數字化巡查系統在天津市河道網格化管理中的開發與應用

周 軍

（天津市北三河管理處，天津 301800)

隨著天津市社會經濟建設的快速發展，河道管理體系不斷完善，在工程、環境、水行政、防汛調度等管理方面積累了大量的基礎信息，由于這些信息分散在各個職能部門，信息共享和利用程度不高。當今，利用計算機進行信息化管理，已成為信息化水務建設中常用的一項重要手段。隨著GPS（全球定位系統）、GIS（地理信息系統）及移動終端技術的普及，使得通過GPS與GIS技術對巡檢人員的工作情況和整個管轄區域的狀態進行實施監督管理成為可能。目前，巡查基礎數據的獲得主要依靠河道巡查人員現場收集與上報，但這一巡檢模式工作數據量大、工作效率低，巡檢人員是否按照既定的時間和路線完成巡檢任務，在巡查記錄中無法體現；同時，巡檢發現的問題也得不到及時處理。針對上述問題，天津市對河道網格化管理開展了技術研究，并在此基礎上開發出河道巡查巡視管理系統。實現河道網格化管理是整個系統構建的基礎，此研究是天津市首個針對河道巡查信息平臺的技術研究。

1 河道網格化管理思想

借鑒城市網格化管理[1]的思路，將巡查河道按照一定的標準劃分成若干單元網格。劃分思路是將網格化思想與關鍵點控制思想結合起來，在電子地圖中分解河道并布置關鍵點，用一個網格代表一個分解后的河段，并在每個網格中布置關鍵點即在每個河段中設定重點巡查工程，從而實現由整體到網格再到點的管理。將河道進行網格化處理[2]后得到的直接成果，包括河道細分管理、自動簽到、精確導航定位。

1.1 河道細分管理

將所有河道按各個河道管理所的管轄范圍進行分段，而且細分到左、右堤岸。每個細分河段建立由巡查任務下發、河道巡查、問題上報、上級批復、問題處理、處理結果核查組成的閉環管理體系。

1.2 自動簽到

按照建筑物類別，在河道各個堤段設置關鍵點，并以點為圓心設置半徑，實現當巡查人員在此半徑之內移動終端自動簽到的功能。

1.3 精確導航定位

通過細分河道分段，在每個細分河段定位比整條河道的定位要精確得多。

2 地理數據預處理技術

河道管理中地理數據量大，處理數據成本很高。如，一幅典型的比例尺為1：25 000 的地形圖需要100 萬～300 萬對坐標，才能使獲得的數字地圖的幾何精度達到一定的要求。同時，直接處理海量數據耗時長、效率低。要實現河道的網格化管理，需將各條河道根據不同管理單位的管轄范圍細分成多條河段，且上、下游河段首尾相接。在數字化多邊形地圖時，同一點可能被數字化許多次，即使很仔細，但由于儀器本身的精度和操作上的問題，不能保證上游河段的終點與下游河段的起點經過數字化后具有相同的坐標。為此，需要實現數據誤差糾正的技術方法，以達到網格化管理的目的。

2.1 地圖數據壓縮技術分析與算法實現

為了解決海量地圖數據處理成本高的難題，研究并實現了對地圖數據進行預處理壓縮的技術方法。以下3種方法，被應用到地圖數據壓縮中。

（1）間隔取點法[3]。每隔k 個點取一點，或舍去那些離已選點比規定距離更近的點，但首末點一定要保留，取點過程如圖1所示。

（2）垂距法和偏角法[4]。這兩種方法是按垂距或偏角的限差選取符合或超過限差的點，取點過程如圖2所示。

（3）道格拉斯-普克法[5]。該方法試圖保持曲線走向和允許制圖人員規定合理的限差，其執行過程如圖3所示。

圖1 間隔取點法示意

圖2 垂距法和偏角法示意

針對河道地理數據的應用要求，分析比較上述3個方法：①間隔取點法很容易將一些關鍵點除掉，這樣不利于河道巡查工作中自動簽到功能的實現。②垂距法和偏角法比間隔取點法要好一些，但是不能保證數據壓縮后河段的趨勢與原河段相同。③對河道地理信息來說，由于道格拉斯-普克法彌補了間隔取點法、垂距法、偏角法的缺點，所以在地圖數據預處理壓縮中采用此法。

具體算法的實現，有以下5個步驟：①首未點相連；②計算中間各點到直線的距離；③刪去距離小于臨界值的點；④在留下的點中，選擇距離最大的點，將曲線分成兩段；⑤重復①—④，依次類推。

圖3 道格拉斯-普克法示意

針對道格拉斯-普克法采用數值計算中二分法的思想，編制數據壓縮程序，很好地解決了海量數據處理成本高的問題。

2.2 地圖數據匹配技術分析與算法實現

為了將離散的河段無縫地連接起來，研究并實現了對地圖數據進行匹配的技術方法。研究采用頂點匹配與數字接邊技術[6]來矯正誤差。

（1）頂點匹配法。該方法是用匹配程序對多邊形文件進行處理。經處理后，在多邊形生成時若發現少數頂點不匹配，經查明原因后可輔以交互編輯的方法處理。

（2）數字接邊法。在數字化地圖時，一般是一幅一幅地進行，有時一幅圖還需分塊進行。由于操作誤差，相鄰圖幅公共圖廓線（或分塊線）兩側本應相互連接的地圖要素會發生錯位，這是不可避免的。因此，在拼幅或合幅時均須對這些分幅數字地圖在公共邊上進行相同地圖要素的匹配，如圖4所示。

