王孝青，武軍酈，陳　明

(國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京　100830)

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基于BDS的地理信息數(shù)據(jù)采集平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王孝青，武軍酈，陳明

(國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京100830)

針對(duì)BDS在地理信息數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，位置數(shù)據(jù)、影像底圖和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪等多類(lèi)型數(shù)據(jù)的格式和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)匹配問(wèn)題，提出了綜合地理信息采集核查和自動(dòng)處理方法，這種方法可以提高綜合數(shù)據(jù)采集的多源性、準(zhǔn)確性和高效性；論述了利用BDS構(gòu)建的地理信息數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路和功能特點(diǎn)。測(cè)試表明：該平臺(tái)支持多源數(shù)據(jù)、應(yīng)用范圍廣，能夠滿(mǎn)足一般性的綜合地理信息數(shù)據(jù)采集與底圖調(diào)繪需求，可應(yīng)用于地理國(guó)情普查與監(jiān)測(cè)、野外數(shù)碼調(diào)繪及其他行業(yè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

BDS；地理信息；數(shù)據(jù)采集；地理國(guó)情普查

0　引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)作為中國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)[1]，是繼美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)格洛納斯(global navigation satellite system，GLONASS)之后，第3個(gè)正式開(kāi)始使用并且成熟運(yùn)作的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[2]。2012年，我國(guó)BDS的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)正式面向所有亞太地區(qū)全面提供導(dǎo)航定位、授時(shí)等民用服務(wù)。預(yù)計(jì)我國(guó)將在2020年建成具有35顆衛(wèi)星的BDS全球?qū)Ш较到y(tǒng)。屆時(shí)，BDS將會(huì)在全球范圍內(nèi)全天候提供服務(wù)，為各類(lèi)導(dǎo)航應(yīng)用用戶(hù)提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航、準(zhǔn)確定位、通訊授時(shí)服務(wù)，同時(shí)具備衛(wèi)星短信通訊能力[3]。

衛(wèi)星導(dǎo)航與地理信息產(chǎn)業(yè)一直密不可分，衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)在國(guó)家地理信息產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中具有指導(dǎo)性地位，也是不可缺少的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。為了滿(mǎn)足地理信息綜合數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用需求，需要大力開(kāi)展基于BDS的多源數(shù)據(jù)綜合采集工作，包括位置信息、野外照片、視頻、音頻，以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪等多維動(dòng)態(tài)信息。

本文基于BDS在測(cè)繪地理信息的應(yīng)用，結(jié)合MapWinGIS技術(shù)[5-6]，研究設(shè)計(jì)符合新型測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)綜合采集的應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)地理信息綜合數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取與應(yīng)用，為BDS產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供一種可行的解決方案和實(shí)現(xiàn)方法。

1　總體設(shè)計(jì)思路

基于BDS，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、遙感(remote sensing，RS)、網(wǎng)絡(luò)、通訊等技術(shù)，設(shè)計(jì)和研制具有采集與核查、指揮與調(diào)度、安全管理、數(shù)據(jù)處理等功能的地理信息外業(yè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)[7-8]，解決以BDS導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)為核心地理信息采集數(shù)據(jù)在不同格式、不同比例尺等情況下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、服務(wù)提供及各種有共同特征的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用問(wèn)題，提高作業(yè)效率、降低外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度、加快地理數(shù)據(jù)的快速更新。平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總體思路如圖1所示，主要包括BDS技術(shù)、硬件、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議研究、采集平臺(tái)研制和應(yīng)用測(cè)試。

圖1　總體設(shè)計(jì)思路

2　主要功能及其技術(shù)研究

2.1數(shù)據(jù)采集核查

根據(jù)實(shí)際測(cè)繪地理信息外業(yè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的需要，在野外工作時(shí)采用平板電腦，配以合適精度的BDS接收模塊、攝影頭、音頻設(shè)備，以及需要調(diào)繪的影像底圖，到實(shí)地進(jìn)行地圖核查判調(diào)，快速定性、標(biāo)記、修測(cè)、補(bǔ)測(cè)，并記載采集路徑，整理出符合要求的結(jié)果數(shù)據(jù)提交內(nèi)業(yè)。該功能旨在促使測(cè)繪地理信息野外數(shù)據(jù)流程采集信息化，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化、內(nèi)外業(yè)一體化、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，提高作業(yè)效率，降低外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，加快地理數(shù)據(jù)的快速更新。

2.2數(shù)據(jù)處理

該平臺(tái)可將各類(lèi)信息數(shù)據(jù)資源進(jìn)行加載、管理、更新、維護(hù)，并對(duì)不同格式、不同坐標(biāo)系統(tǒng)的地理信息數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換服務(wù)。支持多種坐標(biāo)系統(tǒng)位置數(shù)據(jù)和底圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，包括單點(diǎn)/多點(diǎn)、單/多數(shù)據(jù)文件、大批量底圖數(shù)據(jù)的格式和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。根據(jù)作業(yè)范圍可實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的自動(dòng)裁切、分級(jí)與快速瀏覽。

