基于協同服務的移動實時測圖系統

張海濤，高莎莎，杜國慶，江 暢

(1．南京郵電大學地理與生物信息學院，江蘇南京210003;2．南京師范大學地理信息科學江蘇省重點實驗室，江蘇南京210097;3．江蘇省測繪局，江蘇南京210013)

一、引 言

隨著空間技術、信息技術、“3S”技術(GPS、RS和GIS技術)等現代高新技術的發展和在測繪領域的滲透與融合，測繪技術體系經歷了傳統的模擬測繪、數字測繪的變革，進入了信息化測繪時代[1，2]。

空間數據采集、制圖作為信息化測繪的重要環節，其精確性、實時性是決定整個測繪流程效率的關鍵。傳統的測圖方法：內、外業分離的測圖模式以及簡單移動測圖的方法均存在效率低、不適合多群體并行作業的大規模測圖工程的缺點。為此，本文提出基于無線數據實時傳輸的內、外業一體化的移動測圖模式，并重點研究移動測圖系統中群體協同服務的方法。實踐證明，基于協同服務[3]的移動測圖系統可以顯著提高多群體并行作業的大規模測圖工程的效率。

二、傳統的移動測圖及存在問題

目前，測圖作為信息化測繪的重要組成環節，其組織、管理、調度水平仍顯滯后，典型的作業方法包括兩種模式。

1．內、外業分離的測圖模式

測圖作業嚴格劃分為兩個相對獨立的階段：外業數據采集與內業制圖[4]。該模式的主要缺點是割裂了測圖作業的整體性，外業數據采集過程中不能及時、有效地發現錯誤(編碼錯誤、測漏、重測以及精度超限等)，待內業數據制圖時才發現問題，往往無法彌補，通常需要進行再次或多次的返測，引起大量的重復勞動，造成人力、物力資源的浪費。

2．移動測圖模式

內業制圖功能移植到外業數據采集設備上，實現空間數據采集、制圖的一體化。主要有3種實現方法。

1)全站儀+PDA的方法。建立PDA與全站儀的串口通信，在PDA設備上存儲坐標點、編碼等，進行簡單的數據質量檢查與成圖。

2)RTK流動站+手簿的方法。手簿為RTK廠商配套專用的智能設備，完成與流動站設備的數據集成與簡單成圖。這兩種簡單移動測圖的方法雖對傳統的內、外業分離的制圖模式所有改進，但是在應用過程中存在較大的局限性：野外作業的環境惡劣(戶外顯示文字和圖形的能力有限，工作環境的濕度、溫度等很容易引起數據采集處理設備電子器件的損壞)且移動設備所宿主的移動計算環境資源有限(CPU運算能力、存儲空間、屏幕大小與分辨率以及電池電量等因素)。因此，簡單的移動測圖模式并不能太大地提高測圖作業的效率。

3)集成多種導航定位和測圖傳感器的車載移動測圖系統(mobile mapping system，MMS)。MMS是目前最先進的測圖方法，具有獨立成圖(無需借助地圖和傳統測圖方式即可完成道路電子地圖的測制)、測量成果全面(空間坐標、矢量數據以及連續的三維圖形等)，而且能夠有效融合其他來源數據(可與航片、衛片以及傳統地形圖進行有效融合，從而生成信息更為全面的地理信息)以及高效率(能夠以60 km/h的速度完成外業測圖工作)等優點[5]。

但MMS方式存在的最大缺點是：采用獨立作業模式，不能充分利用分布式網絡資源進行并行處理，因此MMS空間數據處理、分析運算能力有限，不適合多群體并行作業的大規模測圖工程。另外，MMS費用太高、設備復雜、采集數據精度低，且作業區域受限(對于野外環境比較惡劣，車輛無法到達的區域則不能進行作業)，因此只適合于城市景觀、市政公用設施數據的測圖工程。

三、基于協同服務的移動實時測圖

1．系統架構

移動數據通信技術的發展，為空間數據的大批量、實時、高效地無線傳輸奠定了基礎。本文提出基于移動數據通信技術，構建一種具有移動數據采集系統與后臺制圖系統實時、協同交互信息功能的移動測圖模式。該模式可以同時發揮移動數據采集系統的快速獲取空間信息以及內業制圖系統強大的數據分析與制圖功能的優勢，大大提高移動測圖作業的效率。系統架構如圖1所示。系統基于C/S模式的分層架構設計，包括移動數據采集系統和內業制圖系統。

圖1 系統功能框架

移動數據采集系統包括：登錄管理、任務管理、RTK數據、草圖數據、視圖操作;內業制圖系統包括：作業管理、數據管理、制圖管理以及站點管理。實時數據傳輸(中間件)是連接兩個子系統的核心功能模塊，其采用Stub/proxy的設計模式。宿主于移動數據采集系統的Stub負責測量數據的實時發送、內業制圖系統分析處理結果的實時接收，而宿主于內業制圖系統的proxy則完成測量數據的實時監測、識別，以及內業制圖系統協同處理結果的實時發送等功能。

2．多群體作業的協同服務

在大規模的測圖工程中[6]，通常需要大量的移動數據采集系統并行、協同工作。設計一種多個移動數據采集系統之間以及移動數據采集系統與內業制圖系統之間信息交互的協同服務模型是有效解決移動數據采集系統之間作業沖突、動態調度作業，提高整體測圖工程效率的關鍵。