圖4 數字接邊示意

3 河道網格化管理解決方案及系統實現

為了實現河道網格化管理，研究并總結了一套解決方案，其中使用了多種技術手段，包括：采用Sky1ine G1obe作為三維電子地圖開發平臺；采用B-S架構；采用MYSQL作為后臺數據庫；采用J2EE架構作為編程開發平臺；采用Java Deve1opment Kit，An?droid SDK平臺開發移動端Android應用程序。

這里，只簡要介紹與河道網格化管理有直接關系的技術實現，包括Sky1ine G1obe 的二次開發、An?droid系統的應用開發、桌面系統的專題圖開發。

3.1 基于Sky1ine G1obe的二次開發

河道巡查巡視工作涉及天津境內19 條一級行洪河道、外環河及海堤，共計2 200余km堤防。依據網格化思想，在Sky1ine G1obe 平臺上將所有河道共分為268 個河段，其中點位數量1 045 個，共分為3類，其中堤防點位667 個、水閘77 個、口門301 個。通過電子地圖，系統可以實現如下功能。

（1）實現三維基礎場景。由于河道巡查對象都是建筑物，應用三維模型可以直觀地表現出各個建筑物的基本情況。搭建三維基礎場景可以提供很好的擴展性，為平臺將來的升級、長期應用打下良好基礎。

（2）與移動端系統相配合，實現河道巡查過程中自動簽到、精確定位功能。

（3）在電子地圖中顯示堤防或水利工程的巡查信息，實現信息實時共享功能，這些信息包括問題的文字描述、現場照片、錄像等。

3.2 基于Android系統的應用開發

智能移動設備選用搭載Android 系統的智能手機或平板電腦，實現自動簽到、多媒體數據采集、任務下發等功能，具體實現如圖5所示。

（1）任務下發。根據巡檢人員的工作范圍，系統自動將任務內容下發至巡查手持終端，并對相應河段制定任務的計劃周期與持續周期，既滿足了對巡查時間管理，又保證了對巡查頻次的要求，同時還可以查詢各條河段的任務計劃及歷史任務。

（2）巡查簽到。巡查巡視任務確定后，為保證巡檢人員按照規定線路行進，系統根據被巡查河道的重要程度布置關鍵巡檢簽到點位。當巡查人員抵達預定巡檢地點時，系統自動進行任務簽到操作，記錄相關巡檢信息；對于重點點位，如口門及水閘實施情況，設定手動簽到點位，需巡檢人員記錄工況信息后才能完成點位巡查。同時，巡檢簽到的位置是巡檢人員軌跡的依據，系統將根據巡檢簽到位置記錄自動生成巡檢軌跡。

（3）精確定位。系統自動將巡檢簽到點信息發送至巡檢人員手機端，并顯示每個簽到點的名稱和位置信息。當巡檢人員還沒有抵達預定巡檢地點時，系統進入巡檢項目導航流程，提示相關巡檢信息，引導巡檢人員抵達任務制定的巡檢位置。

（4）信息錄入并上傳。當巡查人員發現管理問題時，可隨時利用手機端進行錄入操作，添加相關照片、錄像等現場多媒體信息。當信息錄入完畢后，將自動反饋至中央服務器，形成歷史存檔，問題記錄也會共享至系統桌面端，由管理人員進行處理。

3.3 桌面系統開發

圖5 移動端系統實現

為實現對河道工程、水環境、水政、防汛調度、河長制等巡查工作的管理，桌面端系統制定了嚴謹、閉合的工作流程，通過巡查巡視管理平臺進行數字化、流程化管理，可以便捷地進行數據的查詢。專題圖模塊主要滿足管理部門對巡檢數據共享的業務需求。通過對專題圖的管理，在Sky1ine G1obe平臺上為各個管理部門制定了專門的電子地圖圖層，實現了針對特定部門的數據傳遞，并且針對特定權限的用戶開放所有類別的數據信息。目前，主要分為工管、水保、水政、水調四項管理任務的專題，每個專題中都可以查看與各自相關的各類上報問題的發生位置與情況描述。

4 結語

通過地理信息系統、移動端系統、桌面端系統相互配合的方式，實現了河道的網格化管理，解決了傳統巡查工作中存在的工作監督不力、問題描述不清、流程復雜、各部門溝通不暢、巡檢手段傳統、重要信息實時性差等問題。目前，該系統已在天津市水務局5個業務處室、5個河道（海堤）處、10個區縣管理部門和單位運行使用近2年，為工程、防汛、水資源、河長制、水政監察等管理搭建了信息共享平臺，有效地提高了巡檢人員工作的主動性和工作完結率，提高了管理部門對巡檢任務下達完成過程進行的質量監控，滿足了對巡檢過程中存在問題進行反饋和考評的需要，使巡查發現問題后的上報反饋、問題處置的及時性、快速性、真實性等得到了顯著提升，在規范化巡查、自動化管理方面取得了長足進步。

[1]鄭士源，徐輝，王浣塵.網格及網格化管理綜述[J].系統工程，2005，23（3）：1.

[2]王喜，楊華，范況生.城市網格化管理系統的關鍵技術及示范應用研究[J].測繪科學，2006，31（4）：117.

[3]張宏.地理信息系統算法基礎[M].北京：科學出版社，2010.

[4]胡艷.矢量地圖數據無損壓縮算法的研究[D].鄭州：中國人民解放軍信息工程大學，2009.

[5]賈利峰，齊華.矢量曲線壓縮算法與實現[J].鐵道勘察，2005，（2）：20.

[6]閆浩文.計算機地圖制圖原理與算法基礎[M].北京：科學出版社，2007.