針對(duì)目前常用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需求，以及BDS坐標(biāo)系統(tǒng)特點(diǎn)，平臺(tái)支持1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系和中國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)之間的相互轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)3參數(shù)法、4參數(shù)法和7參數(shù)法轉(zhuǎn)換。一般將BDS測(cè)量的CGCS2000坐標(biāo)(X2000，Y2000，Z2000)通過(guò)空間轉(zhuǎn)換模型轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)系的空間直角坐標(biāo)，例如1954北京坐標(biāo)系(X54,Y54,Z54)。其7參數(shù)轉(zhuǎn)換模型為

(1)

簡(jiǎn)寫(xiě)為

(2)

由于是線形模型可以改寫(xiě)為

(3)

式中：(x0,y0,z0)為3個(gè)平移參數(shù)；(α,β,γ) 為3個(gè)旋轉(zhuǎn)角參數(shù)；k為尺度參數(shù)。將(X54,Y54,Z54) 轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度和大地高(B,L,H)，再由經(jīng)緯度經(jīng)高斯投影即可得到地方平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

2.3安全管理

高精度的導(dǎo)航定位信息和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)屬于有嚴(yán)格保密要求的涉密數(shù)據(jù)，當(dāng)工作過(guò)程中不可避免地需要使用涉密信息數(shù)據(jù)時(shí)，除了要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)章制度和保密規(guī)定要求外，還應(yīng)采取技術(shù)手段保障數(shù)據(jù)安全[9-10]。對(duì)此，安全平臺(tái)需通過(guò)技術(shù)手段進(jìn)行身份認(rèn)證、授權(quán)管理、數(shù)據(jù)加密、外發(fā)監(jiān)控控制、終端監(jiān)控審計(jì)和移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備管理等多方位措施，形成整體、全方位的數(shù)據(jù)安全保護(hù)體系。

1)授權(quán)管理模塊。授權(quán)管理模塊作為平臺(tái)的安全管理功能模塊具有極其重要的作用，用戶(hù)在使用涉密數(shù)據(jù)及應(yīng)用平臺(tái)終端前首先必須經(jīng)過(guò)用戶(hù)認(rèn)證授權(quán)、終端注冊(cè)后才可使用，在經(jīng)注冊(cè)過(guò)的安全終端內(nèi)設(shè)立數(shù)據(jù)安全環(huán)境，涉密數(shù)據(jù)進(jìn)入安全終端后即變成加密后信息，只有認(rèn)證用戶(hù)才有權(quán)限查看使用。

2)數(shù)據(jù)安全審計(jì)模塊。數(shù)據(jù)安全審計(jì)模塊用于監(jiān)視并記錄對(duì)應(yīng)用平臺(tái)終端中的涉密數(shù)據(jù)所進(jìn)行的各類(lèi)操作行為，并記入審計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中以便日后進(jìn)行查詢(xún)、分析、過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)對(duì)涉密數(shù)據(jù)使用用戶(hù)的操作進(jìn)行監(jiān)控和審計(jì)。可以監(jiān)控和審計(jì)用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)使用時(shí)間、修改和刪除等操作記錄。若監(jiān)視到違規(guī)操作，即可報(bào)警通知管理人員，為安全管理人員及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和制止用戶(hù)違規(guī)操作行為提供技術(shù)支持。能夠有效彌補(bǔ)相關(guān)規(guī)章制度在實(shí)際操作中的不足，為載有涉密數(shù)據(jù)的終端應(yīng)用平臺(tái)的安全使用提供有力保障。

2.4指揮調(diào)度

平臺(tái)將帶位置信息的多源信息組成規(guī)范信息，從中提取需要回傳的信息，經(jīng)過(guò)信息編碼，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通訊技術(shù)實(shí)時(shí)回傳采集成果，同時(shí)可接收調(diào)度指令，達(dá)到監(jiān)控與管理的目的，從而可實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)指揮。

3　主要特點(diǎn)分析

3.1支持多源信息采集

1)支持BDS、GPS、羅盤(pán)、陀螺儀等設(shè)備，具備導(dǎo)航定位路徑記錄功能。

2)支持通用的tif、img、GeoTIFF、shp、mdb等柵格、矢量格式數(shù)據(jù)的直接加載。可輸出GDB、DXF、SHP等常規(guī)軟件兼容的數(shù)據(jù)，方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3)支持點(diǎn)、線、面等多種方式的地理要素快速標(biāo)注、涂鴉功能，提供自定義CC碼功能，可方便地進(jìn)行編輯。