(1)作業單元

移動數據采集系統進行數據采集的基本作業單元(job)仍采用圖幅(MapNO)管理的方式。首先，根據數據采集區域的空間范圍、生成系列符合國家標準的圖幅。然后，依據作業環境、移動數據采集系統的數量等因素，將指定的圖幅集分配給某一作業單元，同時為作業單元內指定要采集的數據類型(layer)。最后，將特定的作業單元分配給某一移動數據采集系統(station)。作業單元的基本構成要素之間的關系，如圖2所示。

圖2 作業單元構成的E-R圖

(2)移動數據采集系統與內業制圖系統的協同交互

移動數據采集系統與內業制圖系統之間的信息協同交互通過移動Web服務實現。協同交互的基本操作包括：作業任務生成與分配、作業任務調用、作業實施、作業數據提交、作業數據檢查處理以及數據制圖等。

具體的操作流程包括：

1)內業制圖系統調入作業區域背景圖，依據移動數據采集系統的數量與空間位置分布生成符合國家標準的MapNo，并將其分配給具體的job，然后將job分配給station。系統功能界面如圖3(a)所示。

2)登錄移動數據采集系統，通過作業調入模塊，加載為其分配的job。系統功能界面如圖3(b)所示。

3)移動數據采集系統使用接入JSCORS網絡的RTK模式，在其job范圍內進行快速的高精度數據采集[7]，并編輯其屬性信息。對于不能使用測量設備作業，且對定位精度要求不高的空間數據，可以使用草圖繪制功能進行編輯。系統功能界面如圖3(c)所示。

4)移動數據采集系統完成作業后，進行簡單成圖與數據質量檢查，然后將完成的job任務提交到內業制圖系統。系統功能界面如圖3(d)所示。

5)內業制圖系統接收移動數據采集系統提交的作業數據，進行數據分析與質量檢查。如果不能滿足要求，將錯誤與修改要求即刻發送回移動數據采集系統修正錯誤或重新作業，否則內業制圖系統即利用數據處理功能模塊進行數據制圖預處理，最后進行數據入庫、制圖、打印輸出，功能界面如圖3(e)、3(f)所示。移動數據采集系統與內業制圖系統的協同交互的基本流程如圖4所示。

圖3 移動實時測圖系統功能界面

圖4 移動數據采集系統與內業制圖系統協同交互

(3)移動數據采集系統之間的協同交互

移動數據采集系統之間的協同交互采用中心數據庫的交互模式，即移動數據采集系統之間的信息交互需通過內業制圖系統的任務管理模塊進行轉接。采用協同交互模式的主要原因是：移動數據采集系統的空間作業范圍通常比較大，基于P2P的短距離無線數據交互無法滿足需求。移動數據采集系統之間的協同交互的流程如圖5所示。具體操作步驟包括：

1)移動數據采集系統在作業的過程中，由于環境、人為等因素的變化，往往需要對既定的作業進度進行動態調整。移動數據采集系統依據其作業進度情況，提出任務調度請求。

2)內業制圖系統接收任務調度請求，作業管理模塊通過對整個測圖工程的所有作業任務的監控(系統功能界面如圖3(d)所示)，依據作業范圍的空間分布、作業進度控制等因素，生成優化調度模型(系統功能界面如圖3(e)所示)，并依據調度模型算法的生成預案，調度移動數據采集系統處理調度任務。

四、結束語

隨著智慧地球、物聯網等概念的提出，對地理空間信息的需求更為迫切，海量、高精度的地理空間信息的快速獲取以及實時專題地圖制作成為當前測繪技術發展的新挑戰，針對傳統的內、外分離作業模式以及簡單移動測圖模式的數據測圖系統存在的效率低、應用范圍有限等缺點，本文提出了一種基于協同服務的移動實時測圖模式，并給出了基于模式的系統架構設計方法以及移動數據采集系統與內業制圖系統的協同交互的基本流程。本文設計的移動實時測圖系統，已經在接入JSCORS系統的數據采集業務中成功應用。實踐證明，在應用于移動數據采集系統群體并行、協同工作的測圖工程中，該系統具有較高的效率。

圖5 移動數據采集系統之間的協同交互

[1]李德仁，苗前軍，邵振峰．信息化測繪體系的定位與框架[J]．武漢大學學報：信息科學版，2007，32(3)：189-192．

[2]寧津生，楊凱．從數字化測繪到信息化測繪的測繪學科新進展[J]．測繪科學，2007，32(2)：5-11．

[3]楊勝文，史美林．協同服務：從群體到面向服務的協同系統[J]．通信學報，2006(11)：148-153．

[4]楊曉明，王軍德，時東玉．數字測圖(內外業一體化)[J]．北京：測繪出版社，2001．

[5]梁誠．面向GIS的車載空間數據采集系統研究[D]．南京：南京師范大學，2007．

[6]付洪波，李偉，于喜旺．淺談西部測圖工程野外測繪工作如何進行有效管理[J]．測繪與空間地理信息，2008，31(4)：215-217．

[7]宋玉兵，丁玉平，沈飛．JSCORS的建設與最新進展[J]．測繪通報．2009(2)：73-74．