yb）是北京54或者西安80坐标；（Xa，Ya）是将WGS84大地坐标经（2）、（3）、（4）换算得到的坐标；是要求解的4个参数，分别表示x分量的平移量、y分量的平移量、尺度变化量、平面旋转角。得到4参数后，所有的WGS84大地坐标均可通过上面的步骤转换成为北京54或者西安80坐标。普通GPS单机定位的精度一般在10m左右，如果要获得较好的定位精度，必须进行差分。根据现场调查工作的特点，一般要求进行实时差分。伪距差分可以达到1～3m的精度，而载波相位差分则可以达到亚米以上的精度。本系统将GPS信息看成一个数据源，GPS设备接口也被设计为一个可以连接多种数据源的标准接口，这样可以让用户根据不同的精度需要选择不同等级的GPS接收机，在系统实现上只需要添加对相应设备的接口支持即可。在北京试点应用结果表明，利用TrimbleGeoXTGPS接收机，未差分的情况下精度可以达到6m左右，如果采用北京市虚拟参考站系统（VitualReferenceStation）进行实时差分处理，位置精度可以达到60cm左右。[10][11]利用系统的现场定位功能，可以快速定位到项目实地，准确定位到具体工程，实时显示行走路线，从而解决现场调查定位难的问题，做到现场调查“有的放矢”，从而在调查工作中变被动为主动。2.2现场调查数据准备在进行现场调查前，需要将土地整理项目的相关图件和数据导入到本系统中。大部分图件都是采用AutoCAD制作的，但AutoCad图上通常只有图形信息，没有属性信息。为了在调查现场能够进行实时的图形信息和属性信息互动查询，需要将AutoCad数据转换成图形和属性相互链接的GIS格式数据，在本系统中采用ESRI公司的Shape格式作为标准数据格式[11]。转换时，遵循以下规则：（1）尽量保留原有的AutoCad数据的分层方式，如果遇到同一图层中同时含有点、线、多边形等多种几何类型的地物时，则按几何类型进一步细分。（2）将图形数据中的地物转换成Shape图层的地物；图形数据中的图饰信息不转换，但在图层显示设置中允许设置类似的效果。（3）将属性数据从其它数据源导入到Shape数据的属性表中。在数据转换完成后，将PDA连接到PC机上，通过MicrosoftActiveSync软件把数据传送到PDA中。数据准备流程如图2所示。2.3电子手簿为了方便在调查现场及时记录调查情况，系统设计了电子手簿功能。通过电子手簿，可以在现场调查过程中方便地进行文字记录和标注，可以将文字信息与某个地物要素关联，也可以自动生成野外记录报告，从而解决现场调查记录难的问题。例如，对未达到规划图纸要求却进行施工的基础设施建设进行注释整改，或对土地利用违规建筑物进行判断标注等等。电子手簿标注可以叠加到地图上，以方便查询。电子手簿的数据结构如表1。为了便于对调查情况进行整理和生成调查报告，可以将电子手簿信息导出成文本文件，在普通PC机中可以用文本编辑器对它进行编辑和修改。2.4现场编辑现场编辑功能旨在实现草图的添加、编辑、删除等操作，其作用主要体现在两方面，一是在设计阶段设计者可以利用现场编辑功能记录相关信息，辅助项目规划设计工作，二是在项目检查时可以利用该功能对项目或者单体工程的位置和边界进行绘制，真实记录项目工程建设情况。用户沿项目区或者单体工程边界路线移动，通过GPS采集地理坐标信息，在结束后可以实时生成地物图形数据并进行属性输入。用UML2.0活动图来表达现场编辑的操作，如图3所示。2.5现场拍照在土地整理现场调查过程中，经常需要对现场及有关地物进行拍照，得到的影像资料特别是数字影像作为项目区的重要信息存储、管理起来。传统现场拍照虽然能够获取数字影像，但却无法实现影像与实际地物的关联，给资料的管理和使用带来了很大麻烦。系统提供的现场拍照功能可以使用户在现场得到地物数字影像资料的同时，将影像与地物关联起来，建立起影像与地物的对应关系，从而能够更全面、更客观地反映项目区的状