4)支持500萬(wàn)個(gè)像素的高清分辨率拍照、視頻錄制。

3.2支持自動(dòng)數(shù)據(jù)處理

1)自動(dòng)獲取經(jīng)緯度、高程、方位角、時(shí)間、俯仰角、橫滾角等指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2)自動(dòng)裁切遙感影像，能夠?qū)崿F(xiàn)采集照片、裁切影像的整理與屬性編輯。

3)多尺度影像處理生成金字塔，實(shí)現(xiàn)海量影像數(shù)據(jù)加載和快速瀏覽。

4)支持1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系和CGCS2000轉(zhuǎn)換。

3.3支持多類(lèi)型業(yè)務(wù)的軟件復(fù)用

1)面向?qū)ο蟆⒔M件與WebService等技術(shù)提高了軟件復(fù)用性，組件開(kāi)發(fā)者只用調(diào)用相關(guān)接口即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，大大提高了開(kāi)發(fā)效率。

2)采用全插件式體系結(jié)構(gòu)，不僅復(fù)用相關(guān)的功能模塊，還支持資源的重用，包括：符號(hào)庫(kù)、風(fēng)格庫(kù)、界面庫(kù)、圖標(biāo)等資源。

3)項(xiàng)目的研制成果可以應(yīng)用在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、地理數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新以及測(cè)繪應(yīng)急服務(wù)中。

4　平臺(tái)測(cè)試

4.1測(cè)試方法

采用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行基本功能測(cè)試。首先內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備底圖數(shù)據(jù)，創(chuàng)建地表覆蓋等工作數(shù)據(jù)圖層，進(jìn)行任務(wù)劃分；然后到外業(yè)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)及任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)繪、核查、樣本采集等工作，檢驗(yàn)軟件是否符合工作流程，是否可正?？焖俜奖愕赝瓿扇蝿?wù)工作，是否可長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行；并對(duì)調(diào)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存檔。

外業(yè)測(cè)試分別采用車(chē)行、步行、靜態(tài)方式進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于不同的采集方式進(jìn)行測(cè)試結(jié)果分析，判斷在不同模式下地理信息數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性。車(chē)行、步行、定點(diǎn)靜態(tài)測(cè)試速度分別約為40、0.05、0 km/h。車(chē)行測(cè)試在慢行車(chē)道環(huán)境下測(cè)試，步行測(cè)試在人行道行走測(cè)試，定點(diǎn)靜態(tài)在路邊定點(diǎn)測(cè)試。

4.2結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析，得到不同測(cè)試方案的測(cè)試結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了平均可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、采集點(diǎn)數(shù)，以及BDS定位結(jié)果與高分辨率底圖偏移點(diǎn)數(shù)及其所占比例。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1　測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)：車(chē)行測(cè)試中BDS定位軌跡較為準(zhǔn)確，與底圖吻合較好；而步行由于速度較慢，行走在有遮擋的人行道，BDS定位軌跡稍差，與底圖吻合較差；由于定點(diǎn)靜態(tài)測(cè)試在路邊，有一定的遮擋，測(cè)試結(jié)果最差，但是能夠滿(mǎn)足一般性地圖調(diào)繪。結(jié)果表明，該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下BDS定位結(jié)果與底圖的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換、匹配、顯示，2者匹配速度和精度能夠滿(mǎn)足多種環(huán)境下一般性底圖調(diào)繪和多源地理信息采集。

數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性會(huì)受到硬件配置、BDS接收模塊性能、運(yùn)動(dòng)速度、測(cè)試環(huán)境的影響，若要進(jìn)行高精度亞m級(jí)地理信息位置采集，需要進(jìn)一步開(kāi)展BDS差分定位終端集成或輔助BDS定位系統(tǒng)研制。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文考慮了高精度地理信息數(shù)據(jù)采集更新中存在的重大安全隱患，采用我國(guó)自主研發(fā)的BDS實(shí)現(xiàn)了地理信息采集平臺(tái)，具備數(shù)據(jù)采集核查、數(shù)據(jù)處理、指揮調(diào)度、安全管理等功能，解決了多源數(shù)據(jù)綜合采集、影像數(shù)據(jù)坐標(biāo)與BDS定位結(jié)果的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換與匹配問(wèn)題，為動(dòng)態(tài)綜合安全測(cè)繪模式提供了一種技術(shù)參考。研究成果將會(huì)有助于豐富測(cè)繪地理信息的技術(shù)體系，加速BDS產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并有效提升我國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)化科技和服務(wù)水平。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41504020)；2015年國(guó)家測(cè)繪地理信息局基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目(基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用平臺(tái)研制與應(yīng)用)。

王孝青(1983—)，女，山東濟(jì)寧人，碩士，工程師，研究方向?yàn)镚NSS地理信息數(shù)據(jù)的采集與處理技術(shù)。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160320.

P228

A

2095-4999(2016)03-0100-04

引文格式：王孝青，武軍酈，陳明.基于BDS的地理信息數(shù)據(jù)采集平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，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.)